Solidworks高级应用：利用CAXA数据库建立Solidworks三维库

 引 言
在机械产品的设计中标准件所占的比重越来越大，为了避免重复性劳动，建立了多种形式的机械设计标准件库。标准件库的建立和使用提高了设计效率和质量，是CAD系统走向实用化的必不可少的环节。从目前使用的情况来看，这些标准件库主要是根据国际标准或国标（部标、行业标准等），利用编程方式和交互式绘图方式在二维的情况下实现的，如北京航空航天大学721研究所开发的CAXA电子图板，它是一个高效、方便、智能化的通用中文设计二维绘图软件，拥有参量化国标机械零件图库，并且其图库管理中的数据编辑功能可输出、输入标准件几何数据，但这种方式建立的标准件库数据输入和编程工作量大，而且在使用时还存在消除隐藏线等问题。
Solidworks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国Solidworks公司于1995年11月研制开发的，其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。该软件采用自顶向下的设计方法，可动态模拟装配过程，它采用基于特征的实体建模，自称100%的参数化设计和100%的可修改性，同时具有中英文两种界面可供选择，其先进的特征树结构使操作更加简便和直观。它具有较好的开发性接口和功能扩充性，并提供特征模板,可以从中引用标准零件和标准特征,但其现有零件较少，且不符合中国国标，为此我们通过将CAXA标准件库数据输出转换为Microsoft Excel文件作为系列零件设计表（Design Table）插入到通过Solidworks建立的三维参数化标准件模型，以设计资料数据处理工作量很小的方式建立了基于微机平台的三维参数化标准件库，以适应新的机械产品的设计方式，进一步推进CAD/CAM系统的实用化程度，使产品的设计上一新的台阶。
1 Solidworks的功能特点
Solidworks是基于PARASOLID几何造型核心，采用VC++编程和面向对象的数据库来开发的。Solidworks具有基于特征的参数化实体造型、NURBS复杂曲面造型、实体与曲面融合、基于约束的装配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DWG数据交换及世界独有的特征识别器（Feature works）等一系列先进的三维设计功能及工具，将2D绘图与3D造型技术融为一体，为PC机上实现CAD/CAM的集成提供了条件。
Solidworks主要包括以下几个重要性能特征：
1)基于特征的参数化实体造型
用Solidworks的拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒圆等基于特征的三维实体造型工具，能够方便、快捷地创建任何复杂形状的实体，而具有参数化特征的实体能够通过对尺寸的改变来进行编辑，通过在嵌入或插入的 Microsoft Excel 工作表中指定参数的系列零件设计表（Design Table）中简单地改变它们的尺寸配置，就可以同时完成对一个零件多个尺寸值的修改，从而实现了系列零件尺寸驱动设计和编辑。还可以通过使用代数表达式来定义参数间或尺寸变量间的数学关系。
2)装配设计和工程分析
Solidworks的装配设计工具能够采用“自顶而下”或是“自底而上”的方法创建和管理包含成百上千个零部件的装配和子装配，利用Solidworks分析工具能进行动态、静态干涉检查、计算质量特征，如质心、惯性矩等。
利用Solidworks的装配文档工具，能自动地开发全参数化的零部件的关联材料明细表。创建爆炸的装配视图具有指引线的零部件编号。
3) 图纸的全相关性
Solidworks通过零部件与零部件之间和三维零部件与二维图纸之间的关联，智能地连接三维模型和二维图纸，能自动地生成零部件尺寸、材料明细表（BOM）、具有指引线的零部件编号等技术资料，从而简化了工程图纸的生成过程。
2 三维参数化标准件库的建库流程和主要内容
2.1 建库流程
Solidwork环境下的三维标准件库系统建库流程如图1所示，通过Solidworks 建立各几何尺寸参数名与CAXA标准件数据参量名一致的三维标准件模型，将CAXA输出的零件几何尺寸数据转换为Excel文件作为系列零件设计表插入到标准件模型。再将所建立的各类标准件模型按一定的目录分门别类地储存在硬盘某路径下，将该路径添加到Solidworks系统选项中添加特征模板浏览器的参考路径中，即可以标准件库的形式在特征模板中查询和调用各类标准件。

