SolidWorks简化工业机械与重型装备的设计

摘要

随着全球市场的竞争日益激烈，工业机械或重型装备制造商面临着严峻的发展挑战。他们需要加快产品上市速度、控制成本并提高产品复杂度，为此，就必须实现产品开发系统的现代化，并采用基于 3D 的设计技术。借助 3D CAD 环境制造商能在更短的时间内开发生产出更好的机械设备，同时还能降低成本，从而超越竞争对手。

简 介

就产品开发流程而言，机械行业可分为两大类：一类是根据特定客户的要求设计机器，另一类是设计销售给众多未知客户的机器。

为特定客户设计机器通常从公司招标 (RFP) 开始，进行招标是为了制造执行特定任务的定制机器。一个典型例子就是针对特定包装用途定制的包装机器。此类定制机器要与工厂或其他机械的现有系统整合，并且通常采用完全定制的一次性设计，因此很难重复利用或重新配置另作他用。

第二类包括"基于平台"的机器，其设计流程类似于汽车的开发及销售流程。工业机械和重型装备就属于此类。工业机械包括加工中心、传送装置、纺织机械以及大型纸张复印和打印设备。重型装备包括铺路机、推土机、木材碾磨机和挖掘机。

由于此类机器针对的是细分市场而不是特定客户，因此有各种大小、功能、产出量和额定功率。此类机器和汽车一样易于重新配置，只需使用能满足众多客户不同需求的选件和附件。通常，此类机器都有指定型号，客户可以通过目录和订购单选择相应的附件和插件。

最初的设计输入来自市场营销、销售、工程和制造部门。销售和市场营销部门负责处理客户需求，而客户、工程和制造部门则提供反馈，以改进技术。

虽然各个工业机械及重型装备制造商的产品会有不同，但他们都面临着类似的设计难题。因此，其产品开发流程也较为相似。下图显示了此类产品的简化开发流程。

工业机械和重型装备制造商不仅面临诸多挑战，还身处竞争激烈的制造环境中，因此必须简化产品开发流程。

如果机器要从头开始设计，第一阶段将是概念设计；如果对现有机器进行变型，则首先要生成新的配置。接下来是机械及电气设计，包括选择供应商提供的零部件。通常，此阶段会造出样机，以测试其功能并确保可以制造。工程部和制造部通过积极沟通来解决缺陷，具体工作包括重新设计和重新测试。一经证明设计合格，便会绘制出可直接用于生产的工程图，并创建其他相关文档。最后，将设计投入生产。

工业机械和重型装备制造商不仅面临诸多挑战，还身处竞争激烈的制造环境中，因此必须简化产品开发流程。当今客户需要的机器应满足下列条件：更易定制，以满足其特定需求；更易使用；在将来出现新技术时能轻松升级。客户对可靠性、精度、功率和产出量的要求也更高。当然，客户还希望能以更低的价格享有这一切。此外，销售和市场营销部门也要求尽量加快新机器的上市速度。要在快速发展的全球市场中保持竞争优势，工业机械和重型装备制造商必须充分利用创新的工具、技术和流程。为此，各个制造商都在努力实现其产品开发流程和工具的现代化。

过去，此类机器的开发工程师一般使用 2D CAD 工具。但工业机械和重型装备设计涉及大量的移动零件和装置，因此制造商很快发现，使用 3D CAD 工具比使用 2D CAD 工具更有优势。

借助 SolidWorks  ® 3D CAD 工具，工程师不但能缩短设计周期，还能降低开发成本。此外，3D 模型比 2D 工程图更直观、更容易理解。在 3D 设计环境中，可以对模型进行上色和旋转，让工程师、经理、制造部门和客户都能更完整、更自然地查看设计，就像把真正的模型拿在手里一样。被称为 RealView 的实时图形渲染功能则提供了一种逼真的设计查看模式，可向客户和设计团队展示成品的真实外观。您甚至还可以录制视频，以便向他人演示机器的工作方式，或记录机器的装配和拆卸过程。另外，SolidWorks 还提供自动 3D 干涉和孔对齐检查功能，这样就能在设计过程早期、开始制造零件之前发现干涉，从而减少样机数量、废品和成本高昂的返工。

