2.4 零件设计

零件是装配体的基本组成部分，任何零件都可看成是由特征按照一定的位置关系组合而成的特征集合。零件的造型过程，就是对组成该零件的形状特征进行造型的总和。

2.4.1 引例：支座建模

本节要建立的零件是如图2-38所示的支座。

1．零件结构分析

分析可知该零件包括底板和立板两个凸台特征，底槽、通孔和沉头坑切除特征及边线圆角特征组成。其中底板应该为零件的第一个特征，且应该选择图2-39中所示的矩形草图为最佳轮廓，用拉伸凸台特征形成实体。把模型放置在假想的“盒子”里，确定使用哪个基准面作为草图平面。在本例中，参考面为上视基准面，如图2-40所示。

2．零件建模过程

确定了零件的第一个特征及其最佳草图轮廓和草图平面后，就可以开始建模了。建模包括绘制草图，建立凸台特征、切除特征和圆角特征，具体步骤如下。

（1）建立新零件

单击标准工具栏上的“新建”按钮，弹出“新建SolidWorks文件”对话框。选择“零件”选项，然后单击“确定”按钮，选择菜单“文件”→“保存”命令，以“支座”名称保存。

（2）建立基础特征—底板

1）选平面。选择上视基准面作为草图平面，在“草图”工具栏中单击插入新草图。

2）绘形状。在“草图”工具栏中，单击“矩形”附近绘制矩按钮，在图形区原点形，所绘矩形的大小，在标注尺寸后会自动修改。

3）定位置。按住〈Ctrl〉，单击矩形的一条长边和坐标原点并为其添加“中点”几何关系。

4）设大小。单击“智能尺寸”按钮，指针变为单击矩形的顶边，再单击想放置尺寸的位置，将值设为40mm，然后单击“确定”按钮。单击矩形的右边，再单击想放置尺寸的位置，将值设为15mm，然后单击“确定”按钮。单击视图工具栏上的“整屏显示全图”按钮以显示整个矩形的全图并使其在图形区居中。

5）造特征。在CommandManager的“特征”工具栏中单击“拉伸凸台/基体”按钮，在“拉伸”对话框中设为5mm并单击“确定”按钮，则完成拉伸特征建立，如图2-41所示。

6）重命名。在FeatureManager设计树中，单击“拉伸1”特征，当名称高亮显示并可编辑时，输入“底板”作为新的特征名称。FeatureManager设计树中的任何特征（除零件本身以外）都可以重命名，为特征重命名在以后的建模过程中对查询和编辑是很有用的，合理的名字有利于用户组织自己的工作，同时使他人在编辑模型时方便查看。

（3）凸台特征—立板

1）选平面。选择底板前面为草图平面，在“草图”工具栏中单击插入新草图。单击“显示工具”的下拉箭头，选择。

2）绘已知—立板圆。在“草图”工具栏中单击“圆”按钮，在底板上方完成圆绘制。按〈Ctrl〉键，单击圆心和坐标原点，添加“竖直”关系。在CommandManager的“草图”工具栏中单击“智能尺寸”按钮，单击圆线和底板侧面下边线，标注两者距离为25mm。单击圆线，单击“确定”按钮，接受默认尺寸，在“尺寸”对话框中选择“引线”选项卡，并选择半径方式后，在图形区双击尺寸线，将圆弧半径修改为10mm，如图2-42所示。

3）绘连接—立板矩形。单击“矩形”按钮，如图2-42所示，移动鼠标捕捉圆的左侧定位点，并拖动鼠标绘制矩形。按〈Ctrl〉键，单击矩形右边线和圆线，添加“相切”关系。同理，为矩形下边线和底板侧面上边线，添加“共线”关系。

