基于裝配的典型構件快速設計研究

趙希芳

(南京電子技術研究所，南京 210013)

0 引言

由于設計節(jié)奏的加快，設計人員迫切需要借助CAD 系統(tǒng)日臻完善的功能實現(xiàn)產品的快速設計，以提高工作效率。本文論述了基于裝配的典型構件快速設計關鍵技術和方法，介紹了基于裝配的典型構件快速設計系統(tǒng)的實現(xiàn)途徑。

1 基于裝配的CAD 系統(tǒng)

產品是由按照特定的裝配關系裝配在一起的零件集合，產品功能的實現(xiàn)是組成產品的所有零件相互作用的結果［1］。因此，在進行產品CAD 設計時，只有在產品裝配模型基礎上進行零件的詳細設計，才能始終保證產品設計與產品功能需求的一致性，才能提高設計效率。

基于裝配的CAD 系統(tǒng)以實現(xiàn)產品設計功能為目標，建立產品裝配模型，支持對產品裝配模型的修改和完善，用戶在產品裝配模型的指引下進行零件設計。裝配模型是經過一系列裝配操作后具有特定裝配關系的一組零件組成的產品模型。裝配關系是裝配模型的核心，體現(xiàn)了產品的功能，反映了零件之間的相互約束。

基于裝配的設計過程是自頂向下進行的(Topdown），具體的設計流程如下:

(1）根據產品的功能需求，從產品裝配體設計開始，確定產品的組成和形狀;

(2）確定產品各零件間的裝配關系，完成初始裝配模型的建模;

(3）根據裝配關系，把產品分解成不同的零部件;

(4）進行產品零部件的詳細設計;

(5）系統(tǒng)根據裝配關系自動更新零部件，必要時進行裝配干涉檢查或進行運動干涉檢查，確認產品零部件設計的準確性;

(6）形成產品設計輸出。

2 基于裝配的典型構件快速設計

2.1 典型構件

所謂典型構件分為以下幾類:

(1）國標件

該件外形尺寸、使用范圍由國家頒布正式標準進行規(guī)定的，在不同行業(yè)通用的構件，如螺栓等標準緊固件;

(2）企標件或行業(yè)標準件

該件外形尺寸、使用范圍由企業(yè)或同一行業(yè)發(fā)布標準進行規(guī)定的，在同一企業(yè)或行業(yè)內通用的構件;

(3）典型零部件

該件由設計人員從日常設計工作中歸納出的結構上的主要工作特征比較類似的構件［2］。與國標件、企標件和行標件不同的是，典型零部件的結構不是完全類似，也不是事先完全確定的，它們只是實現(xiàn)特定功能的結構特征類似。

上述三類典型構件的共同點就是它們在產品裝配模型中的裝配關系是固定的。在產品結構設計中，典型構件具有數量多、使用頻率高、基本不受產品變型影響的特點。因此，在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中，通過二次開發(fā)將典型構件的裝配關系固化下來，從而實現(xiàn)典型構件的快速裝配和設計?；谘b配的典型構件的快速設計，不僅可以提高產品設計效率，更重要的是設計師可以將主要精力集中在產品關鍵零部件的創(chuàng)新設計上，從而提高產品的設計質量。

在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中，實現(xiàn)典型構件快速設計的基本思想是:運用成組技術將典型構件的固有裝配關系與構件模型組成典型構件復合模型;利用關聯(lián)技術和參數化技術實現(xiàn)典型構件復合模型與其他裝配體的關聯(lián);通過參數化和數據庫技術，實現(xiàn)同類典型構件復合模型的多尺寸實例化。用戶只需選擇典型構件的種類、填入參數具體數值、選擇裝配位置，即可完成典型構件具體實例的快速裝配設計。參數化和數據庫技術是CAD 系統(tǒng)中的常用技術，成組技術和關聯(lián)技術是實現(xiàn)典型構件快速設計的核心。

2.2 成組技術

在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中設計產品的裝配模型時，每個零件都表現(xiàn)為一個由零件本身的結構特征及其裝配關系組成的復合模型，可以用下述五元組來進行描述，即:

