SolidWorks与设计自动化.docx

在竞争日益激烈的经济环境下，工作在许多企业，尤其是效益好的企业的设计师或工程师大多时候都在充当消防员的角色，四处“救火”，他们经常不得不经常使用那些早已过时的工程图纸，而使眼前工作得以继续，从而达到完成任务的目的。但这样做的代价就是导致大量的错误产生，需要执行更多的工程更改流程，因此在交货周期延长的同时，还显著增加了设计成本。 在竞争日益激烈的经济环境下，工作在许多企业，尤其是效益好的企业的设计师或工程师大多时候都在充当消防员的角色，四处“救火”，他们经常不得不经常使用那些早已过时的工程图纸，而使眼前工作得以继续，从而达到完成任务的目的。但这样做的代价就是导致大量的错误产生，需要执行更多的工程更改流程，因此在交货周期延长的同时，还显著增加了设计成本。但是，如果企业采用3D技术作为设计平台，并且在实施的过程中较好地实现了设计自动化，那么制造企业内完全面向合同的工程师就有可能在数分钟内完成以前数天才能完成的工程设计任务。同时设计自动化不仅可以简化3D模型和工程图的创建，甚至还可以扩展到报价文档，以及订单销售过程中任何需要的虚拟化制造数据。一、绪论在当今诸多行业内，利润空间都在变得越来越小，而且这种趋势还在继续。即使在那些利润率相对健康的领域，竞争和全球化的外包业务也使得利润摊薄成为必然趋势。过去，较高的设计与工程成本是显著影响利润空间的主要因素之一，因此，企业通过许多方式尝试缩短周期和降低工程设计成本，但这些方法大多是局部解决方案，虽然它们都很重要，发挥着各自的作用，但并不是全局都有效。显然，设计自动化被认为是一种能显著降低整体成本的有效方法。因为，它不仅能提高设计效率，而且还能将设计数据继承并传递下去，快速生成准确的报价和完全一致的工程文档，快速完成工艺编制与生产制造，更重要的是，在最短的时间内完成产品的交付。实际上，设计自动化的应用最早始于上世纪80年代，它帮助用户大大节约了时间与金钱。最近的市场调查中也有这样的实例，一家机器制造商利用设计自动化在不到一个小时的时间内完成了以前要80个小时才能完成的工程设计工作。还有一家电梯制造商，在24小时以内，可以提供准确的报价单，完成所有工程图，以及所有工艺制造文档等，而这在以前需要花费数个星期的时间。一家生产举重梁的公司能在不到一个小时内就回复客户关于通用布局工程图及其报价的咨询，而这在以前至少需要十六小时。本文将以此为出发点，探讨在3D CAD软件SolidWorks中如何实现设计的自动化。为广大正在推广和应用3D技术的用户提供一些建议和参考，希望起到抛砖引玉的作用。二、问题的提出几乎所有的企业都会有一个共同的目标，即降低设计成本。为此，通常企业会有两种选择：(1)减少设计量，但使产品种类标准化;(2)提高设计效率，即设计得更快。显然，第一种选择会限制客户的自由度，特别是在当今追求个性极大化的体验经济时代，这无疑会影响到企业的发展。因此，如果企业想让其客户高兴，并同时提升利润空间，那么第二种选择才是理想之选。很清楚，每个人、每个企业都需要某种程度的设计自动化。因为，设计自动化可快速完成重复性的工程设计任务，为准确投标计算成本，强化正确的工程决策，以避免卖出不可接受或无法制造的产品。但对设计自动化的理解和应用，每个企业都是不同的，到底什么是设计自动化呢?对任何一个面向订单生产的企业来说，设计自动化可以定义为任何一种程序或系统，该程序或系统能自动地将已有产品的工程设计成果传递给新的变型产品，并以最短的时间提交设计结果。此处，程序或系统的表现形式是多样的，例如，单独运行的程序，或作为插件的动态链接库，甚至是一张Excel表。但其作用等同于控制器，与CAD系统深度集成并驱动CAD系统，还可以与产品数据管理(PDM)系统或其他工程系统进行交互操作，从而实现变型产品(产品族)的工程计算、设计规则/意图，以及产品知识的自动更新。实际上，设计自动化可以看成是一种新的工作方式，它并不是一次性的项目。应该从最初的设计开始就建立整体规划。三、SolidWorks之设计自动化众所周知，SolidWorks是目前市场上应用最为广泛的主流3DCAD软件之一。值得注意的是，广大SolidWorks用户要想实现设计的自动化也是方便易行的，而且还可以采用多种途径。首先，可以直接采用内嵌在每套SolidWorks基本软件包中的DriveWorksXpress，该模块为客户提供了最为完整的设计自动化示例与指引，软件光盘中也包含了相应的应用指导与说明，此处不再赘述。