三维实体设计软件的应用技巧

2.3.2.1　三维实体造型软件简介

三维实体造型是计算机图形学中的一种非常复杂、非常系统、非常普及、非常实用的技术。目前，实体造型与建模的方法共有5种，即：线框造型、曲面造型、实体造型、特征造型和分维造型。在实体造型与建模中，人们迫切希望了解和掌握有关实体的更多几何信息，这就使得剖分一个实体成为一种可贵的功能，人们期望能借此观看和认知实体的内部形状和相关信息。

与线框模型和曲面模型相比，实体模型是最为完善、最为直观的一种几何模型。采用这种模型，人们可以从CAD系统中得到工程应用所需要的各种信息，并将其用于数控编程、空气动力学分析、有限元分析等[48]。实体建模的方法包括边框描述、创建实体几何形状、截面扫描、放样和旋转等。

1.软件简介

SOLIDWORKS是美国SOLIDWORKS公司开发的一种计算机辅助设计产品（Computer Aided Design，简称CAD），是实行数字化设计的造型软件，在国际上有着良好的声誉并得到广泛的应用[49]。SOLIDWORKS软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流，该系统在1995—1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名。从1995年至今，已经累计获得17项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SOLIDWORKS最佳编辑奖，以表彰SOLIDWORKS的创新、活力和简明。至此，SOLIDWORKS所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明。

由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核以及良好的与第三方软件的集成技术，SOLIDWORKS成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SOLIDWORKS软件使用许可约28万个，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通信、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约31 000家企业。

SOLIDWORKS具有非常开放的系统，添加各种插件后可实现产品的三维建模、装配校验、运动仿真、有限元分析、加工仿真、数控加工及加工工艺的制定，以保证产品从设计、工程分析、工艺分析、加工模拟、产品制造过程中数据的一致性，从而真正实现了产品的数字化设计与制造，大幅度提高了产品的设计效率和质量。

SOLIDWORKS是在Windows环境下进行机械设计的软件，它基于特征、参数化进行实体造型，是一个以设计功能为主的CAD/CAE/CAM软件，具有人性化的操作界面，具备功能齐全、性能稳定、使用简单、操作方便等特点，同时SOLIDWORKS还提供了二次开发的环境和开放的数据结构[50]。

2.软件特点

SOLIDWORKS软件功能强大，组件繁多，具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SOLIDWORKS成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SOLIDWORKS能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量[51]。它不仅提供了如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，它的操作简单方便、易学易用。

对于熟悉微软Windows系统的用户来说，基本上可以非常顺利地利用SOLIDWORKS来搞设计了。SOLIDWORKS独有的拖拽功能使用户能够在较短的时间内完成大型的装配设计。SOLIDWORKS资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以十分方便地管理CAD文件。使用SOLIDWORKS，用户能在较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SOLIDWORKS是设计过程简单而方便的软件之一[52]。美国著名咨询公司Daratech评论说：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SOLIDWORKS是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”

在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SOLIDWORKS，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间是全相关的，这就给使用者带来了极大的便利。

3.主要模块

（1）零件建模。

①SOLIDWORKS提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。

②通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。

③三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。

（2）曲面建模。

通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面，可以非常直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面操作。

（3）钣金设计。

SOLIDWORKS提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。可以让客户直接使用各种类型的法兰、薄片等特征，使正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。尤其是SOLIDWORKS的API可为用户提供自由的、开放的、功能完整的开发工具。

开发工具包括Microsoft Visual Basic for Applications（VBA）、Visual C++，以及其他支持OLE的开发程序。

（4）帮助文件。

SolidWork配有一套强大的、基于HTML的全中文帮助文件系统。其中包括超级文本链接、动画示教、在线教程，以及设计向导和术语。

（5）高级渲染。

与SOLIDWORKS完全集成的高级渲染软件能够有效地展示概念设计，减少样机的制作费用，快速地将产品投入市场。PhotoWorks可为用户提供方便易用的、优良品质的渲染功能。图2-22所示案例展现了SOLIDWORKS的高级渲染效果。

任何熟悉微软Windows的人都能用PhotoWorks快速地将SOLIDWORKS的零件和装配体渲染成漂亮的图片。用PhotoWorks的菜单和工具栏中的命令，可以十分容易地产生高品质的三维模型图片。PhotoWorks软件中包括一个巨大的材质库和纹理库，用户可以自定义灯光、阴影、背景、景观等选项，为SOLIDWORKS零件和装配体选择好合适的材料属性，而且在渲染之前可以预览，设定好灯光和背景选项，随后就可以生成一系列用于日后交流的品质图片文件[53]。