4）裁多余。单击“剪裁”按钮，剪裁掉多余草图的部分，如图2-42所示。

5）拉立板。在CommandManager的特征工具栏中单击“拉伸凸台/基体”按钮，在“拉伸”对话框中设为5mm并单击“确定”按钮，则生成凸台特征。注意如果预览中显示“拉伸向着基体内部方向”，那么拉伸方向正确。如果预览中显示“拉伸向着离开基体的方向”，单击“反向”按钮。完成上述操作后，将此特征改名为“立板”。

4）切除特征—底板槽

1）选平面。选择立板前面，单击“显示工具”下拉箭头，选择。

2）绘形状。在CommandManager的“草图”工具栏中单击插入新草图，单击“矩形”按钮。将指针移到底板底边处并单击，然后拖动鼠标来生成矩形，如图2-43所示。

3）定位置。按住〈Ctrl〉键，选择矩形左边的竖直线和立板左侧的竖直边，添加“共线”关系，如图2-43所示。重复上述操作，分别在右边的竖直线和立板右侧的竖直边之间、底边水平线与底板底边之间添加“共线”关系。

4）设大小。单击“智能尺寸”按钮，指针变为将矩形高度值设为1.5mm，然后单击“确定”按钮。添加尺寸标注，使得草图完全定义，如图2-43所示。

5）切底槽。选择“插入”→“切除”→“拉伸”命令或在“特征”工具栏单击“拉伸切除”按钮。在“拉伸—切除”对话框中选择“完全贯穿”，单击“确定”按钮。完成上述操作后，将此特征改名为“底板槽”。

（5）创建孔

1）孔定位。选择底板上平面，单击选择如图2-44所示，在“草图”工具栏中单击“圆”按钮，完成圆绘制。单击“草图”工具栏中的“直线”按钮，捕捉底板上平面上下两边的中点，绘制直线，在“属性”对话框中选中“作为构造线”复选框。在CommandManager的“草图”工具栏中单击“智能尺寸”按钮，单击圆线和底板上边线，标注两者距离为5mm。单击圆线和中心线，移动鼠标超过中心线，标注对称尺寸为30mm。单击圆线，标准其直径为5mm。

2）钻通孔。选择“插入”→“切除”→“拉伸”命令，或在“特征”工具栏单击“拉伸切除”按钮。在“拉伸—切除”对话框中选择“完全贯穿”，单击“确定”按钮。完成上述操作后，把这个特征改名为“安装孔1”。在视图定向工具栏单击“等轴测图”按钮。

3）镜像孔。选择“插入”→“阵列/镜像”→“镜像”命令。如图2-45所示，在特征树中选择“右视基准面”作为镜像平面，选安装孔1为要镜像的特征，单击“确定”按钮。完成后将此特征命名为“安装孔2”。

4）向导孔。选择“插入”→“特征”→“孔”→“向导”命令。在图2-46所示的“孔规格”对话框中选择“位置”选项卡，单击“3D草图”按钮，在图形区捕捉圆心。

5）设参数。如图2-46所示，在“孔规格”对话框中选择“类型”选项卡，设置参数为：标准为GB，类型为六角头螺栓C级，大小为M5，终止条件为：完全贯穿。然后单击“确定”按钮，完成钻孔。

6）圆角特征

选择“插入”→“特征”→“圆角”命令，或在“特征”工具栏中单击“圆角”按钮，在“圆角特征”对话框中设置半径值为1.5mm。选择需要倒圆角的边，光标移动到需要倒圆角的边上时，它们会变成亮红色，选择边后变成绿色。所有的圆角过渡都具有相同的半径值，这些圆角生成的新边可用于建立新的圆角。

（7）编辑材料

右击FeatureManager上的材料特征

从快捷菜单中选择“编辑材料”→“黄铜”命令，完成材料添加。

（8）保存结果

在“标准”工具栏中单击“保存”按钮，或者选择“文件”→“保存”命令来保存所做工作。

（9）视图显示方式

SolidWorks的“显示”工具栏中提供显示控制，其中“显示方式”中提供了许多实体模型在屏幕上不同的显示方式，如图2-47所示。

2.4.2 零件设计基础

由上面的引例可见，建立零件模型应该从设计角度切入，绝不是“只要看起来像，怎么构建都可以”，而应该采用“怎样加工就怎样建模”的思想。建模前必须想好用哪些特征表达零件的设计意图，必须考虑零件的加工和测量等问题。要创建一个正确的参数化特征模型，必须要有机械制图、机械设计、机械制造等许多相关知识。

