Solidworks 设计基础

Solidworks设计基础 授课教师：谢华龙东北大学机械工程与自动化学院

Solidworks设计基础 教学提示： • CAD技术的发展与SolidWorks • SolidWorks的设计思想 • SolidWorks环境功能介绍 • 文件的基本操作 • SolidWorks的操作方式 • SolidWorks的用户化定制功能

CAD技术的发展与SolidWorks • 引言 • CAD就是设计者利用以计算机为主的一整套系统，在产品的全生命周期内帮助设计者进行产品的概念设计、方案设计、结构分析、工程分析、模拟仿真、工程绘图、文档整理等方面的工作。 • CAD既是一门多学科的交叉学科，它涉及计算机学科、数学学科、信息学科、工程技术等；也是一项高新技术，它对企业产品质量的提高、产品设计及制造周期的缩短、提高企业对动态多变市场的响应能力及企业竞争能力都具有重要的作用。 • 因此，CAD技术在各行各业都得到了广泛的推广作用。SolidWorks正是优秀CAD软件的优秀代表之一。

CAD技术的发展与SolidWorks SolidWorks是近年来迅速发展起来的高品质的、易学易用的三维CAD软件系统，功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点。 SolidWorks作为Windows平台下的机械设计软件，完全融入了Windows软件使用方便和操作简单的特点，其强大的设计功能可以满足一般机械产品的设计需要。就像美国著名咨询公司Daratech所评论的那样： “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”。

CAD技术的发展 20世纪60年代初，美国麻省理工学院（MIT）开发了名为Sketchpad的计算机交互处理系统，并描述了人机对话设计和制造的全过程，这就是CAD/CAM的雏形，形成了最初的CAD概念：科学计算、绘图。计算机在设计过程中的应用，形成了CAD系统。从20世纪60年代初到70年代中期，CAD从封闭的专用系统走向开放式的商品化软件系统，主要特点是二维、三维线框造型，其软件系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系；且系统需配备大型计算机系统，价格昂贵。此时期代表性的产品是：美国通用汽车公司的DAC-1，洛克西德公司的CADCAM系统。在此时期CAD开始进入应用阶段。

CAD技术的发展 20世纪70年代后期，CAD系统进入了发展时期。一方面CAD系统硬件价格降低；同时，飞机和汽车工业蓬勃正值发展时期，飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，法国达索飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA，该系统采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达自由曲面。该阶段的主要技术是自由曲面造型。曲面造型技术为人类带来了第一次CAD技术革命。此后一些军用工业相继开发了CAD软件，如美国洛克西德公司的CADCAM、美国通用电器公司的CADCAM、美国通用电器公司的CALMA、美国波音公司的CV、美国国家航空及宇航局支持开发的I-DEAS、美国麦道公司开发的UG等。

CAD技术的发展 20世纪80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大的发展，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确的表达零件的质量、质心、惯性矩等属性，不利于CAE的应用。基于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司第一个开发了基于实体造型技术的CAD/CAE软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确的表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，因此称之为CAD发展史上的第二次革命。

CAD技术的发展 20世纪80年代中期，CV公司提出了参数化造型方法，其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。策划参数化技术的这些人成了一个参数公司（Parametric Technology Corp，PTC），开始研制Pro/ENGINEER的参数化软件。进入20世纪90年代，PTC在CAD市场份额中名列前茅。可以认为，参数化技术的应用导致了CAD发展史上的第三次技术革命。 20世纪90年代初，SDRC公司在摸索了几年参数化技术后，开发者提出了一种比参数化设计技术更为先进的实体造型技术——变量化设计技术，并经历3年时间，投资1亿多美元，推出了全新体系的I-DEAS Master Series软件。变量化设计技术成就驱动了CAD技术发展的第四次技术革命。

SolidWorks概述 • SolidWorks公司简介 • SolidWorks公司为达索系统公司（Dassault Systems, S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。 • SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，它已经在全球各地设立了办事处，并经由300多家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。

SolidWorks概述 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技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间发展成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。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。 SolidWorks遵循易用、稳定和创新三原则，为设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。由于SolidWorks出色的技术和市场表现，法国达索公司于1997年以3.1亿美元的高额市值将其全资并购并获得高额回报，创造了CAD行业的世界记录。 SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。

