摘 要

随着计算机技术的发展，以及工业4.0的临近，工艺布局3D设计作为一种新型的设计模式，将设计变得更加智能化，数字化。基于SolidWorks等软件的建模设计、装配、仿真到最后交付的整个生命周期将满足客服订单所要求的内容进行了演示和预算，有效的提高了设计效率，减少了实际设计过程中的浪费。

目前企业在工艺布局3D设计方面的不断深入，但在设计过程中仍然存在着诸多制约设计效率的因素。例如：不同的项目拥有很多共同的内容，设计内容重复，需要重复计算和绘图等工作，加长了设计周期；项目内容复杂，三维模型从建模到最后的装配，其中的零件成千上万；任务分配、三维模型相关属性管理混乱等。基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统设计是提高任务分配效率和模型属性质量的重要途径。

本文在某工厂设计企业的背景下，研究了3D建模设计环境下某工厂设计企业实现基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统的关键技术，主要研究内容及工作如下：

1. 结合工艺布局设计的特点及基于SolidWorks的三维产品结构构建现状，就如何提高三维产品快速构建的方法与需求进行了讨论。
2. 结合基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统，建立了三维模型快速构建系统模块化思想，研究了基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统开发方法。
3. 建立了基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统的协同设计结构模型，探讨其协同设计流程，并针对协同设计模块作出详解。
4. 开发完成基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统，针对系统插件开发环境、开发流程，开发工具、运行环境、安装卸载、操作流程作出系统介绍。
5. 论文最后从实例验证的途径出发，开发基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统，并以某企业设计的实际汽车总装车间快速构建系统为例，对系统各个模块的运行实例进行分析。

关键词：三维模型；系统开发；工艺布局3D设计；协同设计

Abstract

With the development of computer technology, and the proximity of Industry 4.0. Process layout 3D design as a new type of design pattern will make the design more intelligent and digital. The entire life cycle of modeling, designing, assembly, simulation and final delivery based on software such as SolidWorks will meet the requirements of customer service orders for demonstration and budget, effectively improving design efficiency and reducing waste in the actual design process.

At present, enterprises are continuously deepening the 3D design of the process layout. However, there are still many factors that restrict the design efficiency in the design process. For example, different projects have many common content, duplication of design content, the need for repeated calculations and drawings, etc., lengthening the design cycle; the complexity of the project, the three-dimensional model from the modeling to the final assembly, thousands of parts of which; Task assignments, chaotic management of related properties of 3D models, etc. SolidWorks-based 3D product structure to quickly build system design is an important way to improve task distribution efficiency and model attribute quality.

Based on the background of a factory design company, this paper studies the key technologies of the factory design enterprise to implement a three-dimensional product structure rapid construction system based on SolidWorks in the 3D modeling and design environment. The main research contents and work are as follows:

(1) Combining the characteristics of process layout design and the status quo of 3D product structure construction based on SolidWorks, discussions are made on how to improve the method and requirements for the rapid construction of 3D products.

(2) Combining with the rapid construction system of 3D product structure based on SolidWorks, the 3D model was built to quickly build the modularization idea of the system, and the 3D product structure construction method based on SolidWorks was rapidly developed.

(3) Established a collaborative design structure model based on SolidWorks' three-dimensional product structure rapid construction system, explored its collaborative design process, and elaborated on the collaborative design module.

(4) Development The SolidWorks-based 3D product structure rapid construction system was completed. System plug-in development environment, development flow, development tools, operating environment, installation and uninstallation, and operation flow were systematically introduced.

(5) At the end of the thesis, starting from the verification of the example, we develop a three-dimensional product structure rapid construction system based on SolidWorks. Taking an actual automobile assembly shop rapid building system designed by an enterprise as an example, we analyze the running instances of each module of the system.

Key words: Three-dimensional model; System Development; Process layout 3D design; Collaborative Design