1．零件建模步骤

零件一般由多个特征构成，建模过程可总结为“分特征→定顺序→选视向→造基础→添其他”。

1）规划零件。包括“分特征→定顺序→选视向”。即分析零件的特征组成、相互关系、构造顺序及其构造方法，确定最佳的轮廓、最佳视向等。如引例中的支座包括底板和立板两个凸台特征，底槽、通孔和沉头孔切除特征及边线圆角特征，最佳轮廓为底板底面矩形，最佳视向选上视基准面为草图平面。

2）创建基础特征。基本基础是零件的第一个特征，它是构成零件基本形态的特征，它是构造其他特征的基础，可以看做是零件模型的“毛坯”，如引例中的底板。

3）创建其他特征。按照特征之间的关系一次创建剩余特征。如引例中的立板、通孔等。

2．零件建模规则

良好、合理、有效的建模习惯需要遵循的几点原则：“草图尽量简，特征需关联，造型要仿真，别只顾眼前”。

1）比较固定的关系封装在较低层次，需要经常调整的关系放在较高层次。

2）先建立构成零件基本形态的主要特征和较大尺度的特征，然后再添加辅助的圆角、倒角等辅助特征。

3）先确立特征的几何形状，然后再确定特征尺寸，在必要的情况下添加特征之间的尺寸和几何关系。

4）加工制造仿真。如引例中的底板没有用一个矩形加两个安装孔圆的草图直接拉伸成型，而是分别用矩形、圆拉伸和镜像的三个特征成型，这不仅与其实际加工工程相似，而且反映设计意图、便于草图的约束与修改。另外，安装孔草图绘制时用到了关于底板中面对称的特征关联关系；底槽和孔的终止条件均使用“完全贯穿”，而不是用“给定深度”。这样通过建立与前一个特征的关联关系，不仅与其实际加工工程相似，而且再改变前一个特征尺寸时，仍然可以反映最初的设计意图，体现牵一发而动全身的特点，提高设计效率。

3．零件设计意图

关于模型被改变后如何表现的计划称为设计意图。设计意图决定模型如何建立与修改，应不应该建立关联，当修改模型时，模型应该如何变化。例如，引例中零件的设计意图是：所有的孔都是通孔，安装孔是对称的，顶端孔的位置从基准面开始测量。开始零件建模时，选择哪一个特征作为第一个特征，选择哪个外形轮廓最好，确定了最佳的外形轮廓后，对草图平面的选择造成何影响，采用何种顺序来添加其他辅助特征，这些都要受制于设计意图。

为了有效地使用SolidWorks，建模前必须考虑好设计意图。草图几何关系、尺寸约束及其复杂程度，特征构造方式、特征构成及其相互之间的关联和特征建立的顺序都会影响设计意图。

（1）草图对设计意图的影响

影响设计意图的草图因素包括几何约束、尺寸关系和草图的复杂程度。

1）几何约束的影响。草图几何约束的影响包括草图平面的选择，图线的位置关系。

2）标注尺寸的影响。草图中的尺寸标注方式同样可以体现设计意图。添加尺寸某种程度上也是反映了设计人员如何修改尺寸。如图2-48a所示，无论矩形尺寸100mm如何变化，两个孔始终与边界保持20mm的相应距离。如图2-48b所示，两个孔以矩形左侧为基准进行标注，尺寸标注将使孔相对于矩形的左侧定位，孔的位置不受矩形整体宽度的影响。如图2-48c所示，标注孔与矩形边线的距离以及两个孔的中心距，这样的标注方法将保证两孔中心之间的距离。

