《機(jī)械CADCAM》課件第4章

第4章CAD/CAM裝配建模技術(shù)4.1裝配建模概述4.2裝配模型4.3裝配約束技術(shù)4.4裝配模型的管理與分析4.5裝配設(shè)計(jì)的兩種方法4.6裝配建模技術(shù)的應(yīng)用習(xí)題與思考題4.1裝配建模概述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各個(gè)組成零件，而且要建立裝配結(jié)構(gòu)中各種零件之間的聯(lián)接關(guān)系和配合關(guān)系。在產(chǎn)品的CAD/CAM過(guò)程中，同樣要進(jìn)行完整的裝配設(shè)計(jì)工作，即在零件造型的基礎(chǔ)上，采用裝配設(shè)計(jì)的原理和方法在計(jì)算機(jī)中形成裝配方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化預(yù)裝配，建立起產(chǎn)品的裝配模型。這種在計(jì)算機(jī)中將產(chǎn)品的零部件裝配組合在一起形成一個(gè)完整的數(shù)字化裝配模型的過(guò)程叫裝配建模或裝配設(shè)計(jì)。裝配建模的主要內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面：

(1)概念設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的映射。產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段所得到的原理解，只是一些抽象的概念，裝配設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容便是從這些概念出發(fā)，進(jìn)行技術(shù)上的具體化，包括關(guān)鍵零部件的構(gòu)型設(shè)計(jì)，裝配結(jié)構(gòu)尺寸、零件數(shù)量和空間相互位置關(guān)系的確定等，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的映射。必須指出的是，這種映射往往是“一對(duì)多”的關(guān)系，也就是說(shuō)，能夠?qū)崿F(xiàn)某一原理解的裝配結(jié)構(gòu)方案很可能會(huì)有多個(gè)。這就需要對(duì)不同的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選。

(2)數(shù)字化預(yù)裝配。運(yùn)用裝配設(shè)計(jì)的原理和方法在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配，建立產(chǎn)品的數(shù)字化裝配模型，并對(duì)該模型進(jìn)行不斷的修改、編輯和完善，直到完成滿意的產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)。該過(guò)程也可稱之為虛擬裝配。

(3)可裝配性分析與評(píng)價(jià)?？裳b配性是指產(chǎn)品及其裝配元件(零件或子裝配體)容易裝配的能力和特性，是衡量裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的根本指標(biāo)?？裳b配性分析與評(píng)價(jià)是產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，這種評(píng)價(jià)應(yīng)兼顧技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)特性和社會(huì)特性。4.2裝配模型裝配模型是裝配建模的基礎(chǔ)，建立產(chǎn)品裝配模型的目的在于建立完整的產(chǎn)品裝配信息表達(dá)，一方面使系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)能進(jìn)行全面支持，另一方面它可以為新型CAD/CAM系統(tǒng)中的裝配自動(dòng)化和裝配工藝規(guī)劃提供信息源，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。裝配模型的研究至今已有20多年。最早的嘗試是Liberman和Wesley等人在開發(fā)AUTOPASS時(shí)做出的，在他們的研究中，零件和裝配體被表達(dá)為圖結(jié)構(gòu)中的結(jié)點(diǎn)，圖中的分支代表部件間的裝配關(guān)系，如“裝配”、“約束”、“附屬”等，同時(shí)在每個(gè)分支上存有一個(gè)空間變換矩陣，用來(lái)確定部件間的相對(duì)位置以及其他非幾何信息。

DeFazio和Whitney提出了優(yōu)先聯(lián)系圖(PrecedenceRelationGraph)方法，他們認(rèn)為，任何一個(gè)裝配動(dòng)作都必須與其他的裝配動(dòng)作有優(yōu)先關(guān)系，因此可以定義一組優(yōu)先規(guī)則，通過(guò)圖排序可得到裝配序列。HomemdeMello和Sanderson提出與或圖(AND/ORGraph)來(lái)描述裝配體，圖中每個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)表示裝配體最底層的部件和零件，根結(jié)點(diǎn)表示最終的產(chǎn)品，它是通過(guò)拆分裝配體幾何模型得到的，有些類似于CSG結(jié)構(gòu)。

Lee和Gossard在與或圖的基礎(chǔ)上提出了真正意義上的層次建模方法，他們將裝配體按層次分解成由部件組成的樹狀結(jié)構(gòu)，部件既可以是零件，也可以是子裝配體，樹的頂端是產(chǎn)品裝配體，末端是不可拆分的零件，其余的部分是由概念設(shè)計(jì)確定的子裝配體。這種裝配樹的概念已廣泛應(yīng)用于目前的CAD/CAM系統(tǒng)中。4.2.1裝配模型的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)

1．裝配模型的特點(diǎn)產(chǎn)品裝配模型是一個(gè)支持產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到零件設(shè)計(jì)，并能完整、正確地傳遞不同裝配體設(shè)計(jì)參數(shù)、裝配層次和裝配信息的產(chǎn)品模型。它是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)管理的核心，是產(chǎn)品開發(fā)和支持設(shè)計(jì)靈活變動(dòng)的強(qiáng)有力工具。裝配模型具有以下特點(diǎn)：

(1)能完整地表達(dá)產(chǎn)品裝配信息。裝配模型不僅描述了零部件本身的信息，而且描述了零部件之間的裝配關(guān)系及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(2)可以支持并行設(shè)計(jì)。裝配模型不但完整地表達(dá)了產(chǎn)品的信息，而且描述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的繼承關(guān)系及其變化約束機(jī)制，保證了設(shè)計(jì)參數(shù)的一致性，并能支持產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)。

2．集成化產(chǎn)品裝配模型從現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)觀點(diǎn)看，理想的裝配模型應(yīng)該是一種集成化的信息模型，支持面向全生命周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中與裝配相關(guān)的所有活動(dòng)和過(guò)程，包括產(chǎn)品定義、生產(chǎn)規(guī)劃和過(guò)程仿真中與裝配相關(guān)的各個(gè)子過(guò)程，如圖4.1所示。圖4.1集成化裝配模型

3．裝配模型的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)往往是通過(guò)相互之間的裝配關(guān)系表現(xiàn)出來(lái)的，因此，裝配模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)能有效地描述產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系。主要的裝配關(guān)系有層次關(guān)系、裝配關(guān)系和參數(shù)約束關(guān)系。

1)層次關(guān)系機(jī)械產(chǎn)品是由具有層次關(guān)系的零部件組成的系統(tǒng)，表現(xiàn)在裝配次序上，就是先由零件組裝成子裝配體(部件或子部件)，再參與整機(jī)的裝配。產(chǎn)品零部件之間的層次關(guān)系可以表示成如圖4.2所示的樹結(jié)構(gòu)。在圖中，邊表示父結(jié)點(diǎn)與子結(jié)點(diǎn)之間的所屬關(guān)系，結(jié)點(diǎn)表示裝配件的具體描述。圖4.2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的裝配層次關(guān)系