SolidWorks概述 由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的ParaSolid内核（由剑桥大学提供）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软件使用证约28万份，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、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3.1万家企业。在教育市场上，每年来自全球4300所教育机构的近14.5万名学生通过SolidWorks的培训课程。在美国，包括麻省理工学院、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课。国内一些大学（教育机构）如清华大学、北航、北京理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。

SolidWorks概述 • SolidWorks功能特点 • ① 由于SolidWorks软件是在Windows环境下重新开发的，能够充分利用Windows的优秀界面，为设计师提供方便的工作界面。SolidWorks首创的特征管理员，能够将设计过程的每一步记录下来，并形成特征管理树，放在屏幕的左侧。设计师可以随时点取任意一个特征进行修改，还可以随意调整特征树的顺序，以改变零件的形状。 • ②由于SolidWorks全面采用Windows技术，因此在零件设计中可以对零件的特征进行“剪切、复制、粘贴”等操作。SolidWorks软件中的每一个零件都带有一个“拖动手柄”，能够实时动态的改变零件的形状和大小。

SolidWorks概述 ③ SolidWorks 基于PARASOLID几何造型核心。用VC++编程和面向对象的数据库来开发。SolidWorks具有基于特征的参数化实体造型、NURBS (Non-uniform rational B spline)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，将二维绘图与三维造型技术融为一体。 ④基于特征的参数化实体建模。SolidWorks的特点是基于特征的参数化实体造型，不仅在产品设计开发效率上远远强于二维CAD软件，更为重要的是， SolidWorks的数据可以和高端CAD软件进行转换与共享。

SolidWorks概述 ⑤装配设计和工程分析。 SolidWorks的装配设计工具能够采用“自顶向下”或是“自低而上”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。 ⑥图样的全相关性。SolidWorks通过零部件与零部件之间和三维零部件与二维图样之间的关联，智能地连接三维模型和二维图样，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，简化了工程图样的生成过程。

SolidWorks概述 ⑦具有多种加速产品设计的功能特点，如支持在零件上进行特征的动态变化和复制等。 ⑧拥有最为丰富的第三方支持软件。例如，当设计完模型之后，要对它进行渲染，应该启动PhotoWorks插件。SolidWorks作为中端CAD软件的领先者，同时提供了方便的二次开发环境和开放数据结构，因此SolidWorks逐渐成为中端工程应用的通用CAD平台。

SolidWorks概述 • SolidWorks常用的CAD辅助软件 • 利用这些辅助软件可以完成产品设计方面的工作，如产品辅助建模、产品效果的渲染、产品动态模拟等。 • 下面介绍一些最常用的SolidWorks插件软件，包括SolidWorks公司的产品以及其它合作伙伴的产品。 • 插件的使用如下图所示。

SolidWorks概述

SolidWorks概述 • ①高级渲染软件——PhotoWorks • PhotoWorks 软件用于产品真实效果的渲染，产生高级的渲染效果图。该软件使用非常方便，设计人员可以利用渲染向导一步步完成零件或装配真实效果的渲染。利用PhotoWorks渲染，可以进行： • 设置模型或表面的材质和纹理 • 为零件表面贴图 • 定义光源、反射度、透明度以及背景景象 • 利用现有的材质和纹理定义新材质或纹理 • 图像可以输出到屏幕或文件 • 可以进行实时渲染

SolidWorks概述 ②特征识别软件——FeatureWorks 大部分三维设计软件都提供了数据接口，利用这些数据接口可以读入标准格式的数据文件，如IGES, SAT等。但输入到设计环境中的模型只是实体模型，无法区分输入模型的特征，对模型的修改很不方便。利用FeatureWorks可以在SolidWorks的零件文件中对输入的实体特征进行识别。实体特征被识别为特征以后，在SolidWorks中以特征的形式存在，并和用SolidWorks软件生成的特征相同。FeatureWorks对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所花费的时间。

