第6章 装配造型.docx
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第6章装配造型
第一篇第6章装配造型
在零件造型完成以后，根据设计意图将不同零件组织在一起，形成与实际产品装配相一致的装配结构以供设计者分析评估，这种方法称为装配造型（Assemb1yModeling）。
通过参数化方法将零件组装成装配与用参数化方法将特征组装成零件的过程非常相似。
但是组织大型的复杂装配绝不仅仅是零件的简单组合，它需要提供特殊的技术来提高工作效率，这些技术包括简化表达、模型替换、自上而下的设计等。
CAD系统提供的装配功能不仅能快速组合零部件成产品，而且在装配中，可参照其它部件进行部件关联设计，并可对装配模型进行间隙分析、重量管理等操作。
装配模型生成后，可建立爆炸视图，并可将其引入到装配工程图中；同时，在装配工程图中可自动产生装配明细表，并能对轴测图进行局部剖切。
本章主要介绍一般CAD系统中基本装配造型的实现和使用方法。
6.1装配造型基本理论
在大多数CAD／CAM系统中，有2种不同的装配模式：
多组件装配和虚拟装配。
1多组件装配
该装配模式是复制零件的所有数据到装配中，装配中的零件与所引用的零件没有关联性。
当零件修改时，不会反应到装配中，因此，这种装配属非智能装配。
同时，由于装配时要引用所有零件，需占用较大的内存空间，影响装配工作速度。
2虚拟装配
该装配模式是利用零件链接关系建立装配。
该装配模式有如下优点：
●由于是链接零件而不是复制零件到装配，因此，装配时要求的内存空间少。
●装配中不需编辑的下层零件可简化显示，提高了显示速度。
●当组成装配的零件修改时，装配会自动更新。
因此，目前主流的CAD软件都采用虚拟装配模式进行装配建模，它通过使用指针虚拟链接零件，而不是使用零件中的实际几何体，这样可以保持主模型和其他应用之间的关联性，便于向任何一个零件文件中添加新零件构成装配。
6.1.1装配模型的表示
装配造型就是将不同的零部件用一定的方法组合在一起，形成装配结构。
一个复杂产品可以看成是由多个部件所组成，每个部件又可以根据复杂程度的不同继续划分为下一级的子部件，如此类推，直至零件。
这就是对产品的一种层次描述，采用这种描述可以为产品的设计、制造和装配带来很大的方便。
同样地，产品的计算机装配模型也可以表示成这种层次关系，如图1.6.1所示。
1．部件
组成装配的基本单元叫部件（Component）。
—个装配是由一系列部件按照一定的约束关系组合在—起的。
部件是一个包封的概念，—个部件可以包含一个零件或一个子装配，甚至可以什么都不包含，也就是空部件。
部件可以任意嵌套。
部件既可以在当前的装配文件中创建，也可以在外部装配模型文件中创建，然后引用到当前文件中来。
特征
图1.6.1装配结构
2．根部件
根部件（RootComponent）是装配模型的最顶层结构，也是装配模型的图形文件名。
当创建一个新装配模型文件时，根部件就自动产生，此后引入该图形文件的任何零件都会跟在该根部件之后。
注意，根部件不是一个具体零部件，而是一个装配体的总称。
3．基部件
基部件（BaseComponent）是放到装配中的第一个部件，它和零件造型中的基特征非常相似。
基部件不能被删除或者禁止，不能被阵列，也不能变成附加部件。
它是装配模型的最上层部件，其后引用的各个零部件在装配树中都要依次向后排列。
基部件在装配模型中的自由度为零，无须施加任何装配约束（因为是第一个零件，也无法施加约束），因此，在装配模型中，它是默认不动的。
4．子装配
子装配（Subassembly）本身也是装配。
子装配是由一系列零件装配而形成的附属于大装配体的一种较小的装配体，它是装配模型中逻辑上附属于上层体系的—种零件组。
在更高一层的装配中，它将作为—个部件被装配。
合理地使用子装配对于大型装配有重要意义。