另一种简单易行的途径就是通过适当的定制过程，将SolidWorks与Microsoft Office的Excel集成并连接起来，实现互操作，从而实现设计自动化。由于SolidWorks是100%的Windows原创软件，本身与微软Office系列软件就具有很好的互操作性和兼容性。例如，SolidWorks中可直接插入Excel表作为系列零件设计表生成零件族，也可以将Excel表作为设计表插入装配体环境下，生成产品的不同配置。下面将以一个具体的实例描述如何利用Excel(设计)表来实现SolidWorks设计自动化的定制过程。如图1所示产品，总的要求是产品的总体尺寸(长和宽)在一定范围内变化，可由设计者根据实际需要任意指定。产品由三种零件组成：顶板、底板和主梁，每种零件都有相应的规格尺寸要求，主梁和底板的数量由设计者指定，顶板的数量通过自动计算确定。此外，三种主要零件的尺寸都采用同一个标准规格表。产品设计完成后要采用如图2所示的产品配置器，用户一旦在配置器中选择和确定各参数与零件规格后，系统能自动生成各个零件及整个产品的装配体。根据以上要求，我们的规划与设计主要可以分为两步来进行，一是利用SolidWorks进行建模。二是插入系列零件设计表并编辑与定制设计表，或建立独立的Excel表，再将SolidWorks模型与Excel表链接起来(通过宏或简单的API程序)。下面将予以详细介绍。SolidWorks建模不是本文的重点，此处要强调的是，要达到设计自动化的目标，我们必须直接从装配体入手，完全采用自顶向下(Top-Down)的设计方法进行建模。具体对于示例产品来说，首先要在装配环境下规划并绘制出一些总体布局与框架(骨架模型)，对于此产品建立的骨架模型具体如图3所示，包括水平面上的总骨架，竖直面上的总骨架，底板骨架，主梁骨架，减轻槽切除骨架以及顶板骨架等。它们的名称最好能表达一定含义，虽然也可以用中文描述，但为了后面添加方程和定义参数方便，建议暂时还是采用英文描述较好。实际上，这些骨架都是一些平面草图，由平面直线或圆弧加上尺寸与约束关系组成，需要注意的是：各尺寸的名称最好也能采用具有意义的英文。图4即为水平面上的总骨架。其他骨架模型也很简单，限于篇幅，此处就不一一介绍了，但都会控制在总体骨架定义的范围之内。最需要注意的是，到底哪些尺寸会作为骨架模型的驱动尺寸呢?实际上也很简单，参照图2即可，因为最终要求的就是允许用户输入或选择那些尺寸与规格。在完成了总体骨架模型之后，可以开始建立3D模型了。这是SolidWorks用户最擅长的，此处不再详述。只是提醒大家一点，就是在建模过程中一定要很好地利用前面所建立的骨架模型，模型的轮廓边界及其尺寸关系都要与相应的骨架模型关联。到此为止，除了图2所示的驱动尺寸以外，相信大家对如何处理其他尺寸与关系还会有些疑问，这正是设计自动化的另一个重点内容，即添加方程。在产品的设计过程中，我们需要添加如图5所示的10个方程。例如，顶板数量的计算方程是： Nbr-of-RepTop_Boards_LPattern=Top_Boards_dist-2-DistribTop_Boards_X-Y_Skeleton+1，而其中Top_Boards_Dist-2-DistribTop_Boards_X-Y_Skeleton=int(Top_Board_Dist-2-DistribTop_Boards_X-Y_Skeleton/Top_Boards_WTop_Boards_X-Y_Skeleton)。再如，减轻槽的均布尺寸通过自动计算确定，还有各零部件的空间位置和尺寸都需要利用方程式来实现“自动”变化。到目前为止，SolidWorks建模的基础工作已经结束，接下来就是如何利用MS Office Excel的功能与SolidWorks的3D模型进行交互操作了。事实上，SolidWorks的客户都知道，SolidWorks与Excel本来就具有很好的集成性。例如，系列零件设计表和装配体的各种BOM表等都是直接利用Excel电子表格。作者在此也要针对在装配中插入系列零件设计表，进行深入的探讨。探讨的起因是因为在SolidWorks中建模用到的尺寸与图2用户界面所要求输入的尺寸是不完全相同的，例如，图2中关于三种零件的规格参数(如图6所示)如何能让SolidWorks软件自动判断并使用呢?