SolidWorks概述 • FeatureWorks最适合识别规则的机加工轮廓和钣金特征，其中包括： • 拉伸特征，特征的轮廓是由直线、圆或圆弧构成 • 圆柱或圆锥形状的旋转特征 • 所有孔特征，包括简单孔、螺纹孔和台阶孔 • 筋和拔模特征 • 图像可以输出到屏幕或文件 • 等半径圆角 • ③ 动画模拟软件——SolidWorks Animator • 产品的交互动画将SolidWorks的三维模型实现动态的可视化，摄制产品设计的模拟装配过程、模拟拆卸过程和产品的模拟运行过程，从而实现动态的设计。

SolidWorks概述 • Animator具有如下特点： • Animator与SolidWorks和PhotoWorks软件无缝集成，可以充分利用 SolidWorks的实体模型与PhotoWorks的渲染功能 • 利用动画向导，可以非常容易地对SolidWorks零件或装配体环境制作动画 • 爆炸或解除爆炸动画，展示装配体中零部件的装配关系 • 绕着模型转动或让模型360度转动，可以从不同角度观看设计模型 • 利用专业的灯光控制以及零件和特征增加材质，产生高质量的动画效果 • 直接通过电子邮件发送AVI格式动画文件，加快了设计观点的交流，缩短了设计周期

SolidWorks概述 ④曲面辅助工具——SurfaceWorks SurfaceWorks主要是对SolidWorks曲面建模功能的补充。在SolidWorks中建立模型时，利用现有模型的边、面或点可以直接在SurfaceWorks中进行曲面处理，生成特定要求的曲面。从SurfaceWorks软件界面保存零件返回到SolidWorks后，在SurfaceWorks中生成的曲面自动输入到当前模型中。再利用输入的曲面对当前模型进行实体化处理，就可以建立具有复杂曲面的模型。 ⑤ 标准件工具库——ToolBox ToolBox 提供了多种标准（如ISO、DIN等）的标准件库。利用标准件库，设计人员不需要对标准件库进行建模，在装配中直接采用拖放操作就可以在模型的相应位置装配指定类型和规格的标准件。

SolidWorks概述 • 设计人员还可以利用ToolBox简单地选择所需标准件的参数，自动生成零件。ToolBox提供的标准件以及设计功能包括： • 轴承以及轴承使用寿命的计算 • 螺栓和螺钉、螺母 • 圆柱销 • 垫圈和挡圈 • 拉簧和压簧 • PEM插件 • 常用夹具 • 铝截面、钢截面、梁的计算 • 凸轮传动、链传动和皮带传动设计

SolidWorks概述 • ⑥齿轮和齿轮副设计软件——Geartrax • Geartrax 主要用于精确齿轮的自动设计和齿轮副的设计，通过指定齿轮类型、齿轮的模数和齿数、压力角以及其他相关参数，Geartrax可以自动生成具有精确齿形的齿轮。 • 可以设计的齿轮类型包括：直齿轮、斜齿轮和锥齿轮，链轮，齿形带齿轮，蜗杆和涡轮，花键，V带带轮等。主要特点和功能包括： • 真正的精确渐开线齿廓，渐开线齿廓曲线可导入SolidWorks草图 • 变位量自动计算 • 支持塑料齿轮设计标准 • 齿轮所有参数均可由用户控制 • 支持公制模数标准

SolidWorks概述 • ⑦电子工程图——e-Drawings • 利用SolidWorks提供的e-Drawings软件可以将SolidWorks文件输出为电子工程图格式（e-Drawings），可以快速、清晰地交流设计思想。SolidWorks文件输出为e-Drawings格式以后，用户不需要SolidWorks就可以打开文件查看设计方案。 e-Drawings软件主要有以下功能： • 视图虚拟折叠：在安排视图时完全可以按照设计者的习惯，可以输出视图的任意部分 • 视图超级链接：利用视图的自动导航，可以通过单击视图注释，直接定位到需要查找的视图 • 三维指针：可以很方便地查看某一轮廓在不同视图中的位置

SolidWorks概述 • 动画：动画形式演示工程图视图间的关系，e-Drawings可以动态演示工程图中所有视图的对齐和投影关系 • 对零件或装配体进行剖切面显示或进行测量 • 超级压缩的文件：e-Drawings 文件所占空间更小，通过电子邮件发送非常方便 • 内嵌的浏览器：无需附加的CAD软件或特殊的浏览器，在Windows下就可以浏览e-Drawings文件。