借助 SolidWorks 直观的用户交互功能和 SolidWorks 智能特征技术 (SWIFT™)，在 SolidWorks 中创建 3D 模型非常容易。有了 SWIFT，就如同身边有一位专家顾问在进行设计。其他 CAD系统中的一些技巧可能需要用户花好几个月时间学习，但这些技巧都融入了 SWIFT 之中，因此新用户很快就能上手。对于专家用户而言，SWIFT 可以自动处理繁琐的重复性任务，从而提高设计效率。

在 SolidWorks 中，2D 工程图会自动创建。由于 3D 模型已经存在，您只需点击鼠标设定所需视图，即可创建一张工程图。即使是剖视图、局部视图和交替位置视图，也可以轻松创建。装配体爆炸布局只需一步即可完成，而且包括零件序号在内的材料明细表 (BOM) 也可自动生成。SWIFT 的另一个组件 DimXpert也能简化零件详图的生成。DimXpert 内置了尺寸标注标准，包括加/减尺寸和形位公差的标准。您甚至可以检查零件尺寸是否标注完整，而不必担心自己的尺寸是否足以投入制造、是否存在冲突。

修改设计极其简单，只需点击某个尺寸并输入新值即可。还可以根据个人爱好，使用 SWIFT Instant3D，点击零件的任一面并拖动即可。出现变更时，所有文档（包括装配体、工程图和材料明细表）都会自动更新，以反映当前的设计状态。设计新机器的最快办法就是重复利用并调整现有设计。SolidWorks 提供的功能可自动创建并存储相同设计的众多配置。因此，当您修改某个设计时，所有必需的工程图都能立即完成，可以进行打印。以一个基本设计为基础，只需简单输入几个数值，即可创建并存储数千个机械变型（包括文档）。标准零部件和供应商提供的零部件随SolidWorks 一并提供，并放于设计库和 SolidWorks Toolbox 中；供应商提供的其他零部件和用户创建的零部件则可以从 3DContentCentral.com 网站下载。

SolidWorks 还提供各种专门工具，用以实现焊件、钣金件、电力线路和管道线路的开发自动化，从而提高设计效率。其他的可视化和交流工具，如 PhotoWorks™ 软件和 SolidWorks eDrawings  ® 文件，则更便于您将设计与技术及非技术人员（同事、客户和供应商）共享。除了能缩短设计周期和降低开发成本外，SolidWorks 还提供许多工具，帮助您生产出更好的产品，并显著减少（甚至可能消除）样机数量。借助集成的 SolidWorks Motion 功能，工程师能让装配体运动起来，然后收集这种运动产生的力的相关信息。

通过 SolidWorks Simulation，您可以对零部件进行分析，检查能否正常运作。比如，零部件是否会发生断裂、疲劳、弯曲或过度振动？温度对机器有什么影响？是否有足够的气流冷却电子元件？借助 SolidWorks Motion 的运动学原理和 SolidWorks Simulation 的功能，您可以将制造物理样机的需求降到最低，并创建出更精确、更可靠、更有新意的产品。

DFMXpress 能判别设计的可制造性，确定您的零件是否能用机器轻松制造，并提醒零件的哪些区域没有达到贵公司的标准加工要求。与此类似，Design Checker 可以对工程图进行检查，确保其符合公司的工程图标准。最后，TolAnalyst 具有最大/最小的公差叠加功能，可确保机器适合指定的公差方案并正常工作。

通过 SolidWorks Workgroup PDM 和 SolidWorks Enterprise PDM 数据管理软件，设计人员可以轻松地管理所有项目数据。借助 SolidWorks Enterprise PDM，您可以设定自己的产品开发工作流程，让所有团队成员保持连接，即使他们分散在多个地点也能相连。有了 SolidWorks Workgroup PDM，您可以在开发流程的任何阶段共享 CAD 模型，包括概念设计、验证、制造、装配、发布之后直至生产。