2)裝配關(guān)系裝配關(guān)系是零件之間的相對(duì)位置和配合關(guān)系的描述，它反映零件之間的相互約束關(guān)系。裝配關(guān)系的描述是建立產(chǎn)品裝配模型的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)，可以將產(chǎn)品的裝配關(guān)系分為三類：幾何關(guān)系、連接關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如圖4.3所示。圖4.3裝配關(guān)系幾何關(guān)系主要描述實(shí)體模型的幾何元素(點(diǎn)、線、面)之間的相互位置和約束關(guān)系。幾何關(guān)系分為四類：貼合、對(duì)齊、相切和點(diǎn)面接觸。連接關(guān)系是描述零部件之間的位置和約束的關(guān)系，主要包括螺紋連接、鍵連接、銷連接、聯(lián)軸器連接及焊接、粘接和鉚接等。運(yùn)動(dòng)關(guān)系是描述零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一種關(guān)系，分為傳動(dòng)關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

3)參數(shù)約束關(guān)系設(shè)計(jì)過(guò)程中，其中一類參數(shù)是由上層傳遞下來(lái)的，本層設(shè)計(jì)部門無(wú)權(quán)直接修改，將這類參數(shù)稱之為繼承參數(shù)。另一類參數(shù)既可以是從繼承參數(shù)中導(dǎo)出的，也可以是根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計(jì)需要制定的，將這類參數(shù)統(tǒng)稱為生成參數(shù)。當(dāng)繼承參數(shù)有所改變時(shí)，相關(guān)的生成參數(shù)也要隨之調(diào)整。產(chǎn)品的裝配信息模型中需要記錄參數(shù)之間的這種約束關(guān)系和參數(shù)制定依據(jù)的信息，根據(jù)這些信息，當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，其傳播過(guò)程能夠顯式給出或由特定的推理機(jī)制完成。4.2.2裝配模型的信息組成裝配模型不僅要處理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入信息，還應(yīng)能處理設(shè)計(jì)過(guò)程的中間信息和結(jié)果信息，因此，裝配模型中的信息應(yīng)隨設(shè)計(jì)過(guò)程的推進(jìn)而逐漸豐富和完善。這些信息主要由六個(gè)方面的內(nèi)容組成，如圖4.4所示。圖4.4產(chǎn)品裝配模型的信息組成

1)管理信息管理信息是指與產(chǎn)品及其零部件管理相關(guān)的信息。管理信息相當(dāng)于眾所周知的BOM信息，包括產(chǎn)品各構(gòu)成元件的名稱、代號(hào)、材料、件數(shù)、技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求，以及設(shè)計(jì)者和供應(yīng)商、設(shè)計(jì)版本等信息。它們是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中逐漸形成的，主要作用是為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程以及產(chǎn)品生命周期后續(xù)過(guò)程的管理提供參考和基本依據(jù)。

2)幾何信息幾何信息是指與產(chǎn)品的幾何實(shí)體構(gòu)造相關(guān)的信息。它們決定裝配元件和整個(gè)產(chǎn)品裝配體的幾何形狀與尺寸大小，以及裝配元件在最終裝配體內(nèi)的位置和姿態(tài)。由于現(xiàn)有的商用CAD/CAM系統(tǒng)已具備較完善的幾何建模功能，因此，產(chǎn)品裝配模型所需的幾何構(gòu)造信息可直接從相關(guān)的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)提取。

3)拓?fù)湫畔⑼負(fù)湫畔▋深愋畔?。一類信息為產(chǎn)品裝配的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。這類信息與具體應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，往往因“視圖”的不同而有所差別。例如，對(duì)于同一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如分別從功能、裝/拆操作、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等角度分析，其層次結(jié)構(gòu)組成關(guān)系很可能是不同的。另一類信息為產(chǎn)品裝配元件之間的幾何配合約束關(guān)系。常見的關(guān)系有貼合(Mate)、對(duì)齊(Align)、同向(Orient)、相切(Tangent)、插入(Insert)和坐標(biāo)系重合(CoordSys)等。這類信息取決于靜態(tài)裝配體的構(gòu)造需求，與應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)關(guān)。

4．工程語(yǔ)義信息工程語(yǔ)義信息是指與產(chǎn)品工程應(yīng)用相關(guān)的語(yǔ)義信息。工程語(yǔ)義信息主要包括以下五類：

(1)裝配元件的角色類別，如螺栓螺釘、墊圈墊片、銷釘、軸承、彈簧、卡緊件、密封件和一般結(jié)構(gòu)件等及其相關(guān)信息。

(2)裝配元件的聚類分組(Clustering)，如一般簇(含螺釘、銷釘、卡緊件等的元件簇)、特殊簇(具有過(guò)盈配合、膠接、焊接等關(guān)系的元件簇)以及簇的嵌套等。

(3)裝配元件裝/拆的強(qiáng)制優(yōu)先(Priorities)關(guān)系，包括基體定義、強(qiáng)制領(lǐng)先和強(qiáng)制滯后關(guān)系。

(4)裝配元件之間的工藝約束和運(yùn)動(dòng)約束等關(guān)系。

(5)裝配元件之間的設(shè)計(jì)參數(shù)約束和傳遞關(guān)系。前3類信息可用于建立裝/拆優(yōu)先關(guān)系，第4類信息可用于構(gòu)造產(chǎn)品與相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，第5類信息則確保設(shè)計(jì)參數(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的協(xié)調(diào)一致。

5．裝配工藝信息裝配工藝信息是指與產(chǎn)品裝/拆工藝過(guò)程及其具體操作相關(guān)的信息。裝配工藝信息包括各裝配元件的裝配順序、裝配路徑，以及裝配工位的安排與調(diào)整、裝配夾具的利用、裝配工具(如扳手、螺絲刀等)的介入、操作和退出等信息。它們主要為裝配工藝規(guī)劃和裝配過(guò)程仿真服務(wù)，包括相關(guān)活動(dòng)和子過(guò)程的信息輸入、中間結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)與利用、最終結(jié)果的形成等。

6．裝配資源信息裝配資源信息是指與產(chǎn)品裝配工藝過(guò)程具體實(shí)施相關(guān)的裝配資源的總和，主要指裝配系統(tǒng)設(shè)備的組成與控制參數(shù)。裝配資源信息包括裝配工作臺(tái)與設(shè)備的選擇、裝配夾具與工具的類別和型號(hào)，以及它們各自的有關(guān)控制參數(shù)如形狀、尺寸、比例、大小等。這些信息用于構(gòu)造虛擬的裝配工作環(huán)境，是實(shí)施產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配必不可少的內(nèi)容。4.2.3裝配樹

1．裝配樹的概念圖4.5曲柄傳動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)由裝配模型的結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系可知，機(jī)械產(chǎn)品是由具有層次關(guān)系的零部件組成的系統(tǒng)。一個(gè)復(fù)雜機(jī)器是由多個(gè)部件所組成的，每個(gè)部件又可繼續(xù)劃分為下一級(jí)的子部件，依此類推，直至零件。這種裝配模型的層次關(guān)系可以用裝配樹的概念清晰地加以表達(dá)。整個(gè)裝配模型構(gòu)成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，頂層為整個(gè)裝配體(樹根)，下一層依次為相應(yīng)的子裝配體(Subassembly)或零件。這種樹狀層次被稱為裝配描述樹或裝配樹。因此，裝配樹是用來(lái)描述一個(gè)產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)及其層次關(guān)系的工具。裝配樹完整地記錄了零部件之間的全部結(jié)構(gòu)關(guān)系和裝配約束關(guān)系，是裝配模型的一種形象的表達(dá)形式。圖4.5所示的曲柄傳動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)，其裝配樹如圖4.6所示。其中第2層的兩個(gè)裝配體均為子裝配體和部分零件，第3層為零件。裝配樹的概念已廣泛應(yīng)用于目前的CAD/CAD系統(tǒng)中。圖4.7所示是UG裝配導(dǎo)航器(AssemblyNavigator)中的裝配樹。圖4.5曲柄傳動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)圖4.6曲柄傳動(dòng)裝配樹圖4.7UG中的裝配樹

