浅析参数化、模块化三维设计的优势和实施方法

浅析参数化、模块化三维设计的优势和实施方法

1引言

对于机械设计，传统的设计方法都是设计人员通过画图板、铅笔、制图工具，来绘制图形。这样的设计方法不但使设计工作变得复杂、枯燥，而且浪费了很多的资源和时间。如今已经很少看到设计人员用纸笔画图了，取而代之的是CAD软件。通过CAD软件来设计图形使设计人员节约了很多时间，提高了设计的质量和效率，做到了传统设计方法无法做到的一些事情。目前模拟传统作图过程的CAD二维设计已经得到广泛的应用，而CAD三维设计正在以无可比拟的优势逐渐替代CAD二维设计。三维设计技术有着和传统设计不同的思想和方法，它的出现和发展是我们机械设计上的一大进步。目前三维设计软件已经渗透到各个工程领域，未来互联网+、智能制造、虚拟现实技术皆是以三维设计为基础，可以说三维设计是机械设计行业的必由之路。孙中山先生说过，“天下大势，浩浩汤汤，顺之者昌，逆之者亡。”对于国家历史尚且如此，小到一个企业及个人又何尝不是呢，对于设计人员来说，三维设计的思想和方法已经成为本领域人员不可或缺的技能，也是跟上时代不被淘汰必备的基本技能。

2参数化、模块化三维设计优势

三维设计有其自身的规律和方式，并不是许多人认为的那样，杀猪杀屁股，各有各的杀法，只要最后做出的模型正确就行了。作者经过多年的使用和推广，总结了很多三维设计的经验，并摸索出了很好的设计方法，其中十二条原则（见附录）是很重要的原则，是三维设计必

须坚持的基本原则，是多年来由失败中总结出的经验结晶，不遵守的话就可以直接放弃三维设计了，因为到设计后期将举步维艰。三维设计水平的层次可以划分为三个阶段，第一阶段是三维建模堆积木，第二阶段是TOP-DOWN设计，第三阶段是模块化设计。

目前设计人员的三维设计水平参差不齐，由于各种原因，部分设计人员仍坚持使用AutoCAD二维设计方法，其中很重要的几点是：一、有人总是说三维设计效率低，没有在老图纸的基础上改改来的快；二是三维设计总是出错；三是错误后很难更改。古人云“工欲善其事必先利其器”，比如给你一辆汽车，如果不会驾驶，而是人推着汽车走，当然感觉还没有以前的牛车快了。上述问题初级阶段对三维设计认识不足造成，下面着重结合作者遇到的问题，阐述一下三维设计水平的三个阶段和三维模块化设计的优势，之后大家会得出与上述问题完全相反的结论。

三维设计水平三个阶段的特点如下：

在一开始学习三维设计时，都是先从零件模型开始的，然后再进入装配模式下逐个调入每个建立好的零件并约束其位置，这是典型的

自底向上的设计，俗称堆积木，这是每个学习者必经的重要学习阶段，之所以说其重要是因为很多基本三维设计方法和技巧必须从这个阶段学习，但是其基本不涉及实际设计工作中的思想方法，其缺陷也是很明显的。我们使用的Creo是美国参数技术公司PTC推出的基于CAD/CAE/CAM的软件包，其最突出的特点在于它的参数化建模、基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化使得产品设计过程中的各个环节联系在一起，任何一个环节中发生零件尺寸的修改都可以自动映射到整个建模环境中。Creo号称“震撼业界的机械设计软件和世界最强大设计软件”，自推出以来，由于其强大的功能，很快得到业内人士的普遍欢迎，并迅速成为当今世界最为流行的高端CAD软件之一。前文提到三个问题，正是在三维设计初级阶段初学者没有掌握三维设计的全参数化，全相关性的特点，不管你认识没认识到，参数化相关性都是存在的，例如一个零件参照另一个零件尺寸，装配中一个零件参照上级零件装配，如果不了解其中关系，胡乱选择父子关系，当然后期更改不动，出现改哪哪错，这种堆积木出来的东西根本就不能在实际的设计工作中使用，就是一堆三维数据垃圾。

