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引 言
在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)件所占的比重越來越大，為了避免重復(fù)性勞動，建立了多種形式的機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)件庫。標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立和使用提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，是CAD系統(tǒng)走向?qū)嵱没谋夭豢缮俚沫h(huán)節(jié)。從目前使用的情況來看，這些標(biāo)準(zhǔn)件庫主要是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)或國標(biāo)（部標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等），利用編程方式和交互式繪圖方式在二維的情況下實(shí)現(xiàn)的，如北京航空航天大學(xué)721研究所開發(fā)的CAXA電子圖板，它是一個(gè)高效、方便、智能化的通用中文設(shè)計(jì)二維繪圖軟件，擁有參量化國標(biāo)機(jī)械零件圖庫，并且其圖庫管理中的數(shù)據(jù)編輯功能可輸出、輸入標(biāo)準(zhǔn)件幾何數(shù)據(jù)，但這種方式建立的標(biāo)準(zhǔn)件庫數(shù)據(jù)輸入和編程工作量大，而且在使用時(shí)還存在消除隱藏線等問題。
Solidworks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是由美國Solidworks公司于1995年11月研制開發(fā)的，其價(jià)格僅為工作站CAD系統(tǒng)的四分之一。該軟件采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，可動態(tài)模擬裝配過程，它采用基于特征的實(shí)體建模，自稱100%的參數(shù)化設(shè)計(jì)和100%的可修改性，同時(shí)具有中英文兩種界面可供選擇，其先進(jìn)的特征樹結(jié)構(gòu)使操作更加簡便和直觀。它具有較好的開發(fā)性接口和功能擴(kuò)充性，并提供特征模板,可以從中引用標(biāo)準(zhǔn)零件和標(biāo)準(zhǔn)特征,但其現(xiàn)有零件較少，且不符合中國國標(biāo)，為此我們通過將CAXA標(biāo)準(zhǔn)件庫數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換為Microsoft Excel文件作為系列零件設(shè)計(jì)表（Design Table）插入到通過Solidworks建立的三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件模型，以設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)處理工作量很小的方式建立了基于微機(jī)平臺的三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫，以適應(yīng)新的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式，進(jìn)一步推進(jìn)CAD/CAM系統(tǒng)的實(shí)用化程度，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上一新的臺階。
1 Solidworks的功能特點(diǎn)
Solidworks是基于PARASOLID幾何造型核心，采用VC++編程和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫來開發(fā)的。Solidworks具有基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型、NURBS復(fù)雜曲面造型、實(shí)體與曲面融合、基于約束的裝配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DWG數(shù)據(jù)交換及世界獨(dú)有的特征識別器（Feature works）等一系列先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)功能及工具，將2D繪圖與3D造型技術(shù)融為一體，為PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成提供了條件。
Solidworks主要包括以下幾個(gè)重要性能特征：
1)基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型
用Solidworks的拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角、抽殼和倒圓等基于特征的三維實(shí)體造型工具，能夠方便、快捷地創(chuàng)建任何復(fù)雜形狀的實(shí)體，而具有參數(shù)化特征的實(shí)體能夠通過對尺寸的改變來進(jìn)行編輯，通過在嵌入或插入的 Microsoft Excel 工作表中指定參數(shù)的系列零件設(shè)計(jì)表（Design Table）中簡單地改變它們的尺寸配置，就可以同時(shí)完成對一個(gè)零件多個(gè)尺寸值的修改，從而實(shí)現(xiàn)了系列零件尺寸驅(qū)動設(shè)計(jì)和編輯。還可以通過使用代數(shù)表達(dá)式來定義參數(shù)間或尺寸變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
