基于裝配的典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)研究

趙希芳

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210013)

0 引言

由于設(shè)計(jì)節(jié)奏的加快，設(shè)計(jì)人員迫切需要借助CAD 系統(tǒng)日臻完善的功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，以提高工作效率。本文論述了基于裝配的典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)和方法，介紹了基于裝配的典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑。

1 基于裝配的CAD 系統(tǒng)

產(chǎn)品是由按照特定的裝配關(guān)系裝配在一起的零件集合，產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)是組成產(chǎn)品的所有零件相互作用的結(jié)果［1］。因此，在進(jìn)行產(chǎn)品CAD 設(shè)計(jì)時(shí)，只有在產(chǎn)品裝配模型基礎(chǔ)上進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，才能始終保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品功能需求的一致性，才能提高設(shè)計(jì)效率。

基于裝配的CAD 系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能為目標(biāo)，建立產(chǎn)品裝配模型，支持對(duì)產(chǎn)品裝配模型的修改和完善，用戶在產(chǎn)品裝配模型的指引下進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。裝配模型是經(jīng)過(guò)一系列裝配操作后具有特定裝配關(guān)系的一組零件組成的產(chǎn)品模型。裝配關(guān)系是裝配模型的核心，體現(xiàn)了產(chǎn)品的功能，反映了零件之間的相互約束。

基于裝配的設(shè)計(jì)過(guò)程是自頂向下進(jìn)行的(Topdown），具體的設(shè)計(jì)流程如下:

(1）根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，從產(chǎn)品裝配體設(shè)計(jì)開(kāi)始，確定產(chǎn)品的組成和形狀;

(2）確定產(chǎn)品各零件間的裝配關(guān)系，完成初始裝配模型的建模;

(3）根據(jù)裝配關(guān)系，把產(chǎn)品分解成不同的零部件;

(4）進(jìn)行產(chǎn)品零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì);

(5）系統(tǒng)根據(jù)裝配關(guān)系自動(dòng)更新零部件，必要時(shí)進(jìn)行裝配干涉檢查或進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查，確認(rèn)產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性;

(6）形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸出。

2 基于裝配的典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)

2.1 典型構(gòu)件

所謂典型構(gòu)件分為以下幾類:

(1）國(guó)標(biāo)件

該件外形尺寸、使用范圍由國(guó)家頒布正式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定的，在不同行業(yè)通用的構(gòu)件，如螺栓等標(biāo)準(zhǔn)緊固件;

(2）企標(biāo)件或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定的，在同一企業(yè)或行業(yè)內(nèi)通用的構(gòu)件;

(3）典型零部件

該件由設(shè)計(jì)人員從日常設(shè)計(jì)工作中歸納出的結(jié)構(gòu)上的主要工作特征比較類似的構(gòu)件［2］。與國(guó)標(biāo)件、企標(biāo)件和行標(biāo)件不同的是，典型零部件的結(jié)構(gòu)不是完全類似，也不是事先完全確定的，它們只是實(shí)現(xiàn)特定功能的結(jié)構(gòu)特征類似。

上述三類典型構(gòu)件的共同點(diǎn)就是它們?cè)诋a(chǎn)品裝配模型中的裝配關(guān)系是固定的。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，典型構(gòu)件具有數(shù)量多、使用頻率高、基本不受產(chǎn)品變型影響的特點(diǎn)。因此，在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)將典型構(gòu)件的裝配關(guān)系固化下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)典型構(gòu)件的快速裝配和設(shè)計(jì)。基于裝配的典型構(gòu)件的快速設(shè)計(jì)，不僅可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，更重要的是設(shè)計(jì)師可以將主要精力集中在產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)上，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)的基本思想是:運(yùn)用成組技術(shù)將典型構(gòu)件的固有裝配關(guān)系與構(gòu)件模型組成典型構(gòu)件復(fù)合模型;利用關(guān)聯(lián)技術(shù)和參數(shù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)典型構(gòu)件復(fù)合模型與其他裝配體的關(guān)聯(lián);通過(guò)參數(shù)化和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同類典型構(gòu)件復(fù)合模型的多尺寸實(shí)例化。用戶只需選擇典型構(gòu)件的種類、填入?yún)?shù)具體數(shù)值、選擇裝配位置，即可完成典型構(gòu)件具體實(shí)例的快速裝配設(shè)計(jì)。參數(shù)化和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是CAD 系統(tǒng)中的常用技術(shù)，成組技術(shù)和關(guān)聯(lián)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)的核心。

2.2 成組技術(shù)

在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中設(shè)計(jì)產(chǎn)品的裝配模型時(shí)，每個(gè)零件都表現(xiàn)為一個(gè)由零件本身的結(jié)構(gòu)特征及其裝配關(guān)系組成的復(fù)合模型，可以用下述五元組來(lái)進(jìn)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(jié)構(gòu)特征，Ass_rel_up 表示零件與上級(jí)裝配的裝配關(guān)系，Ass_rel_down 表示與下級(jí)零件的裝配關(guān)系，Ass_fea_up 表示零件與上級(jí)裝配體裝配時(shí)產(chǎn)生的特征，Ass_fea_down 表示下級(jí)零件與該零件裝配時(shí)產(chǎn)生的特征。