三维设计第二阶段就是常说的Top-down设计。21世纪最有价值的是什么？是思想、方法，也就是英文所说的idea，Top-down设计符合一个产品设计从无到有的过程，即设计首先要从概念设计开始，概念设计正是一个创造性的思维过程，概念设计首先完成到产品实现其功能的原理和方法的设计，然后将设计思想完整正确的传达到每个零件当中，使这些零件组装起来能够实现概念设计中预期的目的，这是

需要反复修改完善的过程，creo提供了这种设计方式的有力工具，通过Creo中的数据共享、关系式、布局、骨架模型等手段，上述设计方法可轻易实现。相比传统的二维设计方法，需要大量的反复绘图，设计人员省去大量的无用工作，更能专注于思考产品的原理方法，自然更能提高产品品质，另一方面，传统设计需要主设计人员先拼凑出主图后，其他人员才能开展设计工作，Creo的并行工程更是有着巨大优势，主设计人员只需要做出布局骨架，控制好主要参数，将这些信息传递给下属人员，大家就可以同时开展设计。最后产品的结构BOM自动生成和统计，又减轻的很大工作量降低了差错率。但是对主持设计有较高的要求，布局和骨架等参数关系和参照关系的建立如不符合Top-down的要求和规律，后期会造成难以更改或无法更改。而且因为概念设计和方案设计的不成熟造成前期工作量巨大，看不到效果。

三维设计的第三阶段是在Top-down设计的基础上加上模块化，模块化很重要的几点特点是：一、模块没有大小之分，可大可小；二、模块控制好接口可以任意组合；三、模块自身可以按一定的规律和规则柔性变形。模块化给三维设计设计插上了翅膀，在实际工作中可以极大的提高工作效率。模块化和参数化是相辅相成的，利用模块化设计的三个特点就可以对一种机器、一种机型或多种机型进行模块化划分，控制好接口进行并行设计，而设计过程中类似的模块就可以大面积参数变形和设计重用，在此需要着重说明的一点是模块是包含模型和工程图的，模型和工程图的设计必须同时进行，才能最大限度的发挥参数化、模块化设计的优势。另一方面，传统设计需要主设计先拼凑

出总图或整体布局（top-down）后，其他人员才能开展设计工作，模块化设计的并行工程更是有着巨大优势，主设计人员只需要做好模块划分和功能要求，控制好接口，就可以将这些信息传递给下属人员，大家就可以同时开展各个模块的设计。这些都是传统二维拼图难以比拟的，传统二维设计拼总图最致命的缺点是难以直接观察，三视图容易遗漏线条，做出的零件往往到生产验证时时才发现干涉，设计质量的保证只能靠参与设计项目各个环节的人的认真负责来保证，而这在三维中只需要一个命令，干涉检查”就可以出具干涉报告从而避免发生设计干涉。三维设计还对设计后续工作提供巨大的支撑和支持，如三维立体操作说明书，外供资料，宣传推介资料、售前、售后服务支持，安装动画，装箱规划，三维工艺、三维工装、CAM等，甚至3D打印和AR/VR的实际应用。

综上所述，参数化、模块化三维设计相比二维设计的优势是压倒性的、颠覆性的，是趋势所在，二维设计终将被淘汰。对于颠覆性的产品和技术，比如数码相机之于胶片相机、传统手机之于智能手机等等，每次传统产品和技术都是完败，甚至灭亡。因此对于参数化、模块化三维设计，我们应该积极主动的去研究它、适应它，而不是选择放弃和逃避。

3参数化、模块化三维设计实施步骤

行为的转变首先要思想上的转变，先进的思想指导实践往往产生巨大的生产力。一个企业没有了创新能力，就难以跟上时代的步伐，早晚要被淘汰，创新当然要在原有的基础上创新，这其实正给我们推广