图2-22　SOLIDWORKS的渲染效果图

（6）特征识别。

与SOLIDWORKS完全集成的特征识别软件FeatureWorks是第一个为CAD用户设计的特征识别软件，它可与其他CAD系统共享三维模型，充分利用原有的设计数据，更快地将向SOLIDWORKS系统过渡。

FeatureWorks同SOLIDWORKS可以完全集成。当引入其他CAD软件设计的三维模型时，FeatureWorks能够重新生成新的模型，引进新的设计思路[54]。FeatureWorks还可对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型时间。

FeatureWorks最适合识别带有长方形、圆锥形、圆柱形的零件和钣金零件，还提供了崭新的灵活功能，包括在任何时间按任意顺序交互式操作以及自动进行特征识别。此外，FeatureWorks也提供了在新的特征树内进行再识别和组合多个特征的能力，新增功能还包含识别拔模特征和筋特征的能力。

2.3.2.2　三维实体造型设计的基本步骤

由于SOLIDWORKS优点突出、使用方便，本书将以其为应用工具，进行书中所述仿蛇机器人的三维实体造型设计[55]。

1.使用教程

1）启动SOLIDWORKS和界面简介

成功安装SOLIDWORKS以后，在Windows操作环境下，选择【开始】→【程序】→【SOLIDWORKS 2016】→【SOLIDWORKS 2016】命令，或者在桌面双击SOLIDWORKS 2016的快捷方式图标，就可以启动SOLIDWORKS 2016（见图2-23），也可以直接双击打开已经做好的SOLIDWORKS文件，启动SOLIDWORKS 2016。

图2-23　SOLIDWORKS启动界面

图2-23所示界面只显示了几个下拉菜单和标准工具栏，选择下拉菜单【文件】→【新建】命令，或单击标准工具栏中按钮，出现“新建SOLIDWORKS文件”对话框，这里提供了类文件模板，每类模板有零件、装配体和工程图三种文件类型，用户可以根据自己的需要选择一种类型进行操作。这里先选择零件，单击【确定】按钮，则出现图2-24所示的新建SOLIDWORKS零件界面。

图2-24　零件界面

图2-24里有下拉菜单和工具栏，整个界面分成两个区域，一个是控制区，另一个是图形区。在控制区有三个管理器，分别是特征设计树、属性管理器和组态管理器，可以进行编辑。在图形区显示造型，进行选择对象和绘制图形。特别是下拉菜单几乎包括了SOLIDWORKS 2016所有的命令，在常用工具栏中没有显示的那些不常用的命令，可以在菜单里找到；常用工具栏的命令按钮可以由用户自己根据实际使用情况确定。图形区的视图选择按钮是SOLIDWORKS 2016新增功能，单击【倒三角】按钮，可以选择不同的视图显示方式。

用户单击【文件】→【保存】命令，或单击标准工具栏中按钮，则会出现“另存为”对话框，如图2-25所示。这时，用户就可以自己选择保存文件的类型进行保存。如果想把文件换成其他类型，只需单击【文件】→【另存为】命令，随后在出现的“另存为”对话框中选择新的文件类型进行保存。

图2-25　“另存为”对话框

2）快捷键和快捷菜单

使用快捷键、快捷菜单及鼠标按键功能是提高作图速度和准确性的重要方式，在Windows操作里面有很多时候都会使用它们，这里主要介绍SOLIDWORKS快捷命令的使用和鼠标的特殊用法。

（1）快捷键。

SOLIDWORKS里面快捷键的使用和Windows里面快捷键的使用基本上一样，用Ctrl+字母，就可以进行快捷操作。

（2）快捷菜单。

在没有执行命令时，常用快捷菜单有四种：一种在图形区里，一种在零件特征表面上，一种在特征设计树里，还有一种在工具栏里，单击右键后就出现如图2-26所示的快捷菜单。在有命令执行时，单击不同的位置，也会出现不同的快捷菜单，用户可以自己在实践中慢慢体会。

（3）鼠标按键功能。

左键——可以选择功能选项或者操作对象。

右键——显示快捷菜单。

图2-26　快捷菜单

中键——只能在图形区使用，一般用于旋转、平移和缩放。在零件图和装配体的环境下，按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现旋转；在零件图和装配体的环境下，先按住Ctrl键，然后按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现图形平移；在工程图的环境下，按住鼠标的中键，就可以实现图形平移；先按住Shift键，然后按住鼠标中键移动鼠标就可以实现缩放；如果是带滚轮的鼠标，直接转动滚轮就可以实现缩放。