3）草图复杂程度的影响。很多情况下，同一零件可以由一个复杂的草图直接生成，也可以由一个简单的草图生成基体特征后，再添加倒角等附加特征来生成。如图2-49所示的零件，可以用圆角草图拉伸获得，也可以用拉伸直角草图后再添加圆角特征的方法获得。其中复杂草图拉伸法建模速度较快，但草图复杂，不利于以后的零件修改和在装配条件下压缩圆角等细节；而简单草图拉伸法则更利于以后的修改操作

（2）特征对设计意图的影响

设计意图不仅受草图的影响，特征的构造方法、特征的构成、构造顺序及其关系等对设计意图也有很大影响。

1）特征构造方法的影响。对于图2-50所示的简单台阶轴就有多种建模方法。

制陶转盘法：如图2-50a所示，制陶转盘法以一个简单的旋转特征建立零件。一个单个的草图表示一个切面，包括所有作为一个特征来完成该零件所必需的信息及尺寸。

层叠蛋糕法：如图2-50b所示，层叠蛋糕方法建立这个零件，一次建立一层，后面一层加到前一层上。

制造法：如图2-50c所示，首先拉伸基体大圆柱，然后通过一系列的切割来去除不需要的材料。

以上3种方法体现了不同的设计思想。制陶转盘法强调了阶梯轴的整体性，零件的定义主要集中在草图中，设计过程简单，但草图较为复杂，不利于后期修改；层叠蛋糕法符合人们的习惯思维，层次清晰，后期修改方便，但与机械加工过恰好相反；制造法是模仿零件加工时的方法来建模，也就是“怎样加工就怎样建模”，该方法不仅具有层叠蛋糕法的优点，而且在设计阶段就充分考虑了制造工艺的要求。

2）特征构成的影响。选择不同的特征建立模型很大程度上决定了模型的设计意图，直接影响零件以后的修改方法和修改的便利性。合理的特征建模的基本原则是根据零件的加工方式和成型方法、零件的形状特点以及零件局部细节等来选择合适的特征。如，利用传统的车削、铣削等方法完成的机加工零件不宜采用很复杂的特征；通过注塑或压铸方法成型的薄壁零件，要考虑拔模和壁厚均匀的问题；铸造零件要考虑零件出模的分型面选择，按照零件的出模方向考虑添加适当的拔模角度，使用“抽壳”特征保持零件的壁厚基本均匀；钣金和焊接零件，可采用SolidWorks的钣金工具和焊接工具进行建模。

3）最佳轮廓的影响。在拉伸时，最佳轮廓可比其他轮廓建立更多的模型部分。在图2-51中，分别显示了模型的3种可能轮廓和零件的最终特征组成.。

轮廓A是矩形的，比模型本身大很多。它需要很多的切除或凸台来去除或添加材料以及建立一些细节，才能完成建模；轮廓B使用模型上“L”形的一条边，提供了较好的基本外形，但是需要一些额外的工作来形成半圆形的末端；轮廓C，只需再添加两个凸台，就可以完成基本外形，然后再建立切除特征和圆角特征，即可完成模型。综上所述，轮廓c可作为最佳轮廓。

4）观察角度的影响。在SolidWorks的模型空间里，零件的摆放位置多种多样。事实上，模型在三维空间的摆放位置与建模本身的要求没有太大的关系，合理地选择模型的观察角度应基于如下的考虑。

● 在零件环境中，可利用视图定向工具切换到适当的角度，便于设计者观察。

● 在装配体中，便于零件定位和选择配合对象。

● 在工程图中，与标准投影方向一致，便于生成视图

2.4.3 零件建模规划

把零件分解成若干个特征，并确定特征之间组合形式与相对位置及其构造方法的过程称为零件规划，其内容包括特征分解、特征构造顺序、特征构造方法、特征关系分析等。

1．特征分解

在基于特征的零件设计系统中，特征的组成及其相互关系是系统的核心部分，直接影响着几何造型的难易程度和设计与制造信息在企业内各应用环节间交换与共享的方便程度。

特征的组合形式通常有叠加和挖切。其分解原则可总结为“达意图、仿加工、便修改”。

1）特征应具有一定的设计和制造意义。如减速器中的从动轴，它的主要功用是支承齿轮传递扭矩（或动力），并与外部设备连接。为了使从动轴能够满足设计要求和工艺要求，它的结构形状形成过程和需要考虑的主要问题如表2-6所示。

