基础篇：3）规范化：3d草绘、建模、装配

本章目的：明确3d绘图也有相应的准则，遵守者方有相应的进阶之路。

1.建模目标：

***拥有自己的建模思想***---表现为：
①建模思路明确，能独立建立任何3d模型；（能达到无所不建的标准）

②建模简练，易读；（换个人也能明白建模过程）
③能更换建模工具而不影响制图水平。（SolidWorks、UG、Pro/e、CATIA怎么变都行，不过个人感觉CATIA实在不人性化）

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注：①一般来说达到这种程度建模水平需要一年以上的实战经验，那些刚摸软件3个星期就号称会的，哥也只能。
至于建模水平如何达到这种水平，只有平时按标准多画多练，这自然不用多说。（技术行业都是一回事，只说不练者是永远不会的。）

②规范化：作者后来在标题上加了规范化，就是希望同行业工程师能放弃各种随意绘图的习惯，为结构设计地位的提升打下基础。

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1.1建议：

建议从SolidWorks学起，原因这门软件最人性化，所以入门最容易。而且它自带的帮助教程是很不错的，非常适合初学者。当然，想学其他软件的也ok。

1.2 关于国标要求：

在国内龟爬一样的速度下，到底还是在2010年定下了《GB/T 26099-2010 机械产品三维建模通用规则》，不过即使到2016年为止知道的人恐怕寥寥无几。原因之一就是因为3d绘图软件早已经存在，而大家已经习惯在无标准的情况下干了很多年了，机械各行业都已经发展出一些自己的流程标准。

虽然迟了，但国标就是国标，还是蛮不错的。规范是基础。

1.3d草图绘制：

草图绘制是零件建模的第一个步骤。

虽然很像是工程图纸，但绘图方式不同于传统的CAD绘图。一般是绘制出草图大致形状，再加以约束（几何约束和尺寸约束），以达到快速建模的目的。这方面是尤其要花时间锻炼的。

1.1 草图绘制准则：

1.1.1 草图应尽量体现零件的剖面，且应按照设计意图命名；

这是为了简化零件特征，使建模步骤更加简练。

1.1.2 草图绘制一般先几何约束，再尺寸约束；

其实几何约束就是对应公差中的几何公差：如形状，定向，定位公差。

而尺寸约束则是对应公差中尺寸理论值。

草绘先尽可能运用几何约束，再进行尺寸约束，更能体现设计的要求，精简草绘。

例：对草绘的圆用了对称的几何约束，减少了3个尺寸。

1.1.3 草图对象必须完全定义，不应欠约束和过约束。

这一点尤其重要，不能妥协！

2.零件建模：

2.1建模流程：

零件建模流程，如下：

注：这是国标《GB/T 26099-2010 机械产品三维建模通用规则》中的流程，具有一定的权威性，新手请严格按照流程来建模，老手可以查漏补缺。

2.1.1 环境参数设置。

在建模前应对软件系统的基本量纲进行设置，这些量纲通常包括模型的长度、质量、时间、力、温度等。

以下是国标的设置方法：

①在3d图的主界面选择：工具-选项-文档属性-总绘图标准-GB；

②文档属性选项卡--尺寸--找到“置于延伸线中间”--打钩--确定；（这个设置可以让尺寸值默认居中）

2.1.2 建模过程。

在建模过程中，先建构零件基体特征，后建构细节特征，是简化零件建模特征的方法。

例：

如上图零件，基体特征就是一个旋转体。建模过程则是绘制旋转体，再添加加强筋等细节，最终成图。

2.1.3 工程图出图。

在下一章基础篇：4）工程图出图中有详细介绍。

2.1.4 模型修正。

如流程图所示，若是工程图中有任何错误，都是在3d模型中修正，从而保证3d与2d图纸的一致性。

2.2 建模总体原则：

a）零件模型应能准确表达零件的设计信息；
b）零件模型包含零件的几何要素、约束要素和工程要素；
c）零件模型应满足健壮性要求，即零件模型应具备稳定、健壮的信息表达，具备在保证设计意图的情况下能够被正确更新或修改的能力；
d）不允许冗余元素存在，不允许含有与建模结果无关的几何元素；
e）零件建模应考虑数据间应有的链接和引用关系，例如，模型的几何要素、约束要素和工程要素之间要建立正确的逻辑关系和引用关系，应能满足模型各类信息实时更新的需要；
f）建模时应充分体现DFM的设计准则，提高零件的可制造性。