直观展示设计概念

设计工业机械和重型装备通常从设计规格入手，有时也称为"市场需求文档" (MRD)。通常情况下，初始设计规格和概念设计的基础是销售部和市场营销部从多个当前或潜在客户处收集到的信息，以及工程部和制造部提供的反馈。有时，"平台"设计甚至可能基于为某个特定客户设计的一次性机器。无论是哪一种情况，设计都必须具备灵活性和可配置性，才能满足众多客户（而非某一特定客户）的不同需求。

当您需要为新的工业机械或重型装备开发设计概念时，可以在 3D 中直观显示各个零件和装置就是一大明显优势。要完善新的产品线，您必须经常修改以前的设计来创建变型，例如根据标准的 10 英尺传送装置模型设计 20 英尺的传送装置。而在其他情况下，您必须根据市场营销部或客户的意见，生产出不同于任何已有产品的全新平台。

这种情况下，概念设计通常都有很高的可视性和交互性，需要客户和市场营销部人员进行双向沟通，以传递信息、收集反馈意见，并在开发新产品设计概念时尽量融入市场和客户意见。在2D 环境中，执行这一步骤往往缓慢、笨拙并且低效，其主要原因在于仅依靠 2D 工程图传递 3D 概念困难重重。

然而，通过 SolidWorks 等 3D CAD 系统，除了工程图外，您还可以生成 3D 计算机模型和逼真的设计概念图像，甚至可以生成移动动画来模拟机器的运行情况。这可以简化并改进内外部设计交流过程。eDrawings 文件还可以消除对纸质工程图的依赖，从而减少纸面工作量，这样，您便可以向全球各地的产品开发团队成员、客户、供应商乃至非技术人员传达更为完整的设计理念。

通过增强的 3D 可视化功能，设计人员和工程师能更加全面地把握其设计，进而将创造力提升到一个新的高度。因此，对新概念和创新功能的探索不仅速度更快，而且成本更低。由于创造性工作都在 3D CAD 系统中完成，因此您不再需要建造实物模型或概念样机。您将能够以 3D 模式直观展示设计概念，并将此概念传达给客户、合作伙伴以及其他产品开发团队成员，从而实现引领潮流的创新设计，扩大市场影响并提高客户满意度。

配置产品系列

当设计人员需要根据现有机器平台和新的产品设计开发系列产品时，也可从各种 3D CAD 工具中受益。通过 SolidWorks 产品数据管理工具（SolidWorks Enterprise PDM 和 SolidWorks Workgroup PDM）以及 SolidWorks 的搜索、数据导入和配置功能，您可以查找以前的设计，然后根据现有设计自动创建设计变型。设计人员可通过SolidWorks 的设计配置功能，改变初始基本设计的各种设计参数，如尺寸、重量、行程长度和功能等。

创建新设计非常简单，只需在 Microsoft  ® Excel 电子表格中输入新的设计参数值即可。这样，您就可以从单一设计模型生成整个产品系列的模型和相关工程图。

提高机械设计效率

绝大多数工业机械和重型装备都可看作是一个大型装置，由各种子装置中的数百个（甚至数千个）独立零部件，以及动力、气动和液压系统构成。传统上，此类产品的开发均通过 2D 设计工具完成，具有不可避免的缺陷，要通过一系列 2D 零部件和装配体工程图才能直观展示复杂的装置。在使用 2D 设计工具的情况下，最终实物装配之前，工程师通常无法确定机械中的所有零件是否都能正确安装。这往往会产生很多废品并需要进行大量返工，还会导致生产延期，代价高昂。

借助 SolidWorks 软件，设计人员能够通过强大的草图绘制和建模工具创建出机械中的所有零件和子装配体。您还可以通过 SolidWorks 智能特征技术 (SWIFT) 来使用专家级 3D CAD 技巧，而无需进行长时间的培训。您不但可以单独查看各个零部件，或将之放在整个机械或子装置的环境中进行查看，也可通过透明工具和剖切工具来显示原来处于隐藏状态的内部零件。