2)裝配設(shè)計(jì)和工程分析
Solidworks的裝配設(shè)計(jì)工具能夠采用“自頂而下”或是“自底而上”的方法創(chuàng)建和管理包含成百上千個(gè)零部件的裝配和子裝配，利用Solidworks分析工具能進(jìn)行動態(tài)、靜態(tài)干涉檢查、計(jì)算質(zhì)量特征，如質(zhì)心、慣性矩等。
利用Solidworks的裝配文檔工具，能自動地開發(fā)全參數(shù)化的零部件的關(guān)聯(lián)材料明細(xì)表。創(chuàng)建爆炸的裝配視圖具有指引線的零部件編號。
3) 圖紙的全相關(guān)性
Solidworks通過零部件與零部件之間和三維零部件與二維圖紙之間的關(guān)聯(lián)，智能地連接三維模型和二維圖紙，能自動地生成零部件尺寸、材料明細(xì)表（BOM）、具有指引線的零部件編號等技術(shù)資料，從而簡化了工程圖紙的生成過程。
2 三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫的建庫流程和主要內(nèi)容
2.1 建庫流程
Solidwork環(huán)境下的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)建庫流程如圖1所示，通過Solidworks 建立各幾何尺寸參數(shù)名與CAXA標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)參量名一致的三維標(biāo)準(zhǔn)件模型，將CAXA輸出的零件幾何尺寸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excel文件作為系列零件設(shè)計(jì)表插入到標(biāo)準(zhǔn)件模型。再將所建立的各類標(biāo)準(zhǔn)件模型按一定的目錄分門別類地儲存在硬盤某路徑下，將該路徑添加到Solidworks系統(tǒng)選項(xiàng)中添加特征模板瀏覽器的參考路徑中，即可以標(biāo)準(zhǔn)件庫的形式在特征模板中查詢和調(diào)用各類標(biāo)準(zhǔn)件。
2.2 主要內(nèi)容
三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫中的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件元素由三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件模型和系列零件設(shè)計(jì)表組成。三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件模型是參照國際標(biāo)準(zhǔn)（DIN或ISO）以及國家標(biāo)準(zhǔn)（GB），利用特征造型技術(shù)建立的，在該庫中存儲的并不是帶有違禁詞幾何數(shù)據(jù)的實(shí)體模型，而是各類由系列零件設(shè)計(jì)表尺寸驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)件。其主要包括以下內(nèi)容：
(1)標(biāo)準(zhǔn)件模型的建立。采用交互方式構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)體模型，該模型利用特征造型技術(shù)中的各種實(shí)體模型。模型的各尺寸約束名稱采用與CAXA的標(biāo)準(zhǔn)件一致的尺寸名。
(2)標(biāo)準(zhǔn)件的幾何約束關(guān)系描述。利用共線、垂直、全等、平行、相切、同心、中點(diǎn)、交叉點(diǎn)、重合、對稱等幾何關(guān)系（即拓?fù)潢P(guān)系）來定義標(biāo)準(zhǔn)件的幾何形狀，從而得到標(biāo)準(zhǔn)件的幾何約束關(guān)系描述。
(3)標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸變量名。尺寸變量名由字母、數(shù)字和特征名組成，例如D@sketch1,L@extrude1等，一旦變量名確定后，在整個(gè)使用過程中應(yīng)前后保持一致。
(4)標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸參數(shù)關(guān)系描述。利用系列零件設(shè)計(jì)表或代數(shù)表達(dá)式來定義標(biāo)準(zhǔn)件的基本尺寸或
基本尺寸之間的參數(shù)關(guān)系，將尺寸參數(shù)（變量）與尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系生成一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)件模型相聯(lián)系的系列零件設(shè)計(jì)表文件。系列零件設(shè)計(jì)表文件可以是外部插入的Excel文件也可以是嵌入到標(biāo)準(zhǔn)件模型內(nèi)部的Excel文件。在這里我們采用外部插入的方式，這樣可以大大減少標(biāo)準(zhǔn)件模型文件尺寸。
(5)系列零件設(shè)計(jì)表文件主要存儲標(biāo)準(zhǔn)件的各種參數(shù)，這些參數(shù)可以通過將CAXA標(biāo)準(zhǔn)件庫數(shù)據(jù)輸出而獲得，包含了標(biāo)準(zhǔn)件所具備的幾何數(shù)據(jù)，并將這些特性通過參數(shù)文件的形式傳遞給三維標(biāo)準(zhǔn)件模型。當(dāng)改變系列零件設(shè)計(jì)表文件中有關(guān)尺寸變量的取值時(shí)，即改變尺寸配置，通過尺寸驅(qū)動處理即可生成一系列大小符合實(shí)際尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件。也就是說每一類標(biāo)準(zhǔn)件只需建模一次就可以得到完整的標(biāo)準(zhǔn)件系列。