對(duì)于典型構(gòu)件而言，構(gòu)件本身的特征是固定的或大部分是固定的。同時(shí)，該構(gòu)件在產(chǎn)品裝配模型中與其上下游裝配、零件的裝配關(guān)系是基本固定的，裝配時(shí)產(chǎn)生的特征也是固定的。也就是說(shuō)，典型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)一旦確定，其五元組復(fù)合模型就是固定的。因此，采用成組技術(shù)，將典型構(gòu)件在產(chǎn)品裝配模型中的裝配關(guān)系和裝配產(chǎn)生的特征等與零件結(jié)構(gòu)模型組成一體，形成典型構(gòu)件的復(fù)合模型。利用復(fù)合模型，在裝入典型構(gòu)件的同時(shí)可以自動(dòng)、快速地完成典型構(gòu)件的完全裝配及相應(yīng)裝配特征的生成。

2.3 關(guān)聯(lián)技術(shù)

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

(1）尺寸關(guān)聯(lián)

在基于裝配的CAD 系統(tǒng)中，某個(gè)零件設(shè)計(jì)時(shí)參照了另一個(gè)相關(guān)零件的尺寸。當(dāng)被參照零件的尺寸發(fā)生變化時(shí)，參照零件中與之相關(guān)的尺寸會(huì)自動(dòng)更新。通過(guò)尺寸關(guān)聯(lián)，既可以減少設(shè)計(jì)工作量又可以避免遺漏和錯(cuò)誤。

(2）形狀關(guān)聯(lián)

在裝配模型中存在一些由兩個(gè)裝配零件作布爾運(yùn)算產(chǎn)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(guān)聯(lián)。只要控制這兩個(gè)裝配零件之間的位置關(guān)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(guān)聯(lián)的裝配特征。

對(duì)于典型構(gòu)件來(lái)講，在裝配模型中的尺寸關(guān)聯(lián)和形狀關(guān)聯(lián)基本是固定的，只是具體關(guān)聯(lián)尺寸和位置關(guān)系尺寸的數(shù)值不同，可以通過(guò)參數(shù)化尺寸的方法建立典型構(gòu)件在裝配模型中與裝配基體的關(guān)聯(lián)。

3 基于裝配的典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)實(shí)例

電連接器是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一種常用典型構(gòu)件。盡管電連接器模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但由于使用數(shù)量多、頻率高，如果不采用快速設(shè)計(jì)方法，不僅設(shè)計(jì)效率低，而且進(jìn)行裝配更改時(shí)十分煩瑣。

電連接器本身的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較固定，在產(chǎn)品裝配模型中，其復(fù)合模型信息也相對(duì)固定:在裝配基體上的安裝孔、螺釘固定孔、中英文標(biāo)識(shí)銘牌，安裝時(shí)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(hào)的確定而確定。

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，采用成組技術(shù)建立電連接器的復(fù)合模型，實(shí)現(xiàn)電連接器的裝配、裝配基體上的打孔、寫(xiě)字、安裝固定螺釘/螺母/墊圈等緊固件一次完成。采用關(guān)聯(lián)技術(shù)，將裝配基體上的打孔、寫(xiě)字等裝配特征以及固定緊固件等下級(jí)構(gòu)件關(guān)聯(lián)在一起，當(dāng)對(duì)電連接器進(jìn)行移位、刪除等操作時(shí)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)聯(lián)裝配特征和關(guān)聯(lián)子裝配體的同步更新。電連接器復(fù)合模型的信息結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖1所示，電連接器快速設(shè)計(jì)的過(guò)程如圖2所示。

圖1 電連接器復(fù)合模型信息樹(shù)

圖2 電連接器快速裝配

4 結(jié)束語(yǔ)

基于裝配的典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)以典型構(gòu)件的功能設(shè)計(jì)為中心，建立了包含裝配關(guān)系和裝配特征在內(nèi)的典型構(gòu)件復(fù)合模型，在完成典型構(gòu)件裝配的同時(shí)完成裝配基體上與典型構(gòu)件相關(guān)的裝配特征的詳細(xì)設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)踐證明，開(kāi)展基于裝配的典型構(gòu)件快速設(shè)計(jì)研究，可以簡(jiǎn)單、快捷地完成典型構(gòu)件的相關(guān)設(shè)計(jì)及修改操作，可以減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)中與典型構(gòu)件相關(guān)的設(shè)計(jì)差錯(cuò)，是提高設(shè)計(jì)效率的重要手段。

［1］楊建國(guó).面向裝配的產(chǎn)品CAD 系統(tǒng)研制［J］.機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化，1996(2）:12-15.

［2］毛雨輝，蔡良朋.雷達(dá)典型結(jié)構(gòu)件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2007(2）:6-11.