2.2 主要内容
三维参数化标准件库中的每个标准件元素由三维参数化标准件模型和系列零件设计表组成。三维参数化标准件模型是参照国际标准（DIN或ISO）以及国家标准（GB），利用特征造型技术建立的，在该库中存储的并不是带有唯一几何数据的实体模型，而是各类由系列零件设计表尺寸驱动的标准件。其主要包括以下内容：
(1)标准件模型的建立。采用交互方式构造标准件的实体模型，该模型利用特征造型技术中的各种实体模型。模型的各尺寸约束名称采用与CAXA的标准件一致的尺寸名。
(2)标准件的几何约束关系描述。利用共线、垂直、全等、平行、相切、同心、中点、交叉点、重合、对称等几何关系（即拓扑关系）来定义标准件的几何形状，从而得到标准件的几何约束关系描述。
(3)标准件的尺寸变量名。尺寸变量名由字母、数字和特征名组成，例如D@sketch1,L@extrude1等，一旦变量名确定后，在整个使用过程中应前后保持一致。
(4)标准件的尺寸参数关系描述。利用系列零件设计表或代数表达式来定义标准件的基本尺寸或基本尺寸之间的参数关系，将尺寸参数（变量）与尺寸之间的对应关系生成一个与标准件模型相联系的系列零件设计表文件。系列零件设计表文件可以是外部插入的Excel文件也可以是嵌入到标准件模型内部的Excel文件。在这里我们采用外部插入的方式，这样可以大大减少标准件模型文件尺寸。
(5)系列零件设计表文件主要存储标准件的各种参数，这些参数可以通过将CAXA标准件库数据输出而获得，包含了标准件所具备的几何数据，并将这些特性通过参数文件的形式传递给三维标准件模型。当改变系列零件设计表文件中有关尺寸变量的取值时，即改变尺寸配置，通过尺寸驱动处理即可生成一系列大小符合实际尺寸的标准件。也就是说每一类标准件只需建模一次就可以得到完整的标准件系列。
3 系统构造方法
利用Solidworks提供的强大的基于特征的参数化实体造型功能生成标准件的模型库。首先我们生成主特征的二维草图（sketch），由草图经过拉伸、旋转和扫描生成标准件的主特征即基体，然后再在基体上加上其它一些辅助特征，如孔、倒角等,最终建立三维标准件库，图2表示了标准件-螺栓的模型的生成过程。
3.1 标准件的几何约束关系
Solidworks提供了多种描述几何约束关系的方式，如共线、垂直、全等、平行、相切、同心、中点、交叉点、重合、对称等。在建立标准件的三维参数化模型时，一是利用这些关系对生成的二维草图进行几何关系约束，图2(a)中螺栓头的正六边形与圆内接，则其几何约束关系就描述为正六边形的六条边与圆相切；二是在三维状态下可利用这些约束关系，得到主特征和辅助特征、辅助特征之间的几何约束关系，图2(c)中螺栓头正六边体的内接圆柱与螺栓的杆的轴心线重合，我们将其几何约束关系就描述为螺栓头与螺栓杆同心。这样我们可以在不考虑具体尺寸的情况下得到所需要的大致几何形状，减少后续尺寸参数的数量，从而简化标准件图素模型。
3.2 标准件的尺寸变量及其系列零件设计表
在Solidworks中各种尺寸约束可表示为变量、方程式和数字三种形式，模型的各尺寸变量名格式为尺寸名@特征名(或草图名)，系统默认的尺寸名是按建模顺序来命名的，为了与CAXA标准件库的各类零件的基本尺寸参量名一致，方便数据转换，我们应在模型的尺寸属性对话框中将各基本尺寸名改为相应的名称（如图3和图4所示）。再运用Solidworks中的代数表达式功能用基本尺寸变量来表示中间尺寸变量，如螺栓头倒角为一旋转切除特征，可以用代数表达式令切除旋转半径（图3中未标出）的尺寸变量等于:
0.5*e@sketch1*sin(60*180/pi)
注：Solidworks代数表达式中的角度为弧度，pi为圆周率。

打开 Microsoft Excel 并生成一个工作表。在工作表的第一列(行标题单元格 A3、A4等)中，输入您想要生成的配置名称。本例以螺栓的公称直径为配置名，保留单元格A2为空白。在工作表的第一行(列标题单元格B2、C2等)中，输入我们要控制的螺栓各基本尺寸变量名，再将图4中输出的尺寸数据通过Excel的数据导入功能输入到该工作表，以上过程参见图4及图5，将该工作表（即系列零件设计表）保存后插入到已建模完毕的螺栓模型文件中，即可得到从M6-M24的一系列螺栓3维零件模型。运用以上方法分别建立各类标准件模型文件后按目录分类储存在硬盘上，即可得到标准件库。在装配模型中通过Solidworks中的特征模板浏览器（如图6）即可查询、调用各种标准件，而更改同一类零件的不同配置就可以生成具有不同尺寸的符合国标的三维参数化标准件实体模型。

4 结 论
利用Solidworks提供的基于特征的参数化实体造型功能，利用CAXA的数据解决了标准件数据资料由人工输入、处理工作量巨大的问题，构造了在微机平台上的三维标准件库，从而使在微机平台上进行三维设计时，能直接调用标准件库中的标准件，避免了重复性劳动，为在微机上实现机械产品三维设计提供了方便。用这种方法建立的标准件库，其生成的三维模型和二维图形之间是相互关联的，实现了设计上的一致性。并且该建库方法不需运用编程二次开发的方法，建库周期短，易于掌握。