5．装配树
所有的部件添加在基部件上面，形成一个树状的结构叫做装配树。
整个装配建模的过程可以看成是这棵装配树的生长过程，即从树根开始，生长出一个一个的子树枝（部件），每个子树枝再生长出子树枝（子部件），直至最后长出叶子（零件）。
这样，在—棵装配树中就记录了零部件之间的全部结构关系，以及零部件之间的装配约束关系。
用户可以从装配树中选取装配部件，或者改变装配部件之间的关系。
装配树与零件造型中的特征树功能相仿，如图1.6.2所示。
图1.6.2装配树
6．部件样本
在实际的设计中，一个零件有可能在装配模型中使用多次，这时可以对该零件制作多个拷贝，这样的拷贝被称为部件样本（Instance），习惯上把部件样本的使用称为部件引用。
部件样本有以下重要性质：
1当在同一个装配模型中需要多次引用同一个零件时，例如要在当前装配模型中的六个不同的地方用到相同的螺栓和螺母，这时只需要在模型系统中存储一个该零件的图形文件即可，这样就大大减少了模型占用的磁盘空间。
2当对某个零件定义进行修改时，所有引用过该部件样本的装配模型都会自动刷新，无须逐个修改，从而大大减少了工作量，同时避免了因为修改遗漏所带来的错误。
3相同的零件可能应用到不同的装配文件中，在不同的装配模型中采用外部引用的方式，不需要重复构造就可以在文件之间反复引用。
6.1.2装配约束
参数化的装配造型根据实际的装配过程建立不同部件之间的相对位置关系。
一般通过装配约束、装配尺寸和装配关系式等手段将部件组织到装配中。
装配约束是最重要的装配参数。
有些系统把约束和尺寸共同参与装配的操作也归人装配约束。
实际上，装配建模的过程可以看成是对零件的自由度进行限制的过程，因为机器中的大部分零部件是不允许随便运动的（运动部件除外）。
限制零件自由度的主要手段是对零件施加各种约束，通过约束来确定两个零件或多个零件之间的相对位置关系以及它们的相对几何关系。
因此，学习装配建模的关键是理解并应用各种装配约束方法以及相关的操作命令。
6.1.2.1零件自由度分析
刚体零件的运动自由度DOF（DegreeofFreedom）描述了零件运动的灵活性，自由度越大，零件运动越灵活。
三维空间中一个自由零件的自由度是6个，即3个绕坐标轴的转动和3个绕坐标轴的移动，此时，该零件能够运动到空间的任何位置，见图1.6.3a。
但是，当给零件的运动施加—系列限制时，零件运动的自由度将减少，例如，规定该零件的下表面必须在XY面上，此时零件就只能在该平面内作平面运动，它的DOF就减少到3个：
2个移动（沿X，Y轴）和1个转动（绕Z轴），见图1.6.3b。
如果继续规定该零件的一个侧面不能离开XZ面，此时零件就只能沿X轴作移动了，DOF减少到1个，见图1.6.3c。
如果再规定该零件的一个角点不能离开原点，那么该零件就不能运动，其DOF等于0，见图1.6.3d，此时零件就完全固定在该坐标系中了。
由此可见，空间任意零件的自由度在0～6之间变化，当一个零件的自由度为0时，称之为完全定位。
aDOF=6bDOF=3cDOF=1dDOF=0
图1.6.3零件的自由度
6.1.2.2装配约束类型
在装配造型中经常使用的装配约束类型有下面几类：
1）贴合
贴合约束是一种最常用的装配约束，它可以对所有类型的物体进行定位安装。
使用贴合约束可以使一个零件上的点、线、面与另一个零件上的点、线、面贴合在一起，即俗称的“共点”、“共线”、“共面”等。
使用该装配类型时要求两个对象是同类型的，例如，对于平面对象，它们共面且法线方向相反，如图1.6.4a所示；对于圆锥面，要求角度相等，并对齐其轴线，如图1.6.4b所示。
ab
图1.6.4贴合约束
2）对齐
使用对齐约束可以使两个零件产生共面或共线位置关系。
当对齐平面时，使两个表面共面且法线方向相同，如图1.6.5a所示；当对齐圆柱、圆锥和圆环等对称实体时，是使其轴线相一致，如图1.6.5b所示。