SolidWorks的设计思想 • 传统型CAD软件的设计流程 • 应用传统CAD软件进行设计时，通常必须按照固定的制图比例（例如1：1）绘出所需的各个图元对象，然后标注各个几何图形的尺寸数值。也就是“以设计图里几何图形为主，而以尺寸标注为辅”的作图模式。如下图所示：

SolidWorks的设计思想 • 存在的问题： • 在工程图面绘制完成之后，如果只修改了设计图里的几何图形，尺寸标注并不会自动更新 • 同样如果只修改了设计图里的尺寸标注，几何图形的尺寸也不会同步更新因此，在修改设计图里的图文数据时，必须同时更改几何图形的尺寸及尺寸标注值。如果稍有疏忽，可能会造成几何图形与尺寸标注不成比例的情况。

SolidWorks的设计思想 • SolidWorks的设计流程 • SolidWorks可以快速、精密地设计模型。它具有两大特点： • 由3D设计定义 SolidWorks使用3D设计方法。设计零件时，从初始草图到最终模型，创建3D实体。从该3D实体，可以生成2D工程图，或者配合不同的零部件创建3D装配体。由3D装配体，可以生成其2D工程图。 • 基于零部件 SolidWorks应用程序最强大的特征之一就是，对零件所作的任何更改都可以反映到所有相关的工程图或装配体中。

SolidWorks的设计思想 在SolidWorks系统中：零件设计是核心；特征设计是关键；草图设计是基础。草图指的是二维轮廓或横截面；对草图进行拉伸、旋转、放样或沿某一路径扫描等操作后即生成特征，如图所示。

SolidWorks的设计思想 特征是指可以通过组合生成零件的各种形状（如凸台、切除、孔等）及操作（如圆角、倒角、抽壳等），下图给出了几种特征。

SolidWorks的设计思想 SolidWorks系统零件设计构造过程类似于真实制造环境下的生产过程，如图所示。

SolidWorks的设计思想 装配体是若干零件的组合。在SolidWorks系统中，用户先设计好所需的零件，然后根据配合关系和约束条件将零件组装成装配体。

SolidWorks的设计思想 工程图是用来记录和描述设计结果。用户由设计好的零件和装配体，按照图纸的表达需要，通过SolidWorks系统中的命令，生成各种视图、剖视图、轴侧图等，然后添加尺寸说明，得到最终的工程图。下图显示了一个零件的多个视图，它们都是由实体零件自动生成，无需进行二维绘图设计。

SolidWorks的设计思想 由装配体自动生成的装配体工程图

SolidWorks的环境功能介绍 • SolidWorks的启动界面 • （1）选择【开始】| 【程序】 | 【SolidWorks2007】| 【 SolidWorks2007 】，如图所示，【标准】工具栏也只提供了【新建】和【打开】两种选择：

SolidWorks的环境功能介绍 （2）单击“新建”图标，可出现如图所示界面。该界面有三个选择：“零件”、“装配体”和“工程图”。其中“零件”用于设计单一的零件；“装配体”用于零部件装配或在装配环境下设计零件；“工程图”用于为零件和装配体创建2D工程图。

SolidWorks的环境功能介绍 （3）当创建装配体时，出现如图所示操作界面，创建零件和工程图的界面与此类似。

SolidWorks的环境功能介绍 • 菜单栏：在窗体的最上部是菜单栏，这里包含了SolidWorks中几乎所有的操作命令。 • 工具栏：以图标形式向用户提供了SolidWorks的各种操作命令。工具栏的安排可以按用户要求自定义组合和放置，拖动到窗体四周的任意位置。 • 状态栏：在SolidWorks 窗口的下侧是状态拦，用于显示当前操作的状态信息，并提示操作步骤。 • 快捷菜单：又称“右键菜单”，在不同的位置、不同对象上点击右键可以出现右键菜单。右键菜单依据对象的不同而不同，是SolidWorks 操作的另一快捷方式。