2．裝配樹中的構(gòu)件

1)根部件根部件(BaseComponent)是裝配模型的最頂層結(jié)構(gòu)，也是裝配模型的存儲(chǔ)文件名或稱為根目錄。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新裝配模型文件時(shí)，根部件就自動(dòng)產(chǎn)生，此后引入該文件的任何零件都會(huì)跟在該根部件之后。圖4.6中的“曲柄傳動(dòng)裝配體”和圖4.7裝配導(dǎo)航窗口中的guide_handle_assm_ou即為根部件。

2)部件裝配模型中的子裝配體或零件統(tǒng)稱為部件。部件可以是一個(gè)零件，也可以是由一系列零件裝配而成的零件組合，在裝配模型的邏輯上附屬于上層體系。部件可以嵌套，即部件中還可含有子部件。部件既可以在當(dāng)前的裝配文件中創(chuàng)建或駐留，也可以在外部裝配模型文件中創(chuàng)建和駐留，然后引用到當(dāng)前文件中。第一個(gè)引入到裝配模型中的部件稱為基礎(chǔ)部件，在裝配模型中，它是默認(rèn)不動(dòng)的，可認(rèn)為它的自由度為零而無(wú)需施加約束。其后引用的各個(gè)零部件在裝配樹中都要依次向后排列，并需對(duì)部件施加裝配約束，伴隨著這個(gè)過(guò)程，裝配樹在不斷擴(kuò)大，直至完成整個(gè)裝配。

3)內(nèi)部裝配部件和外部裝配部件內(nèi)部裝配部件是指在本裝配模型內(nèi)部創(chuàng)建的部件。內(nèi)部裝配部件可以外部化，即可以把部分或全部的內(nèi)部裝配部件保存為專門的文件，供其他文件調(diào)用。外部裝配部件是指存放在外部文件中的裝配模型中的部件。外部裝配部件可以引入到當(dāng)前裝配文件中，并參與當(dāng)前的裝配建模。

4)部件樣本一個(gè)零件有可能在裝配模型中使用多次，這時(shí)可以對(duì)該零件制作多個(gè)拷貝。這樣的拷貝也可稱為部件樣本，習(xí)慣上把部件樣本的使用稱為部件引用。部件樣本有以下性質(zhì)：

(1)當(dāng)在同一個(gè)裝配模型中需要多次引用同一個(gè)零件時(shí)，如要在當(dāng)前裝配模型中的幾個(gè)不同的地方用到相同的螺栓和螺母，只需在模型系統(tǒng)中存儲(chǔ)一個(gè)該零件的圖形文件即可，這樣大大減少了模型占用的磁盤空間。

(2)當(dāng)對(duì)某個(gè)部件定義進(jìn)行修改時(shí)，所有引用過(guò)該部件樣本的裝配模型都會(huì)自動(dòng)刷新，無(wú)須逐個(gè)修改，從而大大減少了工作量，同時(shí)避免了因?yàn)樾薷倪z漏所帶來(lái)的錯(cuò)誤。

(3)相同的零件可以應(yīng)用到不同的裝配文件中，在不同的裝配模型中采用外部引用的方式，不需要重復(fù)構(gòu)造就可以在文件之間反復(fù)引用。4.3裝配約束技術(shù)4.3.1裝配約束分析裝配建模過(guò)程建立不同部件之間的相對(duì)位置關(guān)系，一般通過(guò)裝配約束、裝配尺寸和裝配關(guān)系式等三種手段將各零部件組合成裝配體。裝配約束是最重要的裝配參數(shù)，有的系統(tǒng)把約束和尺寸共同參與裝配的操作也歸入裝配約束。

1．零件自由度尚未參與裝配的零件在三維空間中的位置是任意的，我們可以用自由度DOF(DegreeofFreedom)來(lái)描述零件的位置狀態(tài)。三維空間中一個(gè)自由零件(剛體)的自由度是6個(gè)，即3個(gè)繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和3個(gè)沿坐標(biāo)軸的移動(dòng)。此時(shí)，該零件能夠運(yùn)動(dòng)到空間的任何位置，并達(dá)到任何一種姿態(tài)，如圖4.8(a)所示。但是，當(dāng)給零件的運(yùn)動(dòng)施加一系列限制時(shí)，零件運(yùn)動(dòng)的自由度將減少。例如，規(guī)定該零件的下表面必須在XY面上，此時(shí)零件就只能在XY平面內(nèi)作平面運(yùn)動(dòng)，它的DOF就減少到3個(gè)：即2個(gè)移動(dòng)(沿X，Y軸)和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(繞Z軸)，如圖4.8(b)所示。如果繼續(xù)規(guī)定該零件的一個(gè)側(cè)面不能離開XZ面，此時(shí)零件就只能沿X軸作移動(dòng)了，DOF減少到1個(gè)。如果繼續(xù)規(guī)定該零件不能離開原點(diǎn)，那么該零件的DOF等于0，如圖4.8(c)所示，此時(shí)零件在三維空間坐標(biāo)系中的位置就完全確定了。由此可見，根據(jù)零件在空間位置的確定程度，零件的自由度在0～6之間變化。實(shí)際上，裝配建模的過(guò)程可以看成是對(duì)零件的自由度進(jìn)行限制的過(guò)程。限制零件自由度的主要手段是對(duì)零件施加各種約束，通過(guò)約束來(lái)確定兩個(gè)零件或多個(gè)零件之間的相對(duì)位置關(guān)系以及它們的相對(duì)幾何關(guān)系。圖4.8零件的自由度(DOF)

2．裝配約束類型在裝配建模中經(jīng)常使用的裝配約束類型有多種，不同的CAD系統(tǒng)大同小異。下面介紹最常見的幾種。

1)貼合貼合是一種最常用的裝配約束，它可以對(duì)所有類型的物體進(jìn)行定位安裝。使用貼合約束可以使一個(gè)零件上的點(diǎn)、線、面與另一個(gè)零件上的點(diǎn)、線、面貼合在一起。由生產(chǎn)實(shí)踐可知，實(shí)際裝配過(guò)程中零件大多采用面進(jìn)行約束，所以面的貼合用得最普遍。兩個(gè)面貼合時(shí)，它們的法線方向相反，如圖4.9所示。對(duì)于圓柱面，要求相配的圓柱面的直徑相等時(shí)才能對(duì)齊軸線。對(duì)于點(diǎn)、邊緣和線，貼合與對(duì)齊基本類似。圖4.9面貼合