即当用户在配置器中选择某一种规格的底板，如22150时，如何将其对应的参数W(22.23)、H(146.05)自动提取并赋给相应的变量带入SolidWorks驱动3D模型呢?此处有一点小的技巧，具体做法参见图7所示。图中的上半部分就是普通的系列零件设计表，只是在建模过程中对各参数和尺寸的名称进行了标准化。本部分也是将Excel表单元格中的数值与SolidWorks软件中各参数与尺寸关联在一起，从而驱动3D模型变化的关键部分。但关键的问题是这些尺寸参数往往是动态变化的，需要根据某个规格标示去提取相应的值，比如此处就是当底板规格选择为22150时，其对应的底板尺寸要能自动填写到系列零件设计表中去。如何才能实现呢?详细方法如下。首先我们可以按常规的插入“系列零件设计表”的方法插入一张空的Excel表到产品装配体中，点选各骨架模型或3D模型上的所有驱动尺寸参数，然后单独存盘为一个Excel文件，稍作调整和修改成为图7所示的上半部分。在该表的同一页同时定制一个“产品配置器”界面，同时还可定制出零件的规格表(参见图7)。理论上，它们可以定义在任意的行和列，但需要强调的是，每一部分最好定义在不同区域(不同的行和列，请仔细观察图中各部分在一张Excel表上的位置)，因为最后我们可能只需看见“产品配置器”部分，其他两部分都是不需要显示的(可通过隐藏行和列实现)。一旦位置确定下来，它们的位置是至关重要的。比如，对于一般尺寸的提取，如产品总宽度尺寸W直接利用公式等于单元格“T6”的值，同理， 总长度尺寸L等于“T7”即可，其他依此类推。但对于规格尺寸，如“底板规格”，则需要用到一个Excel的内部函数“VLOOKUP”，可仔细参照图7中的标示，利用它可提取到另一部分表格中的相应分量，正好满足我们的需要。这样的话，系列零件设计表中凡有类似要求的其他尺寸均可用此方法实现动态取值(参见图7中用椭圆圈中的部分尺寸)。最后，为便于SolidWorks的使用者在SolidWorks环境下更方便地使用“产品配置器”，同时让使用者获知输入值的有效范围，需要做两件事：一是隐藏掉除产品配置器以外的其他所有行和列，并在配置器的右下区域输入产品简图(参见前面的所有图示)。二是对“配置器”中要输入 值的单元格进行数据有效性设置。使用者最后可以得到如图8所示的结果。即当输入值时，下面会提示值的有效范围。当要选择规格时，单元格边会出现下拉图标，同时还有文字提示。至于如何去设置单元格数据的有效性和如何将单元格设置为下拉列表，可从Excel的帮助中获得，不在此详细描述。此外，还有一点值得一提，就是为了更好地控制输入和选择尺寸、规格，确保合理的产品变型，只允许在Excel设计表中修改尺寸值，而不允许直接在SolidWorks模型中修改，这也是很容易实现的，参见图9所示，即在插入或编辑系列零 件设计表时选择“阻止更新系列零件设计表的模型编辑”即可。最后，再简单介绍一下直接用独立的Excel表来驱动SolidWorks装配产品的方法。Excel表的建立与上面类似，但不需要去直接提取3D模型中尺寸参数到Excel表中，只需建立图7中第三行以下的部分即可，但需要在该表内添加一个更新按钮，如图10所示。该按钮与一段宏程序相关联，参见图11。该宏程序在SolidWorks中通过录制一个修改某个驱动尺寸后重建模型的宏即可得到。显然其作用就是将Excel表中单元格中的值传递到SolidWorks中去。因此，当用户在Excel中将所有数据输入或选择确定后，只需点击该更新按钮，SolidWorks环境下产品装配模型就会自动更新到Excel中最新的尺寸。最后一步就是将定制好的Excel表直接作为附件加入产品装配体中的设计活页夹中，参见图12所示，以便在打开该产品装配时直接打开Excel表进行产品的变型与配置，从而实现设计自动化。四、总结上面的实例虽然比较简单，但其所使用的方法是完全通用的。可以肯定的是，即使很小、很简单的产品也同样能从中受益。可以想象，相比构建一个纯粹的产品模型而言，我们在最初构建产品布局时可能需要多花一些时间去思考，但这种思考马上就能得到回报，特别是在设计后续的同类型产品时可以得到立竿见影的效果。利用设计自动化，不仅整体上帮助了企业提高设计的效率，同时也使个人的设计能力得到提升，帮助设计师和工程师设计出更多的创新产品。