//DFM见进阶篇：3）面向制造的设计指南；

2.3 建模总体要求

a）参与三维设计的机械零件应进行三维建模，包括自制件、标准件、外购件等；
b）通常采用公称尺寸按GB/T4458.5-2003中的规定进行建模，尺寸的公差等级可通过通用注释给定，也可直接附加在尺寸值上；
c）通常先建立模型的基体特征（例如框、座等），然后再建模型的细节特征（例如小孔、倒圆、倒角等）；

//上面有提到，能最大程度简化模型。
d）某些几何要素的形状、方向和位置由理论尺寸确定时，应按理论尺寸进行建模；

//补充一点，这里所谓的理论尺寸指对称公差下的理论尺寸，即建模装配后必须预留合理的零件间隙；（这个会在公差分析、样品制作、模具设计制作、FAI/CPK检测章节详细叙述原因）
e）推荐采用参数化建模，并充分考虑参数以及零部件的相互关联；
f）对于有弹性或有装配形变的零部件建模，应表达其自由状态的尺寸和形状；
g）对于管路及其线束的卡箍等零件建模，推荐以其装配状态建立模型，但在设计中应考虑其维修或分解成自由状态时所需的空间；
h）在满足应用目的的前提下，尽量使模型最简化，使其数据量减至最少；

//建模需要简练，易读（换个人也能明白建模过程）。kiss原则是贯穿始终,例如：

//且在实际产品设计中，为了使模型最简化，经常会反复重新建模，算是为了以后的投资吧。

i）模型在发放前应进行模型检查。

2.4 模型工程属性

零件模型应包含正确的工程属性，通常包括以下内容：材料名称、密度、弹性模量、泊松比、屈服极限（或强度极限）、折弯因子、热传导率、热膨胀系数、硬度、剖面形式等。应将常用的工程材料特性存储在数据库中，并便于扩展。

//所谓模型工程属性，就是材料的定义。在实际建模中，真正要定义的一般是材料名称、密度、剖面形式、外观4样。前三者是工程图要求，后者一般是3d图的需要。、

而其他的如弹性模量等，是用于受力分析的，一般是在其余软件中再定义，如workbench。这样不会因为软件的对接而出错。

2.5 特征的使用

零件建模特征的使用应符合以下要求：

a)特征应全定位，不得欠定位或过定位，另有规定的除外，优先使用几何定位方法，例如平行、垂直或重合，其后才使用数值定位方法；

//这句话就是指在草绘的两大要求：完全定义和约束顺序（先几何再尺寸）。
b)特征建立过程中所引用的参照必须是最新且有效的；
c)为了便于表达和追溯设计意图，可以将特征命名为简单易读的特征名；
d)应采用参数化特征建模，不推荐非参数化特征，不使用没有相关性的几何要素；
e)不应为修订已有特征而创建新特征，例如在原开孔位置再覆盖一个更大的孔以修订圆孔的尺寸和位置。

//就是依据这条准则，产品设计建模时才不能使用删除面等模具设计工具。

这个工具使用方便，特别在模具设计行业算是必备工具。但建成的特征通常不能算是完整的特征（只能算是用一个特征去覆盖另一个特征），为以后的尺寸标注和特征分析也增加难度。

//新手很容易犯下这样的错误，比如嫌修正模型麻烦，而用拉伸切除的功能抹除以前的建模特征，再用这个平面直接建模，这是十分不可取的。

2.6 倒角（或倒圆）特征的使用

a)除非有特殊需要，倒角（或倒圆）特征不应通过草图的拉伸或扫描来形成；
b)倒角（或倒圆）特征一般放置在零件建模的最后阶段完成，除某些特殊情况，例如实体边在建模过程中由于设计需要被分割（如开槽等特征操作）时，将倒角（或倒圆）特征提前完成。

//如塑胶件建模，所有的边缘一般都需要倒圆角，这些倒角会在最后阶段一一添加（不能一次添加完毕），出错的几率才最少。

2.7 标准件与外购件建模要求

2.7.1 标准件建模要求

标准件模型应优先采用具有参数化特点的零件系列族表方法建立。对于无法参数化的零件，亦可建立非系列化的独立模型。为了满足快速显示和制图的需要，标准件按GB/T 24734.11的规定采用简化级表示。