当对齐边缘和线时，是使两者共线。
ab
图1.6.5对齐约束
3）角度
该装配约束类型是在两个对象间定义角度尺寸，用于约束相配组件到正确的方位上。
角度约束可以在两个具有方向矢量的对象间产生，角度是两个方向矢量的夹角。
这种约束允许配对不同类型的对象，例如可以在面和边缘之间指定一个角度约束。
角度约束有两种类型：
平面角度和三维角度。
平面角约束需要一根转轴，两个对象的方向矢量与其垂直。
如图1.6.6所示组件，当角度值为零时，两个配对组件的矢量方向相同。
图1.6.6角度约束
4）平行
平行约束使一个零件上的线或面（有方向性）与另一个零件上的线或面（方向相同）实现平行对正，如图1.6.7所示。
图1.6.7平行约束
5）正交
该约束类型约束两个对象的方向矢量彼此垂直。
6）中心
该约束类型约束两个对象的中心，使其中心对齐，如图1.6.8所示。
图1.6.8中心约束
7）距离
距离约束用于指定两个相配对象间在三维空间的的最小距离，此距离被称为偏移量。
偏移量可以像尺寸一样被修改，它可以是正数，也可以是负数，还可以是0，如图1.6.9所示。
偏移量为0时该约束和贴合约束相同，也就是说，距离约束可以转化为贴合，而贴合不能转化为距离约束。
图1.6.9距离约束
6.1.2.3装配约束/实体对应矩阵
确定两个部件的相对位置，主要是依据部件上的表面、边线、角点、轴线、中心点、对称面等几何要素进行定位。
这些定位要素根据几何特点可以分为以下几种：
（1平面（包括实体的表面和基准面）；
（2曲面（主要指三维空间不在同一个平面内的曲面）；
（3直线（包括基准轴）；
（4曲线（指空间曲线，如在同一个平面内则具有平面的定位属性）；
（5点（实体的顶点、中心点、曲线端点）。
这些定位要素之间的约束关系如表1.6.1所示。
注意不同的装配造型软件其装配约束类型各有不同。
表1.6.1装配约束/实体对应表
点
线
圆
平面
圆柱面
球面
圆锥面
圆环面
点
贴合对齐距离
线
贴合对齐距离
除相切
适合所有约束
圆
贴合对齐中心距离相切
适合所有约束
适合所有约束
平面
贴合对齐中心距离
除相切
适合所有约束
适合所有约束
除相切
适合所有约束
圆柱面
贴合对齐中心距离相切
适合所有约束
适合所有约束
适合所有约束
适合所有约束
球面
贴合对齐中心距离
相切
贴合对齐中心距离
相切
贴合对齐中心距离
相切
贴合对齐中心距离
相切
贴合对齐中心距离
相切
贴合对齐中心距离
相切
圆锥面
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
圆环面
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
贴合对齐中心距离
6.1.2.4装配约束规划
使用各种约束将会减少零件的自由度，每当在两个零件之间添加一个装配约束，它们之间的一个或多个自由度就被消除了，例如，贴合约束中的共点约束去除了3个移动自由度，共线约束去除2个移动和2个转动自由度，共面约束去除了1个移动和2个旋转自由度；对齐约束去除了1个移动和2个转动自由度，等等。
由装配约束的自由度分析可知，任意的单个约束形式都无法完全确定零件之间的关系，一般情况下，一个部件的定位往往需要添加几个约束，才能确定其位置。
为了完全约束零件，必须采取不同的约束组合。
在添加约束的过程中，要注意以下问题：
（1先后添加的约束不能矛盾；
（2优先使用平面约束；
（3优先使用实体表面的约束；
（4对称的情况下尽量参考对称面。
在施加约束时，计算机会提供相应的提示。
要避免出现过约束状态，即零件已经处于完全约束状态，仍然继续添加约束。
CAD系统一般不允许过约束状态，但是否要达到完全约束状态则要视具体情况而定。
6.2装配造型的一般方法