3）模块简介

在SOLIDWORKS里有零件建模、装配体、工程图等基本模块，因为SOLIDWORKS是一套基于特征的、参数化的三维设计软件，符合工程设计思维，并可以与CAMWorks及DesignWork等模块构成一套设计与制造结合的CAD/CAM/CAE系统，使用它可以提高设计精度和设计效率；也可以用插件形式加进其他专业模块（如工业设计、模具设计、管路设计等）。

特征是指可以用参数驱动的实体模型，是一个实体或者零件的具体构成之一，对应着某一形状，具有工程上的意义。因此这里讲的基于特征就是指零件模型是由各种特征生成的，零件的设计其实就是各种特征的叠加。

参数化是指对零件上各种特征分别进行各种约束，各个特征的形状和尺寸大小用变量参数来表示，其变量可以是常数，也可以是代数式。若一个特征的变量参数发生了变化，则该零件的这一个特征的几何形状或者尺寸大小都将发生变化，与这个参数有关的内容都会自动改变，而用户不需要自己修改。

下面介绍零件建模、装配体、工程图等基本模块的特点。

（1）零件建模。

SOLIDWORKS提供了基于特征的、参数化的实体建模功能，可以通过特征工具进行拉伸、旋转、抽壳、阵列、拉伸切除、扫描、扫描切除、放样等操作以完成零件的建模。建模后的零件，可以生成零件的工程图，还可以插入装配体中形成装配关系，并且还能生成数控代码，直接进行零件加工。

（2）装配体。

在SOLIDWORKS中自上而下地生成新零件时，要参考其他零件并保持参数关系。在装配环境里，可以十分方便地设计和修改零部件。在自下而上的设计中，可利用已有的三维零件模型，将两个或者多个零件按照一定的约束关系进行组装，形成产品的虚拟装配，还可以进行运动分析、干涉检查等，因此可以形成产品的真实效果图。

（3）工程图。

利用零件及其装配实体模型，可以自动生成零件及装配的工程图，需要指定模型的投影方向或者剖切位置等，就可以得到所需要的图形，而且工程图是全相关的。当修改图纸的尺寸时，零件模型、各个视图、装配体都会自动更新。

4）常用工具栏简介

SOLIDWORKS中有丰富的工具栏，在这里，只是根据不同的类别，简要介绍一下常用工具栏里面的常用命令功能。在下拉菜单中选择【工具】→【自定义】命令，或者右键单击【工具栏】出现的快捷菜单中的【自定义】命令，就会出现一个“自定义”的对话框如图2-27所示，接下来就可按图进行操作。

图2-27　“自定义”对话框

2.采用SOLIDWORKS进行三维实体造型的具体步骤

1）草图的绘制

草图是三维实体造型设计的基础，不论采用哪一种建模方式，草图都是实现模型结构从无到有迈出的第一步。但在三维实体造型设计系统中，草图的作用与地位发生了一些变化，其中心思想是人们的设计意图应采用三维实体来表达，这与以前人们只是写写画画、用简单的线条和潦草的图形作为草图使用的概念不同。草图作为实体建模的基础，编辑其中的管理特征比管理草图效率高。所以在三维实体造型设计中，认真完成草图的绘制十分重要。需要指出的是，在绘制草图过程中应注意以下几个原则：(https://www.xing528.com)

（1）根据建立特征的不同以及特征间的相互关系，确定草图的绘图平面和基本形状；

（2）零件的第一幅草图应该根据原点定位，以确定特征在空间的位置；

（3）每一幅草图应尽量简单，不要包含复杂的嵌套，这样有利于草图的管理和特征的修改；

（4）要非常清楚草图平面的位置，一般情况下可使用“正视于”命令，使草图平面和屏幕平行；

（5）复杂的草图轮廓一般应用于二维草图到三维模型的转化操作，正规的建模过程中最好不要使用复杂的草图；

（6）尽管SOLIDWORKS不要求完全定义的草图，但在绘制草图的过程中最好使用完全定义的，合理标注尺寸以及正确添加几何关系，能够真实反映出设计者的思维方式和设计能力；

（7）任何草图在绘制时只需要绘制大概形状以及位置关系，要利用几何关系和尺寸标注来确定几何体的大小和位置，这样有利于提高工作效率；

（8）绘制实体时要注意SOLIDWORKS的系统反馈和推理线，可以在绘制过程中确定实体间的关系，在特定的反馈状态下，系统会自动添加草图元素间的几何关系；

（9）首先确定草图各元素间的几何关系，其次是确定位置关系和定位尺寸，最后标注草图的形状尺寸；

（10）中心线（构造线）不参与特征的生成，只起着辅助作用，因此，必要时可使用构造线定位或标注尺寸；

（11）小尺寸几何体应使用夸张画法，标注完尺寸后改成正确的尺寸。

在遵循以上原则的条件下，用户可开始进行草图绘制。首先单击草图绘制工具上的“草图”命令，或者单击草图绘制工具栏上的“草图绘制”，或者单击菜单栏，然后选择“草图绘制”，其步骤如图2-28所示。接下来选择所显示的三个基准面上的任意一个基准面，然后在该基准面上单击“绘制草图”，被选中的基准面会高亮显示，如图2-29所示。