目 录

摘要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 SolidWorks二次开发设计研究现状 2

1.2.2 产品参数化建模的研究现状 3

1.2.3 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统的研究现状 3

1.3 论文研究内容及其体系结构 4

1.4 课题来源 5

第2章 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统架构 6

2.1 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统简介 6

2.1.1 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统概述 6

2.1.2 任务分配与SolidWorksCAD和PDM的关系论述 6

2.2 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统架构设计 7

2.2.1 架构设计 7

2.2.2 系统功能简介 7

2.3 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统实现流程 8

2.4 本章小结 9

第3章 任务协同分配 10

3.1 任务分配概要 10

3.2 任务分配模板库组织结构 10

3.3 任务分配流程及方法 11

3.4 本章小结 13

第4章 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统开发 14

4.1 开发环境 14

4.2 开发过程 14

4.2.1 开发过程分析 14

4.2.2 基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统开发过程 15

4.3 开发工具 16

4.3.1 软件开发平台 16

4.3.2 操作方法 16

4.4 系统运行环境 16

4.5 系统操作流程 18

4.6 东风本田惠州总装车间快速构建系统生成 20

4.7 本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 论文工作总结 35

5.2 课题研究展望 35

致 谢 37

参考文献 38

绪论

研究背景及意义

本文的研究是为某汽车工厂设计院提供快速的汽车生产线设计工具。

目前，SolidWorks绘图工具越来越得到设计师们的青睐，三维建模不仅能清晰直观地体现出我们需要的产品的特点，而且外行人也能清晰理解。然而它还存在诸多问题，例如：不同的项目拥有很多共同的内容，设计内容重复，需要重复计算和绘图等工作，加长了设计周期；项目内容复杂，三维模型从建模到最后的装配，其中的零件成千上万；任务分配、三维模型相关属性管理混乱等。当前，如何有效提高SolidWorks的建模效率和质量是一个备受关注的焦点。

研究背景

本文研究所支持的某设计企业的工艺布局3D设计部门当前正面临如上所述的问题。不仅面对着国内外企业之间技术差异带来的必须优化提高自身设计方式的压力，必须以优异的技术、显著的效率优势在同行中脱颖而出。而且企业内部现有的设计方式严重加长了设计周期。当前企业正面临着如何提高建模设计效率和质量，减少建模重复，有效分配建模任务等问题而急需一次技术上的革命。

快速实现任务分配是设计企业设计一个项目时面临的第一个问题，也是高效率设计一个项目的重要环节。当前存在的问题有：（1）设计项目复杂程度不同，设计人员易存在自己负责的设计任务模糊；（2）设计人员之间易发生重复性设计，发生任务交叉；（3）因为后期装配时所需要的模型属性是有条件的，而设计人员往往在设计过程中因为自己的设计习惯而导致后期的模型属性不合带来了严重的设计缺陷；（4）后期设计权责不易区分，设计维护带来困难。

研究意义

在数模设计中，协同设计在现在的汽车工厂数模设计行业中是一个重要研究方向，它不仅保留了原有的设计思路，并还提供了更好的产品数据管理方法。协同设计的实质是，多专业、多小组、多人共同来承担完成一个项目，在项目的整个生命周期中，它的所有相关文档信息全部放入一个共享区中，该共享区可被项目组内所有成员使用，最终实现整个项目设计流程的顺序衔接。

三维工厂数模结构往往是一个庞大的结构体系，在项目的设计过程中涉及到多专业、多设计人员的协同工作，而协同设计的第一目标就是实现任务分配。任务分配是将项目的设计过程根据一定的规则分解后，指派给相应的设计人员，然后由设计人员完成各自的部分，最终进行模型总拼。

基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统是利用SolidWorks、SolidWorks PDM 二次开发专用设计工具，属于三维参数化建模应用插件，集成在 SolidWorks PDM 中，可在 SolidWorks PDM 下对项目文件进行管理操作，它的目的是实现三维工厂的协同化开发。该系统使设计任务分配者可以在项目开始时方便快速地对项目进行模块划分，并具体指定到设计人员；通过管理员对权限的控制，每个设计人员只能看到自己的承担的项目任务，达到了项目任务的明确指定，同时有效避免了各设计人员之间的任务交叉和重复劳动，实现了各设计人员间协同设计的任务分配，并为后期进行项目管理和权责划分等提供方便。；该系统通过项目开展前期对各模块模型进行属性名称及信息的填写，有效避免了后期因个人习惯原因导致的属性信息不统一。

研究现状

SolidWorks二次开发设计研究现状

基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统是利用SolidWorks、SolidWorks PDM 二次开发，SolidWorks 是基于特征的三维参数化造型软件，遵循参数化CAD的原则可对其进行二次开发。相比传统的非参数化CAD系统，参数化技术对二次开发的效率有很大的帮助。SolidWorks 自带的二次开发工具 API（Application Programming Interface，应用编程接口）是面向大众化的免费的开发工具。凡支持 COM 编程的开发工具，如VC 、VB、Delphi 等均可直接调用这些 API 函数开发出用户自己的程序模块，提高设计的效率与正确率。

在满足客户的需求前提条件下，有效提高设计效率和质量是设计企业争相追逐的优势。二次开发即是成为了快速构建某设计步骤的不二选择。目前关于二次开发的研究诸多是为了让一零件进行参数化设计，如同济大学机械工程学院的李向阳^[1]在SolidWorks二次开发的研究中就是实现了机械零件的参数化设计；中国核电工程有限公司核设备所的李久振，张后龙^[2]则是利用了基于COM技术SolidWorks二次开发实现了化工设备零部件库的设计。沈阳发动机设计研究所的罗振伟^[3]则开发了基于SolidWorks的材料明细表，实现了材料明细表的高宽比、行列距离自动调节从而提高了设计效率，降低了设计人员工作量，减少了设计过程的时间浪费。