在进行产品的装配设计时，有两种典型的方法，即“自底向上”的装配设计方法和“自顶向下”的装配设计方法。
“自底向上”的装配设计方法是一种模仿实际产品的装配过程的方法，即把事先制造好的零件装配成部件，再把零部件装配成产品。
计算机辅助装配时也可以这样，先构造好所有的零件模型，然后把零件模型装配成子部件，最后装配成产品。
这种方法由最底层的零件开始展开装配，并逐级向上进行装配建模，最后得到的产品位于装配模型的最上层。
另一种截然相反的方法是模仿产品的开发过程，即先定义产品的整体外形和功能，再一级一级划分出产品的部件和子部件，并大致确定部件的结构和尺寸，一直到最底层的零件。
在部件和零件的划分中，产品的整体功能同时一级一级地分解到这些零部件中实现。
然后，在划分的零部件的外形和子功能的控制下进行零件的详细设计，当零件设计完成了，产品的设计也基本完成了，称这种装配建模方法为“自顶向下”的装配。
两种装配设计方法各有所长，并各有其应用场合。
例如，在开展系列化、标准化产品设计时，产品的零部件结构相对稳定，零件设计基础较好，大部分的零件模型已经具备，只需要补充部分设计或修改部分零件模型，这时，采用自底向上的装配设计方法就比较恰当。
而在产品创新设计中，事先零件结构细节不可能非常具体，设计时总是从比较抽象的装配模型开始，边设计边细化边修改，逐步求精，这时，就很难开展自底向上的设计，而必须采取自顶向下的设计方法。
自顶向下的设计方法使设计人员能有效地把握产品整体的设计情况，一直着眼于零部件之间的关系，并且能够及时地发现、调整和修改设计中的问题。
采取这种逐步求精的设计方法能实现设计的一次成功，提高设计效率，提高设计质量。
当然，两种方法不是截然分开的，完全可以根据实际情况综合应用这两种装配设计方法来开展产品设计，这就是所谓的混合装配设计方法。
在实际设计中，混合装配方法有更大的灵活性和更大的运用范围。
6.2.1自底向上的设计
装配建模过程是建立零部件装配关系的过程。
对数据库中己存的系列产品零件，标准件以及外购件可通过从底向上的设计方法加入到装配件中来。
6.2.1.1零件设计
利用零件造型中介绍的方法，构造装配体中的所有零件的实体模型，这些零件可以在同一个文件中构造，也可以分成多个文件构造。
对较复杂的设计对象，建议根据功能或结构的不同特点，分多个文件进行零件模型的构造。
对于一些通用的零部件，采用单独文件保存，以便在不同场合下以外部文件引用方式进行调用。
6.2.1.2装配规划
装配规划是装配建模中最关键的内容之一，规划结果将直接影响装配模型的建立。
装配规划的主要步骤如下：
1为新的装配模型取名（即创建根部件）；
2分析确定基部件。
由于基部件自由度默认为零，因此，应该把产品中实际的基础零件作为基部件。
3分析部件的引入顺序，以及部件之间的约束方法。
一般的装配体都是由许多零部件组成，因此，考虑部件的装配顺序时应注意以下方面：
①按零件在机器中的物理装配关系建立零件之间的装配顺序；②对于运动机构，按照运动的传递顺序建立装配关系；③对于没有相对运动的零件，最好实现完全约束，要防止出现几何到位而实际上欠约束的不确定装配现象；④按照零件之间的实际装配关系建立约束模型。
4考虑是否建立子装配体。
对复杂产品，建议采用按部件划分成多层次的装配方案，进行装配数据的组织和实施装配，特别是对一些变化很少的通用零部件，事先生成独立的子装配，然后采取外部引用的方式调进装配模型。
当需要修改零部件时，可以打开相关子装配，在较小规模的数据文件中进行修改。
5全面考虑模型的参数化方案。
为了建立一个灵活的、易于修改的、参数化的装配模型，除了考虑零件的参数方案之外，还应该考虑整个产品的参数化方案。
6.2.1.3装配操作
在上述准备工作基础上，采用CAD系统提供的装配命令，逐一把零部件装配成装配模型。
常用的装配操作有下面一些。