//SolidWorks自带标准零件库，只用于参考，但不建议使用。由于软件问题，标准零件库的零件加载容易出错，不利于工程图出图，所以还是建议自行建立。

2.7.2 外购件建模要求

外购件产品的模型推荐由供应商提供。用户可根据需要进行数据格式的转换，转换后的模型是否需要进一步修改，由用户根据使用场合自行决定。转换后的初始模型应予以保留，并伴随装配模型一起进入审签流程。

对无法从供应商处获得外购件的三维模型，可由用户自行建立。允许根据使用要求对外购件模型进行简化，但简化模型应包括外购件的最大几何轮廓、安装接口、极限位置、质量属性等影响模型装配的重要信息。

2.8 结构要素的建模要求

球面半径、润滑槽、滚花、零件倒圆与倒角、砂轮越程槽等结构要素按GB/T 6403.1中的规定允许不建模，但必须采用注释对其进行说明。

//滚花可以不建模，但3d图外观中需要有表示，然后工程图中滚花需要按照标准标注和绘制。

//零件倒圆与倒角一般是不可以省略的，注意。如果省略，会出现制造上的麻烦。

2.9 模型简化

2.9.1 简化原则

为了缩短三维数字模型的建模时间，节省存储空间，提高三维数字模型的调用速度，三维数字模型的几何细节简化应遵循以下原则：

a） 三维数字模型的简化应便于识别和绘图；

b） 三维数字模型几何细节的简化不致引起误解或不会产生理解的多义性；

c） 三维数字模型几何细节的简化不能影响自身功能表达和基本外形结构，也不能影响模型装配或干涉检查；

d） 三维数字模型几何细节的简化要考虑三维模型投影为二维工程图时的状态；

e） 三维数字模型几何细节的简化要考虑设计人员的审图习惯。

2.9.2 详细的简化要求

a） 与制造有关的一些几何图形，如内螺纹、外螺纹、退刀槽等，允许省略或者使用简化表达。但简化后的模型在用于投影工程图时，应满足机械制图的相关规定；

b） 若干直径相同且成一定规律分布的孔组，可全部绘出，也可采用中心线简化表示；

c） 模型中的印字、刻字、滚花等特征允许采用贴图形式简化表达，必要时，亦可配合文字说明；

d） 在对标准件、外购件建模时，允许简化其内部结构和与安装无关的结构，但必须包含正确的装配信息。

//尽可能不要用简化！尽可能不要用简化！

2.10 模型检查

在对模型提交和发布前，应对模型完成如下检查：

a) 模型是稳定的且能够成功更新；

b) 具有完整的特征树信息；

c) 所有元素是唯一的，没有冗余元素存在；

d) 零件比例为全尺寸的1:1三维模型；

e) 自身对称的零件应建立起完整的零件，并明确标识对称面；

f) 左、右对称的一对零件应分别建立各自的零件模型，并用不同的零件编号进行标识，建模时允许利用参照方法简化建模；

g) 模型应包含供分析、制造所需的工程要素。

2.11 模型的发布与应用

2.11.1 模型的发布

完成后的模型需要提供给下游用户使用时，必须经由发布流程进行发放，下游用户通常包括：分析工程师、工艺工程师和制造工程师等。

三维数字模型的发布应遵循以下原则：

a) 模型发布时，应包含全部的几何、约束和工程要素；

b) 一旦进入发布阶段，模型就处于“锁定”状态，不得在未经变更审批情况下对其进行修改；

c) 下游用户以发布模型作为设计输入；

d) 如需对模型进行修订，须由模型的创建人提出申请，经批准后方可修订；

e) 修订后的模型新版本重新发布时，应通知所有下游用户，以保持发布模型的及时更新；

2.11.2 模型的应用

已发布的模型可根据需要用于不同应用场合，这些应用通常包括：工程分析与优化、投影工程图、装配建模、变型设计、宣传与培训等。

为了满足不同应用环境，发布的数字模型应至少包含以下内容：

a) 对于工程分析类应用，发布的模型应包括几何信息、材料信息（例如名称、密度、弹性模量、屈服极限、强度极限、泊松比等）、优化变量等；

//材料定义一般在分析软件中定义，工程师需要提供材料物性表。若是在建模软件中定义，会因为软件对接问题而出错。

b) 对于二维工程图应用，发布的模型应包括几何信息、技术要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度、剖面信息等；