2)面偏離面偏離是指兩個(gè)部件上的兩個(gè)面相互平行并且偏離一定的距離，如圖4.10所示。兩平行平面間的距離稱為偏離量，相當(dāng)于裝配間隙。偏離量可以像尺寸一樣被修改，它可以是正數(shù)，也可等于0。當(dāng)偏離量為0時(shí)，面偏離與面貼合相同?？梢?，面偏離可轉(zhuǎn)化為面貼合，但面貼合不能轉(zhuǎn)化為面偏離。圖4.10面偏離

3)對(duì)齊使用對(duì)齊約束可以使兩個(gè)零件產(chǎn)生共面位置關(guān)系。對(duì)齊約束使一個(gè)零件上的某個(gè)面與另一個(gè)零件上的某個(gè)面實(shí)現(xiàn)同向共面對(duì)齊，它和面貼合的區(qū)別是兩個(gè)面“同向”，也就是兩個(gè)面的法線方向相同，如圖4.11所示。圖4.11對(duì)齊有的CAD系統(tǒng)把圓柱面的中心線的對(duì)齊作為專門的約束而單獨(dú)規(guī)定了一種約束類型，稱為同心或中心對(duì)齊，其原理是一樣的。

4)平行平行約束可以使兩個(gè)零件上的指定的平面生成同向平行聯(lián)系，它規(guī)定了兩個(gè)面平行且朝著同一方向，如圖4.12所示。平行規(guī)定了平面的方向，但并不規(guī)定平面在其垂直方向上的位置。圖4.12平行

5)相切相切是指兩個(gè)曲面以相切的方式相接觸，如圖4.13所示。圖4.13相切

6)角度角度約束在兩個(gè)零件的相應(yīng)對(duì)象之間定義角度約束，使相配合零件具有一個(gè)正確的方位。角度是兩個(gè)對(duì)象的方向矢量的夾角，如圖4.14所示。兩個(gè)對(duì)象的類型可以不同，如可以在面和邊緣之間指定一個(gè)角度約束。上述約束經(jīng)常組合使用，為了達(dá)到所希望的約束程度(如完全約束)，往往要采用上述約束的不同組合。圖4.14角度

3．各種裝配約束的自由度分析使用各種約束將會(huì)減少零件的自由度，每當(dāng)在兩個(gè)零件之間添加一個(gè)裝配約束時(shí)，它們之間的一個(gè)或多個(gè)自由度就被消除了。為了完全約束部件，必須采取不同的約束組合。各種裝配約束對(duì)零件自由度的影響是：

(1)貼合：面的貼合約束去除了1個(gè)移動(dòng)和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；點(diǎn)的貼合約束去除了3個(gè)移動(dòng)自由度；線的貼合約束去除了2個(gè)移動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

(2)對(duì)齊：面的對(duì)齊約束去除了1個(gè)移動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

(3)平行：面的平行約束去除了2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

(4)角度：角度約束去除了1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。其余各不同對(duì)象類型的約束各去除幾個(gè)自由度，讀者可自行分析。

4．零件的約束狀態(tài)由約束的自由度分析可知，任意的單個(gè)約束形式都無(wú)法完全確定零件之間的關(guān)系，零件之間的關(guān)系一般由多個(gè)約束組合形成。當(dāng)一個(gè)零件被約束后，其總體約束狀態(tài)分為3種：

(1)欠約束：當(dāng)對(duì)零件施加約束后，零件的自由度仍然大于零，稱該零件為欠約束狀態(tài)。

(2)完全約束：當(dāng)對(duì)零件施加約束后，零件的自由度等于零，稱該零件為完全約束狀態(tài)。

(3)過(guò)約束：當(dāng)零件已經(jīng)處于完全約束狀態(tài)時(shí)，仍然繼續(xù)對(duì)零件施加約束，則稱該零件為過(guò)約束狀態(tài)。一般情況下，要避免出現(xiàn)過(guò)約束狀態(tài)。但是否要達(dá)到完全約束狀態(tài)，則要視具體情況而定，大部分情況采用完全約束狀態(tài)。4.3.2裝配約束規(guī)劃

1．裝配約束運(yùn)用在某個(gè)零件上施加的約束類型和數(shù)量，決定了零件或裝配模型經(jīng)修改后裝配模型刷新時(shí)的變化結(jié)果。一般情況下，如果零件之間不存在規(guī)定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么零件之間應(yīng)盡量做到完全約束裝配(盡管有時(shí)允許不完全約束裝配的存在)。在施加裝配約束時(shí)注意以下約束習(xí)慣：

(1)按零件在機(jī)器中的物理裝配關(guān)系建立零件之間的裝配順序。

(2)對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，按照運(yùn)動(dòng)的傳遞順序建立裝配關(guān)系。

(3)對(duì)于沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，最好實(shí)現(xiàn)完全約束，要防止出現(xiàn)幾何到位而實(shí)際上欠約束的不確定裝配現(xiàn)象。

(4)按照零件之間的實(shí)際裝配關(guān)系建立約束模型。

(5)優(yōu)先使用平面約束。

(6)優(yōu)先使用實(shí)體表面的約束。

(7)在對(duì)稱的情況下盡量參考對(duì)稱面。

2．部件陣列約束部件陣列是一種在裝配中用對(duì)應(yīng)的約束條件快速生成多個(gè)裝配部件的方法，如要在法蘭盤上裝多個(gè)螺栓，可用約束條件先裝配其中一個(gè)，則其他的螺栓可采用部件陣列的方式，而不必為每一個(gè)螺栓定義約束條件。部件陣列約束有兩種：

(1)利用已有特征陣列建立部件的陣列。

(2)建立部件自身的尺寸驅(qū)動(dòng)陣列。利用已有特征陣列建立部件陣列的方法也稱為基于特征的陣列，常用在螺釘一類的部件裝配中。此時(shí)，螺釘孔一般是以陣列特征的方式建立起來(lái)的一組孔，為了將螺釘裝配到這些孔中，可在孔上安裝其中一個(gè)螺釘，然后指定螺釘和孔陣列中的任一孔建立陣列，即可實(shí)現(xiàn)將一組螺釘和孔陣列中的孔對(duì)應(yīng)裝配起來(lái)，如圖4.15所示。螺釘孔本身由陣列特征構(gòu)成，螺釘參照孔陣列形成裝配的部件陣列。圖4.15環(huán)形特征陣列裝配螺釘基于特征的陣列是關(guān)聯(lián)的，原始陣列中的實(shí)例(如孔)個(gè)數(shù)決定了部件陣列中裝配部件(如螺釘)的個(gè)數(shù)。如果原始陣列中實(shí)例的個(gè)數(shù)發(fā)生改變，那么裝配部件的個(gè)數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生改變；同樣，如果修改了原始特征陣列的位置、距離等參數(shù)，那么裝配部件陣列的位置、距離也會(huì)發(fā)生改變。裝配中部件的尺寸驅(qū)動(dòng)陣列和零件造型中的特征陣列相類似，尺寸驅(qū)動(dòng)陣列由裝配約束尺寸驅(qū)動(dòng)。基于尺寸的驅(qū)動(dòng)陣列分為線性陣列和環(huán)形陣列，線性陣列又可分為一維和二維陣列，二維陣列也稱為矩形陣列。4.4裝配模型的管理與分析4.4.1裝配模型的管理在實(shí)際裝配設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要不斷對(duì)正在裝配的模型進(jìn)行各種管理操作，因此，大多數(shù)CAD系統(tǒng)均提供了裝配模型管理功能。裝配模型的管理通過(guò)裝配樹及裝配導(dǎo)航器窗口進(jìn)行，圖4.16所示為UGⅡ的裝配導(dǎo)航器窗口以及在該窗口中用鼠標(biāo)右鍵單擊后彈出的管理功能菜單。圖4.16UGⅡ的裝配導(dǎo)航器裝配模型的管理主要包括以下內(nèi)容：