SolidWorks的环境功能介绍 • 命令管理器和弹出式工具栏：利用它们可以节约工具栏的占用空间，从而可以留出更多的时间用于图形文件的操作。 • 图形区域：用于操作和控制零件、工程图和装配体，这是SolidWorks的主要工作窗口。 • 特征管理器：特征管理器位于 SolidWorks 窗口的左侧，它有三个标签：特征管理设计树、属性管理器、配置管理器。 • 特征管理（FeatureManager）设计树：提供了图形区域零件、装配体、工程图的结构，并真实地记录了激活的零件、装配体或工程图在操作中所做的每一步，可以很方便地查看、编辑零件或装配体的造型特征、装配特征，或者查看、编辑工程图中的不同图纸和视图。

SolidWorks的环境功能介绍 • 属性管理器（PropertyManager）：是SolidWorks软件的一大特色。几乎显示了草图元素、特征、装配元件、工程图中所有内容的常用属性，根据图形区域所选择的对象动态激活。另外，SolidWorks的很多特征操作选项都可以在属性管理器中进行。 • 配置管理器（ConfigurationManager）：提供了生成、查看或修改模型多种配置的方法。

SolidWorks的环境功能介绍 • 任务窗格：任务窗格在窗体的右侧，它包含三个标签：SolidWorks资源、设计库、文件探索器。 • “SolidWorks资源”包括开始、在线资源以及日积月累三个命令组，“开始”命令组中包括新建文档、打开文档、在线指导教程、新增功能。“在线资源”命令组包括探讨论坛、订购服务、解决方案、制造业网络、Print3D。“日积月累”给出使用SolidWorks 的有益提示。 • “设计库”包含三部分：Design Library（设计库）、Toolbox（工具箱）、3D ContentCentral（3D中心），其中Design Library是设计库，它包含注解、装配体、特征、成形工具、零件等文件夹。Toolbox 包括标准零件库，与 SolidWorks 合为一体。设计者

SolidWorks的环境功能介绍 可以由此选择标准和想插入的零件类型，然后将零部件拖动到自己的装配体。也可自定义 SolidWorks Toolbox 零件库，使之包括本公司的标准，或包括最常引用的零件。受支持的国际标准包括 ANSI、BSI、CISC、DIN、ISO、以及JIS。 • 3D ContentCentral用于访问零部件供应商和个人提供的所有主要 CAD 格式的 3D模型。 • “文件探索器”类似Windows资源管理器的功能，此外还具有在 SolidWorks中显示、打开、保存零部件等功能。

SolidWorks的环境功能介绍 • FeatureManager设计树 • FeatureManager设计树可视的显示零件或装配中的所有特征。当一个特征创建好后，就加入到FeatureManager设计树中。因此FeatureManager设计树代表建模操作的时间序列，通过该设计树，可以编辑零件中包含的特征。 • 在设计树中不同的项目上单击鼠标右键，可以显示针对该项目的快捷菜单。

SolidWorks的环境功能介绍 • FeatureManager设计树使用以下规则： • FeatureManager设计树左边的符号表示表示该项目包含关联项，如草图，点击以展开该项目并显示其内容。 • 草图前面有：（＋）——过定义；（－）——欠定义；（？）——无法解出的草图；无前缀——完全定义。 • 如果所做更改要求重建模型，则特征、零件及装配体之前显示重建符号。

SolidWorks的环境功能介绍 • PropertyManager(属性管理器) • 属性管理器是SolidWorks第一个推出，并获得美国专利。 • SolidWorks命令是根据“属性管理器”选项来执行的，当用户使用建模命令时，自动切换到对应的属性管理器。 • 右图为进行拉伸操作时对应的属性管理器。

SolidWorks的环境功能介绍 • 系统反馈 • 系统反馈由一个连接到箭头形光标的符号来代表，表明用户正在选择什么或系统希望用户选择什么。当光标通过模型时，与光标相邻的符号就表示系统反馈，如图所示。

SolidWorks 文件的基本操作 在SolidWorks中新建零件、打开零件和存储文件的按钮分别为：单击【文件】| 【新建】命令，出现如图所示界面。分别为零件、装配体和工程图。

SolidWorks 文件的基本操作 • 零件：建立零件获得三维模型，零件文件名为“*.sldprt”; • 装配体：将多个零件装配可成为装配体，可用来生成爆炸视图，装配体文件名为：“*.sldasm”； • 工程图：将零件或装配体转换成工程视图，并加入尺寸。

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