3 系統(tǒng)構(gòu)造方法
利用Solidworks提供的強(qiáng)大的基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型功能生成標(biāo)準(zhǔn)件的模型庫。首先我們生成主特征的二維草圖（sketch），由草圖經(jīng)過拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描生成標(biāo)準(zhǔn)件的主特征即基體，然后再在基體上加上其它一些輔助特征，如孔、倒角等,最終建立三維標(biāo)準(zhǔn)件庫，圖2表示了標(biāo)準(zhǔn)件-螺栓的模型的生成過程。
3.1 標(biāo)準(zhǔn)件的幾何約束關(guān)系
Solidworks提供了多種描述幾何約束關(guān)系的方式，如共線、垂直、全等、平行、相切、同心、中點(diǎn)、交叉點(diǎn)、重合、對稱等。在建立標(biāo)準(zhǔn)件的三維參數(shù)化模型時(shí)，一是利用這些關(guān)系對生成的二維草圖進(jìn)行幾何關(guān)系約束，圖2(a)中螺栓頭的正六邊形與圓內(nèi)接，則其幾何約束關(guān)系就描述為正六邊形的六條邊與圓相切；二是在三維狀態(tài)下可利用這些約束關(guān)系，得到主特征和輔助特征、輔助特征之間的幾何約束關(guān)系，圖2(c)中螺栓頭正六邊體的內(nèi)接圓柱與螺栓的桿的軸心線重合，我們將其幾何約束關(guān)系就描述為螺栓頭與螺栓桿同心。這樣我們可以在不考慮具體尺寸的情況下得到所需要的大致幾何形狀，減少后續(xù)尺寸參數(shù)的數(shù)量，從而簡化標(biāo)準(zhǔn)件圖素模型。
3.2 標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸變量及其系列零件設(shè)計(jì)表
在Solidworks中各種尺寸約束可表示為變量、方程式和數(shù)字三種形式，模型的各尺寸變量名格式為尺寸名@特征名(或草圖名)，系統(tǒng)默認(rèn)的尺寸名是按建模順序來命名的，為了與CAXA標(biāo)準(zhǔn)件庫的各類零件的基本尺寸參量名一致，方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，我們應(yīng)在模型的尺寸屬性對話框中將各基本尺寸名改為相應(yīng)的名稱（如圖3和圖4所示）。再運(yùn)用Solidworks中的代數(shù)表達(dá)式功能用基本尺寸變量來表示中間尺寸變量，如螺栓頭倒角為一旋轉(zhuǎn)切除特征，可以用代數(shù)表達(dá)式令切除旋轉(zhuǎn)半徑（圖3中未標(biāo)出）的尺寸變量等于:
0.5*e@sketch1*sin(60*180/pi)
注：Solidworks代數(shù)表達(dá)式中的角度為弧度，pi為圓周率。
打開 Microsoft Excel 并生成一個(gè)工作表。在工作表的第一列(行標(biāo)題單元格 A3、A4等)中，輸入您想要生成的配置名稱。本例以螺栓的公稱直徑為配置名，保留單元格A2為空白。在工作表的第一行(列標(biāo)題單元格B2、C2等)中，輸入我們要控制的螺栓各基本尺寸變量名，再將圖4中輸出的尺寸數(shù)據(jù)通過Excel的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能輸入到該工作表，以上過程參見圖4及圖5，將該工作表（即系列零件設(shè)計(jì)表）保存后插入到已建模完畢的螺栓模型文件中，即可得到從M6-M24的一系列螺栓3維零件模型。運(yùn)用以上方法分別建立各類標(biāo)準(zhǔn)件模型文件后按目錄分類儲存在硬盤上，即可得到標(biāo)準(zhǔn)件庫。在裝配模型中通過Solidworks中的特征模板瀏覽器（如圖6）即可查詢、調(diào)用各種標(biāo)準(zhǔn)件，而更改同一類零件的不同配置就可以生成具有不同尺寸的符合國標(biāo)的三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體模型。
4 結(jié) 論
利用Solidworks提供的基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型功能，利用CAXA的數(shù)據(jù)解決了標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)資料由人工輸入、處理工作量巨大的問題，構(gòu)造了在微機(jī)平臺上的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫，從而使在微機(jī)平臺上進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，能直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件庫中的標(biāo)準(zhǔn)件，避免了重復(fù)性勞動，為在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)提供了方便。用這種方法建立的標(biāo)準(zhǔn)件庫，其生成的三維模型和二維圖形之間是相互關(guān)聯(lián)的，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)上的一致性。并且該建庫方法不需運(yùn)用編程二次開發(fā)的方法，建庫周期短，易于掌握。