1．裝配模型的編輯裝配模型的編輯功能主要有：

(1)查看裝配零件的層次關(guān)系、裝配結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。由于裝配樹瀏覽器本身就是一種目錄結(jié)構(gòu)，因此可以像查看文件目錄樹一樣逐級(jí)了解裝配體的部件及零件構(gòu)成關(guān)系。

(2)查看裝配件中各零件的狀態(tài)?？梢栽谘b配樹瀏覽器中觀察零件的特征樹，以及零件之間的約束記錄。

(3)選擇、刪除和編輯零部件?？梢约せ钛b配樹中的零件，進(jìn)行零件級(jí)的管理，如刪除、移動(dòng)、拷貝和特征編輯。

(4)查看和刪除零件的裝配關(guān)系。對(duì)已經(jīng)約束裝配的零件，可以刪除其約束。

(5)編輯裝配關(guān)系里的有關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)已經(jīng)約束裝配的零件，可以改變約束參數(shù)，如改變平行面之間的距離參數(shù)。

(6)可以顯示零件自由度和部件物性。

2．裝配約束的維護(hù)在修改裝配模型中的部件時(shí)，部件之間的約束關(guān)系并不會(huì)改變，因此，當(dāng)部件的位置或尺寸發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)模型會(huì)刷新，并保證嚴(yán)格的裝配關(guān)系。例如，對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的裝配模型，當(dāng)改變了曲柄的姿態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)裝配約束進(jìn)行維護(hù)，以便調(diào)整每個(gè)部件的位置和姿態(tài)，繼續(xù)保證四桿機(jī)構(gòu)的封閉特征，即始終保持已經(jīng)定義的約束關(guān)系不變。

CAD系統(tǒng)的這種裝配約束維護(hù)功能實(shí)際上是由系統(tǒng)內(nèi)部的約束求解器自動(dòng)完成的，無(wú)須人工參與。4.4.2裝配模型的分析當(dāng)完成機(jī)器的裝配建模后，可以對(duì)該模型進(jìn)行必要的分析，以便了解裝配質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。

1．裝配干涉分析裝配干涉是指零部件之間在空間發(fā)生體積相互侵入的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，因?yàn)橄嗷ジ缮娴牧慵g會(huì)互相侵入，無(wú)法正確安裝，所以在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)缺陷，并予以排除。對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，碰撞現(xiàn)象更為復(fù)雜，因?yàn)檠b配模型中的部件在不斷運(yùn)動(dòng)，部件的空間位置在不斷發(fā)生變化，在變化的每一個(gè)位置都要保證部件之間不發(fā)生干涉現(xiàn)象。目前在CAD系統(tǒng)中，空間干涉分析已成為系統(tǒng)的基本功能。使用時(shí)，只需在裝配模型中指定一對(duì)或一組部件，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算部件的空間干涉情況。若發(fā)現(xiàn)干涉，便會(huì)把干涉位置和干涉體積計(jì)算并顯示出來(lái)，供設(shè)計(jì)人員分析和修改。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的干涉碰撞檢查要復(fù)雜得多，運(yùn)動(dòng)部件的每一個(gè)可能到達(dá)的中間位置的干涉情況都必須逐個(gè)檢查。因此，必須先通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算生成每一個(gè)中間位置的裝配模型，再進(jìn)行該位置的干涉檢查。通常，這種分析要借助專門的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件才能完成。

2．物性分析物性是指部件或整個(gè)裝配件的體積、質(zhì)量、質(zhì)心和慣性矩等物理屬性(簡(jiǎn)稱物性)。這些屬性對(duì)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。但是，依靠人工計(jì)算這些屬性將非常困難，有了計(jì)算機(jī)裝配模型，系統(tǒng)可以方便地計(jì)算部件(零部件)的物理屬性，供設(shè)計(jì)參考。

3．裝配模型的爆炸圖由裝配模型可以自動(dòng)生成它的爆炸場(chǎng)景視圖。在這種視圖中，裝配模型的各個(gè)部件會(huì)以一定的距離分隔顯示，這樣整個(gè)模型就好像炸開了一樣，通過(guò)這種視圖可以直觀、清晰地表達(dá)裝配造型中各個(gè)部件的相互裝配位置關(guān)系。分隔距離可由“爆炸因子”靈活調(diào)整，可以設(shè)置統(tǒng)一的爆炸因子，也可以單獨(dú)對(duì)部件設(shè)置不同的爆炸因子。一個(gè)裝配模型可以生成多幅場(chǎng)景視圖并分別保存?zhèn)溆谩D4.17所示為UG中的爆炸圖。圖4.17裝配輪軸的爆炸圖對(duì)裝配模型爆炸場(chǎng)景的主要操作包括：

(1)建立場(chǎng)景視圖。

(2)刪除場(chǎng)景視圖。

(3)編輯修改爆炸因子，調(diào)整、修改位置間隔距離。

(4)設(shè)置爆炸視圖中部件的可見性。爆炸視圖可以在裝配模型的任何裝配層次上生成，也就是說(shuō)，既可以為整個(gè)裝配模型生成爆炸圖，也可以為其中的某部件生成單獨(dú)的爆炸圖。

4．裝配模型的簡(jiǎn)化在復(fù)雜的裝配建模過(guò)程中，對(duì)裝配模型進(jìn)行簡(jiǎn)化表達(dá)是目前廣泛采用的技術(shù)。使用簡(jiǎn)化表達(dá)可以由用戶決定裝配中的哪些成員零件或哪些特征要調(diào)入內(nèi)存并顯示出來(lái)，從而可減少零件調(diào)入、重建和顯示模型的時(shí)間，而且可有選擇、有重點(diǎn)地顯示用戶關(guān)心的模型結(jié)構(gòu)，提高工作效率和操作的準(zhǔn)確性。不同的CAD軟件所用的簡(jiǎn)化表達(dá)技術(shù)基本相似，主要有以下幾種：

1)包封(Envelope)包封也稱為封套，可以將零件或裝配體作為一個(gè)參考部件存在于裝配體中，它用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型代替復(fù)雜的模型。例如，用戶可以用一個(gè)包封替換一個(gè)復(fù)雜的子裝配體來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化表達(dá)，使設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在某些特定的區(qū)域。

2)壓縮(Suppress)壓縮也稱為抑制，零件為壓縮狀態(tài)時(shí)，零件的數(shù)據(jù)并不調(diào)入到裝配模型，零件的壓縮狀態(tài)在模型重建中不參與計(jì)算，也不顯示，這樣可大量減少對(duì)機(jī)器資源的占用，加快處理速度。