2）特征应方便加工信息的输入。按照设计意图合理规划特征关系出现的层次。特征应有利于提高造型效率，增加造型稳定性。应仔细分析零件，简单、合理、有效地建立草图；严格按机械制图原则绘制草图；合理应用尺寸驱动、几何关系，方便日后修改与零件产品系列化；圆角、倒角等图素尽量用相应的辅助特征实现，而不在草图中完成。为了观察方便和简化工程图生成时的操作，需要按照观察角度合理地选择基体特征草图平面。

按照上述原则分析，可得到图2-52所示两个零件的特征构成。

2．特征关联

如果一个特征的建立参照了其他特征的元素，则该特征称为子特征，被参照特征称为该特征的父特征，父特征与子特征之间形成父子关系，也叫特征关联。例如，引例中底板是父特征，立板是子特征。在特征管理树中，子特征肯定位于父特征之后。删除父特征会同时删除子特征，而删除子特征不会影响父特征。

特征关联方式有几种类型：草图约束关联、特征拓扑关联和特征时序关联。

1）草图约束关联。指定义草图时借用已有特征的平面作为草图平面，草图图线与父特征的边线建立了相切、等距等几何关联关系或距离、角度等尺寸关联关系。为了建立特征的关联，草图平面一般按照“先已有，后默认，次插入”的原则选择，如引例中只有第一个草图选择了默认的上视基准面为草图平面，其他草图特征均选已有特征的平面为草图平面。另外，引例中还采用了立板草图底线与底板侧面边线的重合等关系建立了特征之间的关联关系。

2）特征拓扑关联。拓扑关系指的是几何实体在空间中的相互位置关系，例如孔对于实体模型的贯穿关系等。对于拉伸特征而言，拓扑关系主要体现在特征定义的终止条件中，如完全贯穿、到离指定面指定的距离等终止条件方式决定了特征之间的拓扑关系。

3）特征时序关联。时序关系指的是特征建立的先后次序。建立多个特征组成的零件时，应该按照特征的重要性和尺寸大小进行建模。先建立构成零件基本形态的主要特征和较大尺寸的特征，然后再添加辅助的圆角、倒角等特征。

3．零件规划实例

下面以图2-53所示的零件为例，说明零件建模前的规划过程。

（1）选择合适的观察角度

如图2-54所示。对于这个模型而言，A的放置方法最佳，应该把选择的最佳轮廓草图绘制在上视基准面。

（2）选择最佳的草图轮廓

图2-55显示了3种可能选择的轮廓，这3个轮廓都可以用来建立模型，下面分析以下3种不同轮廓的优缺点，以便于确定一个最佳的草图轮廓。

选择轮廓A：建立拉伸特征时有两种情况：拉伸的深度较短时（后面凸台的厚度），形成一个比较薄的实体，无法反映零件的整体面貌；拉伸的深度较长时（大于整个模型），将需要一系列其他切除特征切除多余的部分。

选择轮廓B：轮廓的整体外形是一个“L”形，这个形状可以反映零件的整体外貌。但是，拉伸特征无法形成前面的圆弧面，还需要一个圆角或切除特征来实现。

选择轮廓C：使用此轮廓建立拉伸时，给定一个较短深度（下部的厚度），圆弧面部分可以直接形成，再添加拉伸凸台和拉伸切除即可完成模型。因此，轮廓C是最佳的轮廓。

（3）确定特征建立顺序

根据确定最佳轮廓的分析过程划分出整个零件的建模过程，如图2-56所示。