SolidWorks 碰撞检查工具让工程师在机械设计过程中能发现零件碰撞和干涉，此时，这类问题解决起来就会更加容易、成本更低而且耗时更少。由于SolidWorks 3D CAD 系统采用了参数化设计，因此是完全关联的。如果您更改某个零件，所有相关零件、装配体和工程图都会自动进行相应更新。因此，您再也不用担心工程视图是否过时，因为它们会随着 3D 模型的变化而自动更新。此外，SolidWorks 所具有的关联性还可以确保材料明细表始终与当前设计状态保持同步。而 SolidWorks 中的各种专门功能则能帮助工程师，使焊件、钣金件和步路系统的设计进一步简化和自动化。

您可使用 SolidWorks 的焊件功能来开发结构框架（包括板件、焊缝、角撑板和顶盖），还可自动生成切割清单，以节省时间。SolidWorks 包括功能强大的工具，用于以折叠或展开状态进行高级钣金设计，还可自动创建法兰、拉环和边角释放槽。通过自动化平板型式，您可以设计出能自动以平板型式输出的弯曲特征，用于冲孔、激光切割和制造。此外，您还可通过 SolidWorks Routing自动开发任何步路系统，包括电力电缆、气动导管、液压线路和管道。

自动完成零部件选择，加快设计流程

SolidWorks 在 Toolbox 和设计库中提供多种扣件库和常用设计特征。如需扩大零部件的搜索范围，3D ContentCentral  ® 将助您一臂之力，帮您直接在 SolidWorks 中查找、配置、下载并导入常用零部件和装置的精确 3D CAD 模型，这些模型都是经过供应商认证的。也就是说，工业机械或重型装备部件中 20-70% 的内容是扣件、电机、传动装置、轴承、液压缸和其他零部件，而其中大部分已完成建模，正等着您去下载并添加到您的装配体中。只需访问设计库、Toolbox 或 3DContentCentral.com，即可节省时间，不必为供应商零件重新建模，同时还能消除建模错误的风险。

减少样机，提高精度

对于所有工业机械和重型装备制造商来说，尽量减少或避免为确定和解决机械设计及装配体配合问题而制造的物理样机，是提高生产效率和降低成本的一个重要目标。由于 2D 设计模式在查明干涉、装配体问题和结构设计问题时严重依赖物理装配体和测试，因此，在这一领域中，最有可能实现立竿见影而又显著的成效。SolidWorks 将各种功能整合在一个 CAD 系统之中，包括建模和工程图功能，以及干涉检查、运动模拟和结构分析工具。

有了 SolidWorks 3D CAD 软件，您不必在机械完成制造和装配之后才发现干涉和间隙问题，相反，在机械设计阶段，您就可以在 CAD 系统中对装置的动态运动进行观察，发现干涉区域。使用 3D CAD 系统不但可以消除样机和返工的成本，还可以确定间隙问题，让工程师不必再重新制作零件和装配体工程图。为解决干涉和间隙问题所做的改动，将会在所有相关模型和工程图中自动应用并进行更新。

与需要生产的大量机械相比，可能建造的样机只是少数，因此，无法确保零件公差在生产中是可接受的。因此，您需要对机械的关键零部件进行公差叠加分析，以确保公差允许的制造误差处于可接受范围之内。SolidWorks 提供一种称为TolAnalyst 的集成叠加分析工具，可自动执行公差叠加检查。TolAnalyst 还会识别对叠加影响最大的公差。由于知道了哪些公差需要收紧、哪些可以放松，您就可以使用成本更低的制造技术，从而进一步节省开支。

除干涉和公差问题之外，其他问题当中主要是装置运动特性和结构设计缺陷，解决这些问题需要进行成本高昂的设计变更并会由此引发生产延期。在基于2D 的设计模式中，此类装配体问题往往到了开发流程后期（样机建造或测试过程中），甚至在实际生产中才能发现。任何人都不希望在产品上市之后才发现此类问题，因为这样会导致现场故障、产品召回和保证期索赔，并降低客户满意度和公司声誉。

通过 SolidWorks，设计人员可以从一组功能强大的设计分析工具中进行选择，来发现并解决潜在的设计问题，而无需建造样机。事实上，这些分析工具能帮您发现在样机中无法发现的许多问题。并非所有的装配体设计问题都涉及零件碰撞。而运动、疲劳和结构载荷在不知不觉中的影响也可能是导致问题的原因。直到完全进入机械或设备部件的生命周期之后，许多此类问题才会突显出来。