Com_M=＜Stru_M ，Ass_rel_up ，Ass_rel_down ，Ass_fea_up ，Ass_fea_down ＞其中，Stru_M 表示零件本身的結構特征，Ass_rel_up 表示零件與上級裝配的裝配關系，Ass_rel_down 表示與下級零件的裝配關系，Ass_fea_up 表示零件與上級裝配體裝配時產生的特征，Ass_fea_down 表示下級零件與該零件裝配時產生的特征。

對于典型構件而言，構件本身的特征是固定的或大部分是固定的。同時，該構件在產品裝配模型中與其上下游裝配、零件的裝配關系是基本固定的，裝配時產生的特征也是固定的。也就是說，典型構件的結構一旦確定，其五元組復合模型就是固定的。因此，采用成組技術，將典型構件在產品裝配模型中的裝配關系和裝配產生的特征等與零件結構模型組成一體，形成典型構件的復合模型。利用復合模型，在裝入典型構件的同時可以自動、快速地完成典型構件的完全裝配及相應裝配特征的生成。

2.3 關聯(lián)技術

在裝配模型中，每個零部件之間都有尺寸和幾何關聯(lián)性，即一個零件的某個尺寸或形狀特征與另一個與之配合的裝配體相關。采用關聯(lián)技術，在零件之間建立尺寸和形狀關聯(lián)，可以實現(xiàn)零件的快速設計。

(1）尺寸關聯(lián)

在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中，某個零件設計時參照了另一個相關零件的尺寸。當被參照零件的尺寸發(fā)生變化時，參照零件中與之相關的尺寸會自動更新。通過尺寸關聯(lián)，既可以減少設計工作量又可以避免遺漏和錯誤。

(2）形狀關聯(lián)

在裝配模型中存在一些由兩個裝配零件作布爾運算產生的裝配形狀特征，這些裝配特征就保證了裝配零件之間的形狀關聯(lián)。只要控制這兩個裝配零件之間的位置關系尺寸，就可以在裝配基體上安裝子裝配零件的位置生成關聯(lián)的裝配特征。

對于典型構件來講，在裝配模型中的尺寸關聯(lián)和形狀關聯(lián)基本是固定的，只是具體關聯(lián)尺寸和位置關系尺寸的數值不同，可以通過參數化尺寸的方法建立典型構件在裝配模型中與裝配基體的關聯(lián)。

3 基于裝配的典型構件快速設計實例

電連接器是電子設備結構設計中的一種常用典型構件。盡管電連接器模型相對比較簡單，但由于使用數量多、頻率高，如果不采用快速設計方法，不僅設計效率低，而且進行裝配更改時十分煩瑣。

電連接器本身的結構相對比較固定，在產品裝配模型中，其復合模型信息也相對固定:在裝配基體上的安裝孔、螺釘固定孔、中英文標識銘牌，安裝時使用的螺釘、螺母、墊圈，與之匹配的插頭(插座）等信息都隨電連接器具體型號的確定而確定。

通過二次開發(fā)，采用成組技術建立電連接器的復合模型，實現(xiàn)電連接器的裝配、裝配基體上的打孔、寫字、安裝固定螺釘/螺母/墊圈等緊固件一次完成。采用關聯(lián)技術，將裝配基體上的打孔、寫字等裝配特征以及固定緊固件等下級構件關聯(lián)在一起，當對電連接器進行移位、刪除等操作時，能實現(xiàn)對關聯(lián)裝配特征和關聯(lián)子裝配體的同步更新。電連接器復合模型的信息結構樹如圖1所示，電連接器快速設計的過程如圖2所示。

圖1 電連接器復合模型信息樹

圖2 電連接器快速裝配

4 結束語

基于裝配的典型構件快速設計以典型構件的功能設計為中心，建立了包含裝配關系和裝配特征在內的典型構件復合模型，在完成典型構件裝配的同時完成裝配基體上與典型構件相關的裝配特征的詳細設計。經實踐證明，開展基于裝配的典型構件快速設計研究，可以簡單、快捷地完成典型構件的相關設計及修改操作，可以減少產品設計中與典型構件相關的設計差錯，是提高設計效率的重要手段。

［1］楊建國.面向裝配的產品CAD 系統(tǒng)研制［J］.機械工業(yè)自動化，1996(2）:12-15.

［2］毛雨輝，蔡良朋.雷達典型結構件快速設計系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.工程圖學學報，2007(2）:6-11.