三维实体造型设计的基本步骤简介

由于SOLIDWORKS优点突出、使用方便，本书将以其为应用工具，进行文中所述仿鱼机器人的三维实体造型设计。

5.1.3.1　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5-3），也可以直接双击打开已经做好的SOLIDWORKS文件，启动SOLIDWORKS 2016。

图5-3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5-4所示的新建SOLIDWORKS零件界面。

图5-3　SOLIDWORKS启动界面

图5-4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。

图5-4　零件界面

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5-5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5-5　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，一个在特征设计树里，还有一种在工具栏里。单击右键后就出现如图5-6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。

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。

图5-6　快捷菜单

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DesignWorks；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。

下面介绍一下零件建模、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5-7所示，接下来就可按图进行操作。

图5-7　自定义对话框

5.1.3.2　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来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原则：

（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5-8所示。

图5-8　草图绘制界面图

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5-9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一工具，然后生成草图。这里选择了草图工具为圆命令，再在基准面上绘制一个圆，如图5-10所示。

图5-9　选择草图绘制基准面(www.xing528.com)

图5-10　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5-11和图5-12所示。

图5-11　草图尺寸标注界面1

图5-12　草图尺寸标注界面2

单击图5-12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5-13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5-14所示。

图5-13　退出草图编辑状态界面图

图5-14　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）建立零件图。在前视基准面上创建直径为40 mm的圆形草图，如图5-15所示。

5-15　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5-16所示。

图5-16　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5-17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5-18所示。

图5-17　创建新草图界面图

图5-18　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5-19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多个零件装配图的绘制。

（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5-20所示。

图5-19　拉伸效果图

图5-20　轴的绘制效果

（2）新建装配体，导入轴与上例中的底座，其操作步骤与相关界面如图5-21和图5-22所示。

图5-21　新建装配体界面图

图5-22　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5-23所示。

（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5-24所示。图5-25表示了轴与底座的配合效果。

图5-23　轴与底座设为不同颜色效果图

图5-24　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，准备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5-26所示。

图5-25　轴与底座配合效果图

图5-26　轴退出配合孔情形图

（6）选择底座通孔的下端面，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。具体操作步骤与装配效果分别如图5-27和图5-28所示。

图5-27　轴与底座重新装配操作过程界面图

图5-28　轴与底座重新装配效果图

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文件。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。