选中基准面以后，使用草图实体工具绘制草图，或者在草图绘制“工具栏”上“选择”—“工具”，然后生成草图。这里选择了“草图工具/圆”命令，再在基准面上绘制一个圆，如图2-30所示。

图2-28　草图绘制界面图

图2-29　选择草图绘制基准面

图2-30　采用画圆命令在基准面作图

绘制好草图轮廓后，可给图形标注尺寸。标注尺寸的数字可以进行修改，图形会根据修改尺寸变大或变小。如果不需要修改则直接单击“确定”即可。草图尺寸标注界面如图2-31和图2-32所示。

图2-31　草图尺寸标注界面1

图2-32　草图尺寸标注界面2

单击图2-32中右上角的“退出草图”图标，或单击特征工具栏上的“拉伸凸台”或者“旋转凸台”命令，就可以退出草图编辑状态，如图2-33所示。

如果要在已有实体表面进行草图绘制，只需右键选择实体的某个平面，再选择创建草图即可，其情形如图2-34所示。

图2-33　退出草图编辑状态界面图

图2-34　在实体表面进行草图绘制界面图

2）三维图的绘制

在草图绘制完毕后，可进行三维图形的绘制。常用的方法有拉伸、旋转等，具体步骤如下：

（1）建零件图。在前视基准面上创建直径为40 mm的圆形草图，如图2-35所示。

图2-35　在前视基准面上创建圆形

（2）退出草图绘制界面，在特征选项栏里选择“拉伸凸台/基体”，长度设为20 mm。选择绿色√，然后退出拉伸。其步骤与结果如图2-36所示。

图2-36　拉伸界面图

（3）在拉伸得到的基体的一面选择创建新草图。可以按组合快捷键Ctrl+L显示前视图。其情形如图2-37所示。

（4）在新创建的草图上绘制直径分别为30 mm和20 mm的同心圆，其情形如图2-38所示。

图2-37　创建新草图界面图

图2-38　在新创建的草图上绘制同心圆界面图

（5）退出草图，选择“拉伸凸台/基体”，在拉伸截面中选择圆环部分，设定拉伸长度为40 mm，选择绿色√，然后退出拉伸。所得拉伸结果如图2-39所示。

（6）将所得绘图结果更名为“底座”进行保存。

3）装配图的绘制

装配图由多个零件或部件按一定的配合关系组合而成。本例展示如何使用配合关系完成装配图的绘制。

（1）首先新建零件，改名为“轴”。在前视图中创建草图，绘制直径为20 mm的圆，然后拉伸100 mm。所得结果如图2-40所示。

图2-39　拉伸效果图

图2-40　轴的绘制效果

（2）新建装配体，导入轴与上例中的底座，其相关界面如图2-41和图2-42所示。

图2-41　新建装配体界面图

图2-42　导入零件界面图

（3）接下来将导入的轴与底座对应的孔进行配合。为了更加清楚地表示两者的配合关系，可将轴与底座设为不同的颜色，其结果如图2-43所示。

图2-43　轴与底座设为不同颜色效果图

（4）依次选择轴的外圆柱面和底座孔的内圆柱面，再选择标准配合中的同轴心，然后选择“配合”。操作界面如图2-44所示。图2-45表示了轴与底座的配合效果。

图2-44　轴与底座配合操作界面图

（5）利用鼠标拖拽轴使其退出配合孔，将轴与底座进行重新配合，以保证轴的底端不伸出底座的下端面，避免发生干涉现象。上述操作的结果如图2-46所示。

图2-45　轴与底座配合效果图

图2-46　轴退出配合孔情形图

（6）选择底座通孔下端面，再选择轴的底面，选择重合配合。此处可以用鼠标滚轮进行视图调节以便观察。具体操作界面与装配效果如图2-47和图2-48所示。

图2-47　轴与底座重新装配操作过程界面图

至此就形成了一个简单、但却完整的装配体。

4）生成二维切割图纸

将上述三维实体造型设计的结果采用SOLIDWORKS中的相应功能模块生成二维切割图纸，其目的是将所设计的零件可以直接利用激光切割机进行加工，或为人工手动切割提供加工依据，其格式为.dwg。在生成二维切割图纸时需要在文档中绘制待切割的图形，并进行合理布局，优化切割方案，防止浪费材料。

图2-48　轴与底座重新装配效果图