1）添加自底向上装配有两种添加部件到装配的方式，第一种是按绝对定位方式添加组件到装配，第二种是按装配约束方式添加组件到装配。
绝对方式是在装配空间的绝对坐标系中指定一个点来安放部件，用户可以在以后再添加约束条件。
2）删除从装配中删除部件。
3）替换用一个部件替换已添加到装配中的另一个部件。
用户可以选择是否替换部件时保持装配关系。
如果是，此操作先在装配中移去零件，并在原来位置加入一个新零件。
系统将保留原来零件的装配条件，并沿用到替换的零件上，使替换的零件与其它零件构成装配关系。
4抑制与解除抑制抑制是在当前显示中移去部件，使其不执行装配操作。
部件抑制后它不在视区中显示，也不会在装配工程图和爆炸视图中显示。
抑制部件不能进行干涉检查和间隙分析，不能进行重量计算，也不能在装配报告中查看有关信息。
但这个操作可以节省时间和内存空间，对于大型装配比较有利。
如果被抑制的部件带有子部件，用户可以冻结这些部件。
冻结的部件可以用下列办法解冻，那就是恢复其父部件，或重定位改变特征的父子关系。
如果用户不愿意冻结被抑制部件的子部件，唯一的办法只能是删除它们。
需要注意的是，抑制部件并不是删除部件，部件的数据仍然在装配中存在，只是不执行一些装配功能，可以用解除抑制操作恢复部件原来的状态。
5重定位重新指定一个部件的位置参考。
6阵列部件阵列是一种在装配中用对应装配约束条件快速生成多个部件的方法。
例如要在法兰盘上装多个螺栓，可用装配约束条件先装其中一个，其它螺栓的装配可采用部件阵列的方式，而不必去为每一个螺栓定义装配条件。
阵列部件是模板部件的一个实例，所有实例都与模板部件关联。
任何部件可以指定为模板部件，阵列后也可重新指定模板。
如果重新指定模板部件，不会影响基于它的其它部件，只对以后生成的部件有影响。
如果移去部件中的模板，系统会自动指定一个新的模板。
部件阵列的类型有2种：
①基于特征的阵列。
②主部件阵列，包括线性阵列和环形阵列。
基于特征的阵列是根据模板部件的装配约束，生成各部件的装配约束。
因此，模板部件必须要有装配约束。
同时，基础部件上与模板部件相配对的特征，应按阵列方式产生。
基于特征的阵列是关联的，如果放置阵列部件的基础部件发生变化，则装配到其上的部件也会改变。
例如在基础部件上增加、删除特征的个数、改变特征的位置，都会影响阵列部件的个数和位置。
线性阵列又分为一维阵列和二维阵列。
一维阵列又称线性阵列，二维阵列又称矩形阵列。
环形阵列的定义方法与线性阵列基本相同，唯一差别是指定阵列的方向不同，线性阵列是指定X、Y方向，而环形阵列是指定阵列的中心轴。
6.2.1.4装配管理和修改
CAD系统一般都提供了图形窗口来管理装配树。
在装配中，每个部件在装配树上显示为一个节点，使用装配图形窗口能清楚地表达装配关系，它提供了一种在装配中选择部件和操作部件的简单方法。
因此，结合装配树和装配图形窗口，可以方便地对装配模型进行管理。
装配管理主要包括以下内容；
1查看装配零件的层次关系、装配结构和状态。
由于装配树浏览器本身就是一种目录结构，可以像查看文件目录树一样逐级了解装配体的部件及零件构成关系。
2查看装配件中各零件的状态。
可以在装配树浏览器中观察到零件的特征树，以及零件之间的约束记录。
3选择、删除和编辑零部件。
可以激活装配树中的零件，进行零件级的管理，例如删除、移动、拷贝和特征编辑。
4查看和删除零件的装配关系。
对已经约束装配的零件，可以删除其约束。
5编辑装配关系里的有关数据。
对已经约束装配的零件，可以改变约束参数，例如改变平行面之间的距离参数。
6还可以显示零件自由度和显示零件物性。
注意，在对装配造型中的部件进行编辑修改时，该部件的变化不仅仅会体现在本装配模型的变化，当修改的部件已经被定义为外部文件时，凡是引用了该部件的其它装配模型也会自动修改。
但是，在装配模型中无法直接修改外部部件，而必须进人外部部件的定义文件中进行修改。