3)引用集(ReferenceSets)引用集是UG中提出的概念，是用戶在零部件中定義的部分被引用的特征數(shù)據(jù)的集合，由它代表零部件參與裝配，使裝配中只裝入零件模型的部分?jǐn)?shù)據(jù)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化表達(dá)的目的。引用集是整個(gè)零件數(shù)據(jù)的子集，引用集一旦產(chǎn)生，就可單獨(dú)裝配到模型中。一個(gè)零部件可以有多個(gè)引用集。最常用的引用集有空引用集(Empty)、整個(gè)部件(EntirePart)、幾何體(Solid)、基準(zhǔn)面(DatumPlane)和草圖(Sketch)等。

4)輕化零件的輕化狀態(tài)是指在裝配中只裝入零件模型的部分?jǐn)?shù)據(jù)，其余的模型數(shù)據(jù)可根據(jù)需要裝入。

5．裝配模型的二維工程圖目前大部分三維CAD系統(tǒng)(UG，PRO/E，SolidWorks等)都可在裝配模型的基礎(chǔ)上自動(dòng)生成二維裝配工程圖，生成的過(guò)程和方法與零件二維圖的生成過(guò)程類似。

6．BOM表生成物料清單(BillofMaterial，簡(jiǎn)稱BOM表)在傳統(tǒng)上可簡(jiǎn)單理解為工程圖中的明細(xì)表，是產(chǎn)品的裝配備料清單。BOM表的生成計(jì)算是從最終產(chǎn)品開始，層層往下推算出部件、零件和材料的需求量。這種推算是沿著產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹層層往下分解的。目前，部分CAD/CAM系統(tǒng)的裝配功能可自動(dòng)生成BOM表。

BOM表是定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)文件，主要包括構(gòu)成產(chǎn)品的各個(gè)部件和零件之間的關(guān)系信息，是聯(lián)系與溝通各業(yè)務(wù)部門的紐帶。物料清單體現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和信息集成，它是接受客戶訂單、選擇裝配、編制生產(chǎn)與采購(gòu)計(jì)劃、配套領(lǐng)料、跟蹤物流、計(jì)算成本、投標(biāo)報(bào)價(jià)和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)等不可少的重要文件。BOM表產(chǎn)生于產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)過(guò)程，是企業(yè)進(jìn)行CAPP和實(shí)現(xiàn)CAM的依據(jù)。4.5裝配設(shè)計(jì)的兩種方法裝配設(shè)計(jì)有兩種典型方法，即自底向上建模(Bottom-up)和自頂向下(Top-down)建模。兩種裝配建模方法各有特點(diǎn)，各有優(yōu)勢(shì)，但自頂向下建模更能反映真實(shí)的設(shè)計(jì)過(guò)程，節(jié)省不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。4.5.1自底向上的裝配設(shè)計(jì)自底向上的設(shè)計(jì)過(guò)程是傳統(tǒng)的CAD/CAM軟件中通常使用的一種裝配設(shè)計(jì)過(guò)程。該過(guò)程模仿實(shí)際機(jī)器的裝配，即把事先制造好的零件裝配成部件，再把零部件裝配成機(jī)器。自底向上裝配設(shè)計(jì)過(guò)程也是這樣，先構(gòu)造好所有的零件模型，再把零件模型裝配成子部件，然后裝配成機(jī)器，產(chǎn)生最終的裝配模型。在自底向上的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)某些零件不符合要求，諸如零件與零件之間產(chǎn)生干涉、某一零件根本無(wú)法進(jìn)行安裝等，就要對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，重新裝配，再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再進(jìn)行修改。從上述過(guò)程可以看出，自底向上裝配設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是思路簡(jiǎn)單，操作快捷、方便，容易被大多數(shù)設(shè)計(jì)人員所理解和接受。同時(shí)，目前市面上的CAD系統(tǒng)都能較好地支持這種裝配設(shè)計(jì)過(guò)程。因此，這種設(shè)計(jì)方法目前應(yīng)用很普遍。但自底向上裝配設(shè)計(jì)過(guò)程的缺點(diǎn)在于事先缺少一個(gè)很好的規(guī)劃和全局的考慮，設(shè)計(jì)階段的重復(fù)工作較多，會(huì)造成時(shí)間和人力資源的浪費(fèi)，工作效率較低。另外，這種設(shè)計(jì)過(guò)程是從零件設(shè)計(jì)到總體裝配設(shè)計(jì)，不支持產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的過(guò)程，零部件之間的內(nèi)在聯(lián)系和約束不完整，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖、功能要求以及許多裝配語(yǔ)義信息都得不到必要的描述。從發(fā)展的眼光看，該方法的局限性是明顯的。4.5.2自頂向下的裝配設(shè)計(jì)自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程是模仿實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程。其過(guò)程為：首先進(jìn)行功能分解，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算將總功能分解成一系列的子功能，確定每個(gè)子功能參數(shù)。其次進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)總的功能及各個(gè)子功能的要求，設(shè)計(jì)出總體結(jié)構(gòu)(裝配)及確定各個(gè)子部件(子裝配體)之間的位置關(guān)系、連接關(guān)系、配合關(guān)系，而各種關(guān)系及其參數(shù)通過(guò)幾何約束或功能的參數(shù)約束求解確定。然后分別對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行功能分解和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直到分解至零件。當(dāng)各零件設(shè)計(jì)完成時(shí)，由于裝配模型約束求解機(jī)制的作用，整個(gè)機(jī)器的設(shè)計(jì)也就基本完成。

1．自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程的特點(diǎn)

(1)自頂向下設(shè)計(jì)可以首先確定各個(gè)子裝配或零件的空間位置和體積、全局性的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)將被裝配中的子裝配和零件所引用。當(dāng)總體參數(shù)在隨后的設(shè)計(jì)中逐漸確定并發(fā)生改變時(shí)，各個(gè)零件和子裝配將隨之改變，這樣就更能發(fā)揮參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

(2)自頂向下設(shè)計(jì)使各個(gè)裝配部件之間的關(guān)系變得更加密切。比如軸與孔的配合，裝配后配鉆的孔等，如果各自分別設(shè)計(jì)，則既費(fèi)時(shí)，又容易發(fā)生錯(cuò)誤，而通過(guò)自頂向下的設(shè)計(jì)，一個(gè)零件上的尺寸發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的零件也將自動(dòng)更新。

(3)自頂向下設(shè)計(jì)方法有利于不同的設(shè)計(jì)人員共同設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)方案確定以后，所有承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)的小組和個(gè)人可以依據(jù)總裝設(shè)計(jì)迅速開展工作，可以大大加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，做到高效、快捷和方便。

2．自頂向下設(shè)計(jì)的步驟

(1)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)，規(guī)劃應(yīng)滿足的功能要求及裝配關(guān)系。

(2)定義大致的裝配結(jié)構(gòu)。把裝配的各個(gè)子裝配勾畫出來(lái)，至少包括子裝配的名稱，形成裝配樹。每個(gè)子裝配可能來(lái)自一個(gè)已有的設(shè)計(jì)，或者僅僅是一個(gè)空部件。