三维设计在老图纸的基础上创新提供了契机，牛顿说过只有站在巨人的肩膀上才能看的更远些。这是一套经过验证，成熟的设计方法步骤，包括很多技巧习惯都是从多年来三维设计研究，实施和试错中总结出来的，具有很强的指导意义和现实意义。

第一步：功能分析，模块划分进行设计的第一步首先要进行功能分析，这对很多老产品来说应该很轻松就能完成，依据功能分析进行模块划分，模块的划分一定要遵循上面提到的三个模块化设计特点，考虑模块的通用、变形和继承，模块划分时必须改变原有二维设计思路方法，要有高屋建瓴的眼光，抓住主要矛盾并控制主要参数。模块化的一个很重要原则是重复利用，所以在做基础模块时方案、三维模型、工程图、标注、技术要求等力求完整完善，打好基础，方便后面做复制和设计重用。

第二步：搭建结构树

传统的二维设计方式，是以工程图纸为主，先有工程图纸后有结构，结构是工程图纸的附属信息。而目前比较先进的设计方法都是先有产品结构，再有工程模型和图纸，工程图纸是结构的附属信息。经过第一步的分析，已经可以基本确定机器有多少个模块、模块与模块之间关系、模块与部件、结合件的关系，首先搭建每个模块和整机结构树，其次把每个零部件产品各种信息建立完善包括工程图，空的工程图也要放在指定目录。其中特别需要注意几点，如建立模块骨架时有一个原则，尽量使用基准点、轴，线，能用点的绝不用线，能用线的绝不用面，就是怎么简单怎么来，不要多建一个特征。还有就是骨架直接发

布给零件，如果部件有骨架，可以将整机骨架发给部件，部件增加参照后再发布给零件，这样的好处是方便大家协同设计，主设计人员做好骨架后，后面的马上就可以展开工作，通过层层控制分设计永远不会出现偏差。另外排布零件件号时要有预留，方便后期更改增加件号。最后在装配界面中将零件信息统一填完。

第三步：绘制零件模型同时出工程图经过前面的准备，最后要做的就是零件模型和工程图了。其中一再强调的一点是模型工程图是同时绘制的，模型做好后工程图就自动绘制好。模型草绘时要删除多余参照，模型绘制的尺寸正是工程图中要显示的尺寸。相似零件的要按照一个模块来做，例如一个支架有好多长度不一的型钢做成，在做好一个零件后，直接保存副本，改成新零件件号就行了，这样新的零件和工程图同时就生成了，稍作修改这一批零件都完成了，这也是一再要求模型工程图同时做的原因，同时也体现模块化设计重复利用的优势，只要是相似的零件都可以这么做，例如界面相同位置不同的零件只要改变草绘面就行了。小到一个特征也可以作为一个模型，利用复制特征命令重复利用。工程图的尺寸标注尽量用按特征显示尺寸，这样不用画一笔一划，模型做好，工程图也就生成，后期更改模型尺寸，工程图由尺寸驱动自动更改，或者直接修改工程图，模型由工程图驱动重新生成，这远比二维设计效率要高的多，而且不会产生差错。好多人做模型不做工程图，模型做好了，再一个个统一做工程图，而且标尺寸也想不起来需要标哪些了，这样不是又走一遍弯路？

至此已完成机器的整个设计，三维设计的精髓之处在于重复利用，

通过提高零件的通用化、系列化、标准化重复利用前面做好的工作，省去大量无用劳动。特别对于一些有图纸的老产品，由于省去第一步的大部分工作，能够很快完成整个机器的设计，在以后的变型设计中，极大的缩短设计时间，提高效率，提高创新率。

4小结

身处时代洪流中的个人、企业都如逆水行舟，不进则退，但千里之行必始于足下，我们千里之行的第一步就是要转变思维，勇于开拓，这样我们才能迎头赶上，墨守成规只能是死路一条。三维设计水平的提高需要学习，更需要在实际工作中多用多练，互相交流，总结提升。我们公司的三维设计能力快要跟不上时代的步伐，时代的危机感已经迫近，这需要我们每个人都提高三维设计水平，企业才有未来。

附表：

三维设计十二条原则：