//工程图出图一般是和建模是同一个人，不然容易出现信息不对等问题，除非这家公司的流程真的非常成熟了。所以模型中不需要技术要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度等；

c) 对于装配建模的应用，发布的模型应包括几何信息、装配形式、配合公差、摩擦系数等；

//同理，模型中不需要配合公差、摩擦系数等

d) 对于宣传与培训的应用，发布模型应包含几何信息、材质与纹理、光源信息、环境信息等。

3.产品装配建模：

3.1 装配体建模流程：

3.1.1 自底向上设计 bottom-up design流程：

3.1.2 自顶向下设计 top-down design建模流程：

注：这是国标《GB/T 26099-2010 机械产品三维建模通用规则》中的流程，具有一定的权威性，新手请严格按照流程来建模，老手可以查漏补缺。

3.2.3 自底向上设计 bottom-up design

独立于装配体设计各个零件，然后把设计完成的零部件自下而上地逐级装配成部件、组件直至完整的产品，其间每个零部件应符合上一层装配件规定的外形尺寸、外部接口尺寸和相对位置尺寸。

3.1.4 自顶向下设计 top-down design

设计时从系统角度入手，针对设计目的，综合考虑形成产品的各种因素（专业技术现状、工艺条件和设计手段等），确定产品的性能、组成、相互关系和实现方式，形成设计的总体方案；然后在此基础上分解设计目标给分系统具体实施，分系统从上级系统获得必须的相关参数等，并在上级系统确定的边界内开展设计，最终完成总体性能相对最优的设计。

3.2 装配建模的详细要求

3.2.1 装配建模设计流程

产品的装配建模一般采用两种模式：自顶向下设计模式和自底向上设计模式。根据不同的设计类型及其设计对象的技术特点，可分别选取适当的装配建模设计模式，也可将两种模式相结合。

自底向上设计模式一般需要把所有底层零部件设计完成后才进行装配设计，其顺序是从底层向上逐级搭建产品模型。

自顶向下设计模式既能管理大型组件，又能有效地掌握设计意图。它不仅能在同一设计小组间迅速传递设计信息、达到信息共享的目的，也能在不同的设计小组间同样传递相同的设计信息，达到协同作战的目的。在开发过程中，通过严谨的沟通管理能让不同的设计部门同步进行产品的设计和开发。

3.2.2 装配建模流程的选用

两种设计模式各有特点，应根据不同的研发性质和产品特点选用合适的流程。

对于产品结构较简单或对成熟度较高产品的改进设计，可采用自底向上设计模式。对于新产品研发或包含曲面分割的产品适宜采用自顶向下的设计模式。两种设计模式并不互相排斥，在工程设计中，也常有将自顶向下设计和自底向上两种设计模式混合使用的情况。

3.2.2.1 环境参数设置。

设置方法同零件建模过程。

3.2.2.2 装配建模过程。

一般在实际的建模中是综合运用。作者在设计思路上是自顶向下设计,但产品建模时会先建立几个大的骨架零件进行装配，然后做细节追加调整。

3.2.2.3 装配体检查。

静态干涉检测是必须,装配模型必须预留合理的零件间隙（出于制作的综合考虑）；

机构运功仿真则视需要而定。

其他的还有壁厚分析，拔模分析等也是常用功能。随着软件的发展，检测的功能会越来越多。

3.2.2.4 工程图出图。

在下一章基础篇：4）工程图出图中有详细介绍。

3.3 装配通用原则

在装配建模设计中，应遵循以下通用原则：
a)所有的装配单元应具有唯一性和稳定性，不允许冗余元素存在；
b)应合理划分零部件的装配层级，每一个装配层级对应着装配现场的一道装配环节，因此，应根据装配工艺来确定装配层级；
c)每个装配模型应包含完整的装配结构树，该结构树应包含装配信息；
d)装配有形变的装配单元（例如弹簧、锁片、铆钉和开口销等）应按安装后的变形状态进行装配；
e)装配建模过程应充分体现DFM和DFA的设计标准，应充分考虑制造因素，尽量提高其工艺性能；