(3)設(shè)計(jì)骨架模型。每個(gè)子裝配都有一個(gè)骨架模型，在三維設(shè)計(jì)空間用它來(lái)確定裝配的空間位置和大小，部件與部件之間的關(guān)系以及簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型。骨架模型包含整個(gè)裝配的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)可以被各個(gè)部件引用，所以骨架模型是裝配設(shè)計(jì)的核心。

(4)將設(shè)計(jì)意圖貫穿到裝配結(jié)構(gòu)中，將設(shè)計(jì)參數(shù)從上層裝配模型逐漸傳遞到下層的部件中。

(5)部件設(shè)計(jì)。根據(jù)傳遞獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)等信息進(jìn)行具體的部件設(shè)計(jì)。部件設(shè)計(jì)可以在裝配中直接進(jìn)行，也可以裝配已經(jīng)預(yù)先完成的部件造型。

(6)設(shè)計(jì)條件的傳遞。在自上而下的設(shè)計(jì)中，相關(guān)的設(shè)計(jì)信息可在不同的裝配部件之間傳遞。由以上過(guò)程可見，該過(guò)程能最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)潛力，減少設(shè)計(jì)實(shí)施階段不必要的重復(fù)工作，使企業(yè)的人力、物力等資源得到充分的利用，有利于提高設(shè)計(jì)效率，減少新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究時(shí)間。4.5.3兩種裝配設(shè)計(jì)方法的比較圖4.18通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明兩種設(shè)計(jì)過(guò)程的不同。現(xiàn)有一個(gè)法蘭蓋裝配到殼體上，兩個(gè)零件之間存在中心孔和螺紋孔的同軸約束要求，法蘭底面與殼體凸臺(tái)面為貼合的裝配約束關(guān)系。自底向上設(shè)計(jì)過(guò)程如圖4.18(a)所示。在該過(guò)程中，先要確定兩個(gè)零件的具體結(jié)構(gòu)及尺寸信息并完成全部詳細(xì)設(shè)計(jì)，再利用裝配功能添加約束，實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)。自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程如圖4.18(b)所示。該過(guò)程先定義好兩個(gè)零件的位置以及它們之間的約束關(guān)系，而具體零件的結(jié)構(gòu)信息是通過(guò)參數(shù)約束關(guān)系傳遞獲得的。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。比如，兩個(gè)零件上各孔軸線位置的同軸約束關(guān)系顯而易見，該約束關(guān)系定義可以從殼體凸臺(tái)參數(shù)約束傳遞得到，操作時(shí)可將法蘭的底面輪廓從與之配合的殼體凸臺(tái)表面直接提取來(lái)完成這種約束關(guān)系的傳遞，同時(shí)還可得到滿足該約束關(guān)聯(lián)關(guān)系的法蘭蓋的特征輪廓線，再通過(guò)簡(jiǎn)單的拉伸便可完成法蘭零件的設(shè)計(jì)。圖4.18兩種設(shè)計(jì)過(guò)程比較在自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)改變上層零件的參數(shù)時(shí)，下層零件的參數(shù)將會(huì)隨之改變。如該例中，凸臺(tái)螺釘孔的個(gè)數(shù)改變?yōu)?個(gè)，則法蘭蓋上螺釘孔也將自動(dòng)完成關(guān)聯(lián)而修改為6個(gè)。自頂向下與自底向上兩種裝配設(shè)計(jì)方法各有特點(diǎn)，分別適用于不同的場(chǎng)合。例如，在開展系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)器的零部件結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)較好，大部分的零件模型已經(jīng)具備，只需要補(bǔ)充部分設(shè)計(jì)或修改部分零件模型，這時(shí)，采用自底向上的裝配設(shè)計(jì)方法就顯得更為方便。而在創(chuàng)新性設(shè)計(jì)中，事先對(duì)零件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)不可能非常明了，設(shè)計(jì)時(shí)總是要從比較抽象籠統(tǒng)的裝配模型開始，邊設(shè)計(jì)邊細(xì)化，邊設(shè)計(jì)邊修改，逐步求精，這時(shí)，就很難開展自底向上的設(shè)計(jì)，而必須采取自頂向下的設(shè)計(jì)方法。自頂向下設(shè)計(jì)始終能把握整體的設(shè)計(jì)情況，著眼于零部件之間的關(guān)系，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、調(diào)整和修改設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，適合于在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中逐步求精，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前，流行的商品化三維CAD/CAM系統(tǒng)已開始部分地支持自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程，如UG、CATIA、Pro/E、SolidWorks等。自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程由于它本身的先進(jìn)性、科學(xué)性和實(shí)用性，已經(jīng)引起了人們廣泛的注意和興趣，成為CAD/CAM裝配建模技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。但就目前階段而言，自頂向下的設(shè)計(jì)無(wú)論在理論上還是在實(shí)踐中，尚需進(jìn)一步研究和探索。而現(xiàn)有的大部分CAD/CAM系統(tǒng)的自頂向下設(shè)計(jì)功能尚不完善。另外，在現(xiàn)階段的CAD裝配設(shè)計(jì)中，上述兩種方法尚無(wú)法截然分開的，可根據(jù)實(shí)際情況綜合應(yīng)用這兩種裝配設(shè)計(jì)方法來(lái)開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)。4.6裝配建模技術(shù)的應(yīng)用裝配建模技術(shù)的具體應(yīng)用隨著系統(tǒng)的不同而略有不同，但是其基本原理、概念和方法是普遍適用的。本節(jié)仍以UG系統(tǒng)為背景，介紹裝配設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用方法和技巧。4.6.1UG軟件裝配功能簡(jiǎn)介

UG提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的裝配建模模塊(UG/AssemblyModeling)，該模塊不但提供完善的自底向上的裝配設(shè)計(jì)功能，并且可支持并行的、自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程。

UG系統(tǒng)提供了一個(gè)主模型的概念，并通過(guò)所建立主模型使系統(tǒng)中的各個(gè)模塊(幾何造型、裝配、有限元分析、加工等)之間共享模型數(shù)據(jù)。這種體系結(jié)構(gòu)允許建立非常龐大的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所共享，團(tuán)隊(duì)成員始終保持與他人并行地工作。在UG中，所有與裝配有關(guān)的選項(xiàng)都在集成環(huán)境的Assembly菜單和圖標(biāo)中，如圖4.19所示。其中，裝配約束條件(MatingConditions)對(duì)話框菜單用來(lái)定義各組件之間的裝配關(guān)系，如圖4.20所示。圖4.19UG的裝配菜單與圖標(biāo)在這個(gè)對(duì)話框中，上部是配對(duì)導(dǎo)航窗口，該窗口中顯示了哪些零件之間所具有的裝配關(guān)系。圖4.20中顯示的XLD與ZHOU10兩個(gè)零件之間具有裝配關(guān)系，裝配關(guān)系由2個(gè)約束關(guān)系所組成，即平面與平面之間的貼合(Mate–平面的→平面的)，兩個(gè)圓柱面之間的同心(Center_1_1-圓柱副→圓柱)。零件之間的約束由裝配約束條件圖標(biāo)定義，如圖4.20下部所示。約束條件的含義如4.3.1節(jié)所述。圖4.20裝配約束條件4.6.2基于UG的自底向上裝配設(shè)計(jì)下面以臺(tái)虎鉗的裝配為例，說(shuō)明自底向上裝配設(shè)計(jì)的應(yīng)用。臺(tái)虎鉗的裝配結(jié)構(gòu)如圖4.21所示。自底向上裝配設(shè)計(jì)的基本步驟如下：

