基于Solidworks的复杂叉架类、箱体类零件建模研究

钱园胜，褚园园，杨咸启，吴承伟，曹建华

（黄山学院机电工程学院，安徽黄山245041）

Solidworks是面向设计的一款三维建模软件，已经普遍应用于机械设计领域，设计人员可以将创意转变为产品[1]。三维建模是机械设计人员必须具备的能力，如何提高建模效率和准确度是设计人员必须面对和亟待解决的问题。

机械零件主要分为轴类、盘类零件、叉架类、箱体类零件4大类零件，其中叉架类、箱体类零件是三维建模，难度比较大。对这两类复杂零件还没有一般性特别适用的解决方法[2]。对于复杂零件建模如齿轮，先对齿轮进行参数化设计，根据工业上所需齿轮型号、规格的差异，进行二次开发，从而实现齿轮建模，这导致齿轮类零件设计效率低[3]。对一些复杂曲面体，一般采用放样、弯曲、包覆等高级命令进行复杂零件建模[4]。对于复杂零件建模之前，通常采用特征元分解方法对零件进行测量规划，然后采用混合建模技术创建模型[5]。本文提出基于特征的模块分解方法进行分块建模确定。

1 复杂叉架类零件建模

叉架类零件主要起支撑、连接作用。叉架类零件一般含有不规则曲面、不对称结构、变截面杆件，其结构比较复杂。针对这类零件，采用分解法确立主、次结构。主要结构一般取直接且较容易建模的结构，如棱柱、棱锥、圆柱体、圆锥体等；次要结构一般含有不规则曲面、不对称结构等。要确定建模的先后次序：具有定位作用的主要结构先建模，次要结构后建模。

本文以某款自行车车架的后下架为例来阐述建模过程。如图1所示，后下架由直径分别为Φ40 mm、Φ17 mm的圆筒和两个曲杆构成。

建模以车架的直径为Φ40 mm和Φ17 mm的圆筒作为主要结构，两个曲杆为次要结构。通过拉伸形成两个圆柱体，并在Φ40 mm中创建M35的螺纹通孔，见图2所示。

下车架的两曲杆是变截面杆，各处截面形状不尽相同，可以采用放样凸台命令。创建过程：（1）在右视基准面上创建中心线，见图3(a)；（2）创建5个基准面（与Φ40 mm圆筒相切），绘制5个基准面截面轮廓草图，见图3(b)；（3）在图3(c)中过5个截面草图曲线上点创建放样凸台的引导线；（4）利用放样凸台形成曲杆，如图4所示；（5）通过拉伸凸台，将曲杆与Φ40 mm圆筒连接，镜像曲杆形成如图5所示的自行车后下架三维模型。

图3 创建中心线、截面图形和引导线

图4 放样凸台成形曲杆

图5 自行车后下架三维模型

2 复杂箱体类零件建模

箱体类零件起支承、容纳、定位和密封等作用，大多数箱体为内部有空腔的壳体，常有轴承孔、凸台、肋板和底座等结构，因此结构较复杂，特征比较多，建模难度也比较大。图6所示的是某一款蜗轮蜗杆减速器箱体零件图。

创建这类复杂零件的模型时，不要盲目地在没有规划的情况下急于建模。需要分析零件的内外结构形状特点、尺寸以及相对位置和各部分连接关系，建立整体的建模思路，以使建模过程尽量简化，同时保证所建模型的正确性、可靠性，这样可以提高建模的效率和准确性。

图6 蜗轮蜗杆减速器箱体零件图

2.1 规划复杂箱体类零件建模路线图

复杂箱体类零件的结构形式多样，建模流程不可能完全相同，但是解决问题的方法相同。首先，分析零件的结构特征，根据形体分析法将其分成若干个块，将每块分解成solidworks能够直接建模的简单几何体；其次，将分块建立的模型按照过渡关系或者连接关系组合；最后，利用特征建模，建立细节特征，如圆角、倒角、孔等。通过分析可以确立复杂箱体类零件建模路线为“分解→分块建模→组合→特征建模→零件模型”。这样的建模方式能够化繁为简，大幅度降低建模难度，一旦出现问题可分段修改，而不至影响整体模型结构，因而零件的创建过程变得简单。

以蜗轮蜗杆减速器箱体为例，分析其结构，根据形体分析法将其分成3块，分别是上箱体、下箱体和底座。上箱体主要放置蜗轮及其支撑轴等相关零件，上箱体可分成类似于长方体连接板、半圆台轴承座、半圆柱体型腔。下箱体主要支撑蜗杆，其外形是圆筒，其内部含有两个带孔圆台。底座中棱台和类似长方形底板构成。

2.2 蜗轮蜗杆减速器箱体分块建模

将蜗轮蜗杆减速器箱体分解成上箱体、下箱体和底座。上箱体可分解成半圆柱、半圆台、长方体3种简单几何体。上箱体建模过程：（1）通过草图拉伸半圆柱体，抽壳成形；（2）以半圆柱体端面为基准面创建草图，并拉伸长方体连接板；（3）以半圆柱体顶面创建半圆台和凸台，草图拉伸和拔模成型见图7（a），镜像特征见图7（b），最后建立上箱体部分如图8所示。

下箱体可以分解成圆筒、圆台。下箱体建模过程：（1）草图拉伸圆筒；（2）以上箱的半圆柱体内表面和圆筒内表面为切割面，通过分割命令和删去实体命令去掉多余部分，见图9，10所示；（3）草图拉伸圆柱体，拔模成型为两侧圆台，如图11所示；（4）草图拉伸成型长方体，用长方体连接上、下箱体，分割命令切去多余部分；（5）将圆筒、长方体连接部分与上箱体合并。

图7 创建半圆台轴承座

图8 上箱体建模路线

图9 分割

图10 下箱体圆筒

底座可以分解为四棱台支架、长方形底板。底座的建模过程：（1）通过草图拉伸、拔模长方形底板和四棱台支架，如图12所示；（2）四棱台支架与长方形底座共有一棱台形空腔，在四棱台下底面抽壳成形；（3）在四棱台底面和长方体底面创建草图曲线，放样切除，从而形成棱台形空腔，如图13所示。

2.3 蜗轮蜗杆减速器箱体特征建模

在蜗轮蜗杆减速器箱体上有数量很多、类型不同的孔以及圆角，应用Solidworks特征建模技术来创建：上箱体和底座上3类孔通过镜像，线性阵列，如图14所示。

图11 下箱体圆筒两端圆台

图13 放样切除后底座

3 结论

本文针对叉架类零件，采用分解法，划分主、次结构，确立建模顺序，依次建模；对于箱体类零件，以形体分析法对结构分解，分解成若干块，确定建模规划路线图，并进行分块建模、组合，最终创立零件模型。采用此方法有效解决了这两类复杂零件建模难度大、效率低的问题，对复杂机械零件设计和建模有指导意义。

图12 创建底座

图14 蜗轮蜗杆减速器箱体

[1]张忠将.Solidworks2013机械设计从入门到精通[M].2版.北京：机械工业出版社，2013：1-174.

[2]杨咸启,褚园，钱胜.机电产品三维造型创新设计与仿真实例[M].北京：科学版社，2016：195-245.

[3]黄迎春.基于的齿轮参数化设计系统研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[4]李奉香，黄政.基于SolidWorks的复杂零件建模和应力分析[J].兰州工业学院学报，2013，2(20)：31-35.

[5]王乔，成思源，卜研，等.基于特征分解的复杂零件测量规划与建模技术[J].组合机床与自动化加工技术，2016，1：59-62.