//DFM见进阶篇：3）面向制造的设计指南；

//DFA见进阶篇：4）面向装配的设计指南（重要）;
f)装配模型中使用的标准件、外购件模型应从模型库中调用，并统一管理；
g）模型预发放或工程发放前应通过模型检查。

3.4 装配总体要求

在装配建模设计中，应遵循以下总体要求：
a)装配建模应采用统一的量纲，长度单位通常设为毫米，质量单位通常设为千克；

//环境参数设置（但质量单位也有很多公司设为g）。
b)模型装配前，应将装配单元内部的与装配无关的基准面、轴、点及不必要的修饰进行消隐处理，只保留装配单元在总装配时需要的基准参考；
c)为了提高建模效率和准确性，零件级加工特征允许在装配环境下采用装配特征建构，但所建特征必须反映在零件级；
d)装配工序中的加工特征在零件级应被屏蔽掉；
e)在自顶向下设计时，可在布局设计中，将关键尺寸定义为变量，以驱动整个产品的设计、修改；

//变更较多较大的产品不建议这么做。
f)只有在装配模型中才能确定的模型尺寸，可采用关系式或参照引用的方式进行设定，必要时可加注释；
g)复杂结构装配时，可采用简化表示法，提高系统加载和编辑速度；
h)在进行模型装配前，应建立统一的颜色和材质要求，给定各种漆色对应的RGB色值和材料纹理，以保证各型号的产品外观的一致性；

//零件级材料设置中搞定。
i)装配模型应包含三维爆炸图状态，以便快速示意产品结构分解和构成；

//一般装配体的爆炸图是必须的。
j)每一级装配模型都应进行静、动态干涉检查分析，必要时，应按GB/T 26101中的规定进行装配工艺性分析和虚拟维修性分析。

//别忘记装配时必须预留合理的零件间隙；（这个会在公差分析、样品制作、模具设计制作、FAI/CPK检测章节详细叙述原因）

3.5 装配层级定义原则

每一个装配模型对应着产品总装过程中的一个装配环节。根据实际情况，每个装配环节又可分解为多个工序。在分解工序和工步过程中应遵循DFA原则：
a）根据生产规模的大小合理划分装配工序，对于小批量生产，为了简化生产的计划管理工作，可将多工序适当集中；
b）根据现有设备情况、人员情况进行装配工序的编排。对于大批量生产，即可工序集中，亦可将工序分散形成流水线装配；
c）根据产品装配特点，确定装配工序，例如，对于重型机械装备的大型零组件装配，为了减少工件装卸和运输的劳动量，工序应适当集中，对于刚性差且精度高的精密零件装配，工序宜适当分散。

3.6 装配约束的总体要求

装配约束的选用应正确、完整，不相互冲突，保证装配单元准确的空间位置和正确的运动副定义。装配约束的定义应符合以下要求：
a)根据设计意图，合理选择装配基准，尽量简化装配关系；
b)合理设置装配约束条件，不应有欠约束或过约束的情况； 
c)装配约束的选用应尽可能真实反映产品对象的约束特性和运动关系，选用最能反映设计意图的约束类型；对运动产品应能够真实反映其机械连接特点和运动特性。

3.7 装配模型中的机构运动分析基本要求

装配模型中的机构运动分析应符合以下要求：

a） 针对具有运动机构的区域，定义装配约束关系、运动副类型、机构的极限位置；

b） 对运动机构进行运动过程模拟，进行碰撞检查和机构设计合理性分析，并将分析结果反馈到设计，并做出设计决策；

c） 对产品各装配区域进行机构运动分析，直到干涉、碰撞等问题完全解决。

3.8 装配结构树的管理要求

装配结构树的管理应符合以下要求：

a） 装配结构树应能表达完整有效的装配层次和装配信息；

b） 应对零、部件模型在装配结构树上相应表达的信息进行审查；

c） 完成模型装配后，应对模型的装配结构树上的所有信息进行最终的检查。

3.9 模型封装

模型的封装应符合下列要求：

a） 简化的实体在移去内部细节的同时应提供正确封装；

//给客户时尤其需要，不能将产品内部信息暴露。

b） 对模型进行容积和质量特性分析时，可以封装模型；

c） 为消隐专利数据，实体可以在提供给供应商或子合同商之前简化或去除专利细节；

d） 用于有限元分析的模型可以进行封装。