常见的装配修改方法也有多种，具体如下：
1修改装配中的部件
可以修改装配中每个部件的尺寸，也可以在装配中选择一个零件来添加、删除它的特征。
如果在装配模式下对部件作了修改，相关的零件和工程图会自动更新。
2部件和装配的命名
在装配中可以给部件命名，以便帮助记忆和查找。
3装配部件的重构
使用装配部件的重构可以把部件从一个子装配移到另一个子装配，或者从装配最高层移到子装配层，或者反过来进行。
6.2.1.5装配分析
当完成产品的装配建模之后，可以对该模型进行一些必要分析，以便了解设计质量，发现设计中的问题。
主要的分析包括装配干涉分析和物性分析。
1．装配干涉分析
装配干涉是指零部件之间在空间发生体积相互侵入的现象，这种现象将严重影响产品设计质量，因为相互干涉的零件之间会互相碰撞，无法正确安装，因此在设计阶段就必须发现这种设计缺陷，并予以排除。
对运动机构，碰撞现象更为复杂，因为装配模型中的构件在不断运动，构件的空间位置在不断发生变化，在变化的每一个位置都要保证构件之间不发生干涉现象。
CAD系统的干涉分析功能已经是一种基本功能，只需要在装配模型中指定一对或一组部件，系统将自动计算部件的空间干涉情况。
若发现干涉，会把干涉位置和干涉体积计算并显示出来，这时，就必须对设计进行修改。
2．物性分析
物性是指部件或整个装配体的体积、质量、质心和惯性矩等物理属性。
这些属性对设计具有重要的参考价值，但是依靠人工计算这些属性将非常困难，有了计算机装配模型，系统可以方便地计算零部件的物理属性供设计参考。
6.2.1.6生成工程图
装配设计的最后步骤是生成装配爆炸图、二维装配工程图及零件明细表。
具体的步骤见第4节的介绍。
6.2.2自顶向下的设计
采用自顶向下的设计方法，首先要进行总体设计，然后将总体原则贯穿到所有的子装配或者部件中。
这种设计方法非常适合于复杂的大型装配，具有多方面的优点。
在自顶向下的设计中可以首先申明各个子装配或零件的空间位置和体积，设定全局性的关键参数，这些参数将被装配中的子装配和零件所引用。
当总体参数在随后的设计中逐步确定并发生改变时，各个零件和子装配将随之改变，这样更能发挥参数化设计的优越性。
自顶向下的设计使得各个装配部件之间的关系变得更加密切，例如轴与孔的配合，装配后配钻的孔，如果各自分别设计，既费时又容易发生错误。
通过自顶向下的设计，一个零件上的尺寸发生变化，对应的零件也将自动发生变化。
自顶向下的设计方法有利于不同的设计人员共同参与设汁。
在设计总体方案确定以后，所有承担设计任务的小组和个人就可以依据总装设计迅速开展工作，可以大大加快设计进程，做到高效、快捷和方便。
一般而言，自顶向下的设计需要经过下列基本步骤：
（1确定设计要求
产品的设计要求如产品的设计目的、产品的功能要求、必要的子装配、子装配与其他装配的关系、哪些设计将可能变动、有无可参考的设计等，必须在设计前确定下来。
这些要求—般会在设计指导书中申明。
（2定义大致的装配结构
这一步要把装配的各个子装配勾画出来，至少包括子装配的名称，形成装配树。
每个部件可能来自一个已有的设计，或者仅仅包括定位基准面甚至为空部件，不过随后就可以进行细化。
这些结构是产品总设计师设计并维护的，其结果将公布给所有其他参加设计的人员。
（3设计骨架模型
每一个子装配都有一个骨架模型，用来在三维设计空间确定装配的空间位置和大小，部件与部件之间的关系以及简单的机构运动模型。
骨架模型包含整个装配的重要的设计参数，这些参数可以被各个部件引用，所以骨架模型是装配设计的核心。
（4部件级设计与装配
当获得所需要的设计信息以后，就可以着手具体的部件设计了，部件设计可以在装配环境中直接进行，也可以装配已经预先完成的零部件。
采取由粗到精的策略，首先设
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