基于装配的典型构件快速设计研究

赵希芳

(南京电子技术研究所，南京 210013)

0 引言

由于设计节奏的加快，设计人员迫切需要借助CAD 系统日臻完善的功能实现产品的快速设计，以提高工作效率。本文论述了基于装配的典型构件快速设计关键技术和方法，介绍了基于装配的典型构件快速设计系统的实现途径。

1 基于装配的CAD 系统

产品是由按照特定的装配关系装配在一起的零件集合，产品功能的实现是组成产品的所有零件相互作用的结果［1］。因此，在进行产品CAD 设计时，只有在产品装配模型基础上进行零件的详细设计，才能始终保证产品设计与产品功能需求的一致性，才能提高设计效率。

基于装配的CAD 系统以实现产品设计功能为目标，建立产品装配模型，支持对产品装配模型的修改和完善，用户在产品装配模型的指引下进行零件设计。装配模型是经过一系列装配操作后具有特定装配关系的一组零件组成的产品模型。装配关系是装配模型的核心，体现了产品的功能，反映了零件之间的相互约束。

基于装配的设计过程是自顶向下进行的(Topdown），具体的设计流程如下:

(1）根据产品的功能需求，从产品装配体设计开始，确定产品的组成和形状;

(2）确定产品各零件间的装配关系，完成初始装配模型的建模;

(3）根据装配关系，把产品分解成不同的零部件;

(4）进行产品零部件的详细设计;

(5）系统根据装配关系自动更新零部件，必要时进行装配干涉检查或进行运动干涉检查，确认产品零部件设计的准确性;

(6）形成产品设计输出。

2 基于装配的典型构件快速设计

2.1 典型构件

所谓典型构件分为以下几类:

(1）国标件

该件外形尺寸、使用范围由国家颁布正式标准进行规定的，在不同行业通用的构件，如螺栓等标准紧固件;

(2）企标件或行业标准件

该件外形尺寸、使用范围由企业或同一行业发布标准进行规定的，在同一企业或行业内通用的构件;

(3）典型零部件

该件由设计人员从日常设计工作中归纳出的结构上的主要工作特征比较类似的构件［2］。与国标件、企标件和行标件不同的是，典型零部件的结构不是完全类似，也不是事先完全确定的，它们只是实现特定功能的结构特征类似。

上述三类典型构件的共同点就是它们在产品装配模型中的装配关系是固定的。在产品结构设计中，典型构件具有数量多、使用频率高、基本不受产品变型影响的特点。因此，在基于装配的CAD 系统中，通过二次开发将典型构件的装配关系固化下来，从而实现典型构件的快速装配和设计。基于装配的典型构件的快速设计，不仅可以提高产品设计效率，更重要的是设计师可以将主要精力集中在产品关键零部件的创新设计上，从而提高产品的设计质量。

在基于装配的CAD 系统中，实现典型构件快速设计的基本思想是:运用成组技术将典型构件的固有装配关系与构件模型组成典型构件复合模型;利用关联技术和参数化技术实现典型构件复合模型与其他装配体的关联;通过参数化和数据库技术，实现同类典型构件复合模型的多尺寸实例化。用户只需选择典型构件的种类、填入参数具体数值、选择装配位置，即可完成典型构件具体实例的快速装配设计。参数化和数据库技术是CAD 系统中的常用技术，成组技术和关联技术是实现典型构件快速设计的核心。

2.2 成组技术

在基于装配的CAD 系统中设计产品的装配模型时，每个零件都表现为一个由零件本身的结构特征及其装配关系组成的复合模型，可以用下述五元组来进行描述，即:

Com_M=＜Stru_M ，Ass_rel_up ，Ass_rel_down ，Ass_fea_up ，Ass_fea_down ＞其中，Stru_M 表示零件本身的结构特征，Ass_rel_up 表示零件与上级装配的装配关系，Ass_rel_down 表示与下级零件的装配关系，Ass_fea_up 表示零件与上级装配体装配时产生的特征，Ass_fea_down 表示下级零件与该零件装配时产生的特征。

对于典型构件而言，构件本身的特征是固定的或大部分是固定的。同时，该构件在产品装配模型中与其上下游装配、零件的装配关系是基本固定的，装配时产生的特征也是固定的。也就是说，典型构件的结构一旦确定，其五元组复合模型就是固定的。因此，采用成组技术，将典型构件在产品装配模型中的装配关系和装配产生的特征等与零件结构模型组成一体，形成典型构件的复合模型。利用复合模型，在装入典型构件的同时可以自动、快速地完成典型构件的完全装配及相应装配特征的生成。

2.3 关联技术

在装配模型中，每个零部件之间都有尺寸和几何关联性，即一个零件的某个尺寸或形状特征与另一个与之配合的装配体相关。采用关联技术，在零件之间建立尺寸和形状关联，可以实现零件的快速设计。

(1）尺寸关联

在基于装配的CAD 系统中，某个零件设计时参照了另一个相关零件的尺寸。当被参照零件的尺寸发生变化时，参照零件中与之相关的尺寸会自动更新。通过尺寸关联，既可以减少设计工作量又可以避免遗漏和错误。

(2）形状关联

在装配模型中存在一些由两个装配零件作布尔运算产生的装配形状特征，这些装配特征就保证了装配零件之间的形状关联。只要控制这两个装配零件之间的位置关系尺寸，就可以在装配基体上安装子装配零件的位置生成关联的装配特征。

对于典型构件来讲，在装配模型中的尺寸关联和形状关联基本是固定的，只是具体关联尺寸和位置关系尺寸的数值不同，可以通过参数化尺寸的方法建立典型构件在装配模型中与装配基体的关联。

3 基于装配的典型构件快速设计实例

电连接器是电子设备结构设计中的一种常用典型构件。尽管电连接器模型相对比较简单，但由于使用数量多、频率高，如果不采用快速设计方法，不仅设计效率低，而且进行装配更改时十分烦琐。

电连接器本身的结构相对比较固定，在产品装配模型中，其复合模型信息也相对固定:在装配基体上的安装孔、螺钉固定孔、中英文标识铭牌，安装时使用的螺钉、螺母、垫圈，与之匹配的插头(插座）等信息都随电连接器具体型号的确定而确定。

通过二次开发，采用成组技术建立电连接器的复合模型，实现电连接器的装配、装配基体上的打孔、写字、安装固定螺钉/螺母/垫圈等紧固件一次完成。采用关联技术，将装配基体上的打孔、写字等装配特征以及固定紧固件等下级构件关联在一起，当对电连接器进行移位、删除等操作时，能实现对关联装配特征和关联子装配体的同步更新。电连接器复合模型的信息结构树如图1所示，电连接器快速设计的过程如图2所示。

图1 电连接器复合模型信息树

图2 电连接器快速装配

4 结束语

基于装配的典型构件快速设计以典型构件的功能设计为中心，建立了包含装配关系和装配特征在内的典型构件复合模型，在完成典型构件装配的同时完成装配基体上与典型构件相关的装配特征的详细设计。经实践证明，开展基于装配的典型构件快速设计研究，可以简单、快捷地完成典型构件的相关设计及修改操作，可以减少产品设计中与典型构件相关的设计差错，是提高设计效率的重要手段。

［1］杨建国.面向装配的产品CAD 系统研制［J］.机械工业自动化，1996(2）:12-15.

［2］毛雨辉，蔡良朋.雷达典型结构件快速设计系统的研究与开发［J］.工程图学学报，2007(2）:6-11.