1)零件設(shè)計(jì)構(gòu)造裝配體中所有零件的特征實(shí)體模型。一般這些零件都可單獨(dú)構(gòu)成各自的文件而單獨(dú)保存，這樣做的好處是方便在不同場(chǎng)合下以外部文件引用，每個(gè)零件可以引用一次，也可以引用多次。通過(guò)造型設(shè)計(jì)完成臺(tái)虎鉗的全部零件，如圖4.22所示。圖4.21臺(tái)虎鉗裝配結(jié)構(gòu)

圖4.22臺(tái)虎鉗的全部零件

2)裝配序列規(guī)劃裝配序列規(guī)劃是裝配建模中關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容，主要考慮下列問(wèn)題：

(1)分析整個(gè)裝配體，確定基礎(chǔ)部件和各部件的組成，合理劃分和確定裝配的層次關(guān)系。對(duì)于復(fù)雜機(jī)器，一般均采用按部件劃分成多層次的裝配方案，進(jìn)行裝配數(shù)據(jù)的組織和實(shí)施裝配。對(duì)一些變化很少的通用零部件，事先做成獨(dú)立的子裝配文件，然后采取引入調(diào)用的方式進(jìn)行裝配。

(2)分析部件的引入順序以及部件之間的約束方法，考慮部件的裝配順序。

(3)根據(jù)上述考慮，確定裝配樹。本例中通過(guò)分析、規(guī)劃將臺(tái)虎鉗分為3個(gè)子裝配體，再由其他零件和子裝配體完成整個(gè)臺(tái)虎鉗的裝配。臺(tái)虎鉗的裝配樹如圖4.23所示。圖4.23臺(tái)虎鉗裝配樹

3)裝配操作步驟采用系統(tǒng)提供的裝配菜單和對(duì)話框命令，按照裝配樹的順序，自底向上地逐一完成零部件裝配。這一過(guò)程中的關(guān)鍵是需熟練掌握系統(tǒng)的有關(guān)命令。

(1)構(gòu)造手柄組件子裝配體。手柄組件子裝配體包括：手柄橫桿、手柄球和手柄螺桿。通過(guò)裝配操作，完成的手柄組件子裝配體如圖4.24所示。

(2)構(gòu)造導(dǎo)向桿組件子裝配體。導(dǎo)向桿組件子裝配體包括：導(dǎo)向座、導(dǎo)向桿、螺母套和鎖緊螺母。通過(guò)裝配操作，完成的導(dǎo)向桿組件子裝配體如圖4.25所示。圖4.24手柄組件子裝配體圖4.25導(dǎo)向桿組件子裝配體

(3)構(gòu)造固定爪組件子裝配體。固定爪組件子裝配體包括：固定爪、固定爪鉗口板及兩只連接螺釘。通過(guò)裝配操作，完成的固定爪組件子裝配體如圖4.26所示。

(4)構(gòu)造組合裝配體。將導(dǎo)向桿組件子裝配體和手柄組件子裝配體進(jìn)行裝配操作，完成一個(gè)組合裝配體如圖4.27所示。圖4.26固定爪組件子裝配體

圖4.27組合裝配體

(5)裝配移動(dòng)爪。將移動(dòng)爪裝配到組合裝配體上，如圖4.28所示。安裝移動(dòng)爪鉗口板，如圖4.29所示。圖4.28移動(dòng)爪裝配圖4.29鉗口板裝配

(6)裝配固定爪組件。最后將固定爪組件裝配到裝配體上，即完成整個(gè)臺(tái)虎鉗的裝配，結(jié)果如圖4.30所示。圖4.30臺(tái)虎鉗裝配完成圖

4)裝配管理和修改這里是一個(gè)系統(tǒng)命令的熟練應(yīng)用問(wèn)題，但涉及的命令內(nèi)容更多，技巧性更強(qiáng)。

5)裝配分析在完成了裝配模型之后，采用系統(tǒng)提供的專門命令，開展裝配干涉分析、零部件的物性分析。若發(fā)現(xiàn)干涉碰撞現(xiàn)象或物性表現(xiàn)不理想，則可回到上一步，對(duì)裝配模型進(jìn)行修改。

6)生成工程圖在進(jìn)行裝配分析并得出正確性結(jié)論后，可以采用系統(tǒng)提供的專門命令生成二維裝配工程圖及零件材料表(BOM)。也可通過(guò)爆炸圖工具生成爆炸圖，如圖4.31所示。圖4.31臺(tái)虎鉗裝配爆炸圖4.6.3基于UG的自頂向下裝配設(shè)計(jì)在自頂向下的設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)產(chǎn)品功能要求，確定產(chǎn)品的初步組成并確定各組成零部件之間的裝配約束關(guān)系，完成裝配概念模型的建立與總體裝配骨架草圖的繪制。其次根據(jù)裝配關(guān)系中子裝配的分解，進(jìn)行零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，裝配參數(shù)約束是其核心，上一層裝配體確定的裝配約束都將成為下一層裝配體的設(shè)計(jì)約束，這種約束關(guān)系能夠被最終模型記錄下來(lái)，在后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程和再設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)能自動(dòng)維護(hù)這種約束關(guān)系，從而保持產(chǎn)品模型的一致性。本例介紹以手電鉆傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為對(duì)象，采用UG的WAVE技術(shù)實(shí)現(xiàn)“自頂向下”的裝配設(shè)計(jì)過(guò)程。

1．UG的WAVE技術(shù)

WAVE(What-ifAlternativeValueEngineer)即自動(dòng)推斷的優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，是UG推出的一項(xiàng)針對(duì)產(chǎn)品級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)，它是參數(shù)化造型技術(shù)與系統(tǒng)工程的有機(jī)結(jié)合，提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所需的自頂向下的全相關(guān)產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)環(huán)境。

WAVE的本質(zhì)，就是通過(guò)自頂向下的一系列工程參數(shù)控制，來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)。利用WAVE技術(shù)可將產(chǎn)品的總體裝配設(shè)計(jì)和零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)組成一個(gè)全相關(guān)的整體，當(dāng)總體參數(shù)改變后，產(chǎn)品會(huì)按照原來(lái)設(shè)定的控制結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)性和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，自動(dòng)地更新相關(guān)的零部件，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖和整體性，以適應(yīng)市場(chǎng)的快速變化。

2．手電鉆傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)

(1)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)和傳動(dòng)方案。受外形的要求(尺寸限制)，手槍電鉆傳動(dòng)機(jī)構(gòu)宜采用兩級(jí)行星輪系傳動(dòng)。行星輪系第一級(jí)的行星架轉(zhuǎn)速傳遞到第二級(jí)行星輪，第二級(jí)行星輪系的行星架轉(zhuǎn)速即為手槍電鉆的輸出轉(zhuǎn)速，并確定傳動(dòng)比。總傳動(dòng)比：各級(jí)傳動(dòng)比：從傳動(dòng)的平穩(wěn)性考慮，采用兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)比相同，兩級(jí)行星輪系共用大中心