然而，工程师却可通过 SolidWorks Motion 功能来模拟机械或装置的动态操作。SolidWorks 可以根据零件的装配方式自动设置约束。您可以应用各种力甚至电机一类的设备来执行动态模拟，以充分了解设计的运动学和动力学特性。另外，工程师还可通过 SolidWorks Motion 调整电机和驱动器大小、确定功耗并设计联动布局。您还可优化凸轮、了解齿轮传动、调整弹簧和减震器尺寸、确定接触零件的动作方式并生成供结构分析使用的操纵力和运动载荷。

利用集成的 SolidWorks Simulation 结构分析软件，工程师可以验证机械性能，确保其产品能达到客户的工作循环要求。通过 SolidWorks Simulation，您可以确定运转中的零部件应力、应变和变形特性，以帮助识别、解决和避免现场故障。除了通过结构分析来修改零件和装配体以纠正问题，您还可利用 SolidWorks Simulation 来优化设计并选择成本较低或较轻型的零件，或者移除不必要的材料，以降低成本并减轻机械重量。

由于干涉检查和 SolidWorks Simulation 分析工具都集成于 SolidWorks Simulation之中，因此，工程师再也不必离开其设计环境，不需要传输几何体，也不需要学习新的软件界面。您可以利用这些工具来尽量降低对物理样机的需求，也可用来验证机械设计。相应地，这样做还能提高产品的优化程度、精度、可靠性和创新性。

自动生成材料明细表、文档和 CAM 编程

利用 SolidWorks 设计和分析工具对设计进行验证之后，工程师可使用同一CAD 模型数据为其制造及装配体文档提供支持，也可用于满足营销的图像和视频需求。自动生成生产工程图可以确保执行更有序、组织更好的生产前规划模式。提早生成正确的材料明细表或零件清单，可以确保正确订购准备期较长的零部件。通过SolidWorks Workgroup PDM 和 SolidWorks Enterprise PDM 软件，可以自动管理大量零件、装配体以及用于一般工业机械或重型装备部件的工程图文件（以及必要的审查和批准），使管理过程变得更简单、更快速。

参与 SolidWorks 解决方案合作伙伴计划的多家行业领先 CAM 软件公司现已推出各种功能强大的 CNC 编程解决方案，用于钻孔、车削和电火花加工 (EDM)。由于他们都将 SolidWorks CAD 系统用作其建模引擎，因此，SolidWorks 认证的黄金解决方案在一个窗口内集成了 SolidWorks 设计模型。这种自动化程度让制造专家可以在一个熟悉的 SolidWorks 环境中生成 CNC 程序和刀具路径，从而进一步节省了生产设置的时间。除 CNC 加工之外，还有多种 SolidWorks 合作伙伴解决方案，可以支持其他加工过程，比如注射成型、钣金加工和冲模。

在零件生产完成之后，制造商可以使用 SolidWorks 软件来创建动画装配说明、图像和插图，用于建立文档和市场营销的目的。借助 SolidWorks 和 eDrawings 的动画功能，工程师可以提供分步式说明，显示某种机械或装置的装配方法，也可向其客户或现场服务人员展示机械的修理或维护方式。SolidWorks 和PhotoWorks 软件的完美结合还提供了多种功能，可以创建各种支持图像，包括用户手册中的爆炸视图，以及在线和印刷营销宣传材料使用的逼真渲染效果图。

转到 SolidWorks 3D CAD 环境后，工业机械和重型装备工程师将会大幅提升自身能力，以管理、记录和交流产品设计数据。

结论

SolidWorks 为您快速过渡到 3D 提供了必要的工具和功能。从 2D CAD 转到SolidWorks 之后，许多制造商很快就发现，开发流程各个阶段的效率均得到了提高。这样，制造商很快即可实现 SolidWorks 投资带来的回报。通常情况下，第一年获得的利益有：开发时间减少、开发成本降低，以及设计错误减少。SolidWorks 为您提供了一个完整的 3D CAD 设计解决方案，必将帮助您提高利润率、提升产品质量，并增进客户满意度。