产品参数化建模的研究现状

随着产品设计工作的不断深入，CAD系统越来越得到设计人员的青睐，参数化设计高效的满足了客户的需求。所谓参数化设计，即是通过改动图形的尺寸或是已定义的零件参数，系统将自动改动零件的相关部分。如CAD二维绘图中将一随意画好的直线进行尺寸限制就是进行了参数化设计；在三维建模中只需要画出大致的形状轮廓，然后通过修改尺寸来规范所作图形以满足要求。

在国外，参数化设计已经大量运用于实际生产制造中，设计机制也日趋完善。在国内对于参数化的设计也渐入各个设计领域，开封大学机电工程学院的朱跃峰、朱敬超^[4]针对桥式起重机的结构特点，利用参数化设计思想及面向对象方法开发了基于SolidWorks的桥式起重机参数化设计平台。该平台以SolidWorks API函数模块为基础，利用尺寸驱动参数化技术和ActiveX相结合完成了桥式起重机三维模型快速建立的系统搭建。在.dll文件为纽带的情况下，使得VB开发的设计平台与CAD/CAE得到了无缝集成，使得该设计具有很好的继承性与集成性。西南交通大学机械工程学院的张开运、田怀文^[5]基于UG软件研究了产品级三维参数化设计技术。提出了利用UG/WAVE技术来实现单个模块内部的形状关联和尺寸关联，通过部件间表达式建模技术实现对不同模块之间尺寸关联的控制，以此实现了整个产品级的三维参数化建模。为证明该方法的实用性，他们以机车底架为应用实例，并能显著提高设计效率。

基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统的研究现状

任务分配在设计开发过程中占着十分重要的地位，它不仅影响着项目的整个运营还影响后期权责的划分等诸多问题。目前国内外对于SolidWorks二次开发的案例很多，基本上开发的插件都是实现某个零部件的参数化设计，以提高在零部件设计时的高效率性。然而在任务分配这块企及甚少，刘明朴^[6]等将Pro-E与EPDM结合，运用骨架等模型实现参数分级分层表达，实现了协同设计；杨科^[7]等描述了协同设计的特点，详细探讨了基于BIM技术的多专业协同设计的流程。刘志林^[8]在研究设计结构矩阵的基础上，将其应用到建筑设计过程中，对设计任务进行重新组合，最终实现整个设计团队的协同设计。张静^[9]在研究BIM的基础上，就如何实现协同设计提供了参考建议，包括BIM的选型、实施计划等。陶义^[10]等针对起重机设计过程中参数等信息共享低、产品数据管理混乱等问题，提出了多客户端/多服务器/多工作站这样一种新的工作方式，最终实现起重机的协同设计。吕炎杰^[11]等通过提出基于知识相似度和模糊集理论的复杂产品设计任务分配方法，有效的改善了由于任务执行情况的不确定性和不同工作单位之间的差异性等所导致的问题，并于遗传算法对任务的分配方案进行求解。杨育^[12]等考虑到了任务间的相互制约关系和创新主体的设计能力限制，针对创新设计任务分配及分解的复杂问题，提出了基于层次功能-结构-任务映射及协同伙伴模糊搜索匹配相结合的任务分解模型，且基于时间有色Petri网进行任务-资源分配实现仿真建模。万武南^[13]等人在以上基础之上，改进了合同网模型的缺点和不足。基于辅助Agent的合同网模型的任务分配方法，解决了Agent的协同设计系统中分布合作求解问题和任务分配，提高设计质量和效率，减少了信息交流量和讨论时间。

考虑到实际应用中，车间数模庞大，而且企业的项目设计大多数都是在三维建模软件平台上完成的，导致任务分配难度大同时需要耗费大量的时间来构建三维建模软件装配体结构树。所以本项目中结合SolidWorks和EPDM软件平台，在此基础上使用任务分配方法实现任务协同，对各项子任务的分配均以SolidWorks模型文件（附带工艺参数、设备属性等信息）的形式进行任务分配，并创建各任务间的结构关系，以生成清晰的数模架构与文件夹结构，便于管理和维护。可以说本软件系统在国内外的应用层次来说都处于领先的水平。

论文研究内容及其体系结构

本文在工艺设计企业的背景下，研究了3D建模设计环境下工艺设计企业实现基于SolidWorks的三维产品结构快速构建系统的关键技术，主要研究内容及工作如下：

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