第5章装配建模

顶级设计意图 继承
子装配 ……
子装配
零件
零件
零件
零件
次级设计意图
参考 系统设计 详细设计
图 5-2 自顶向下的装配建模
自顶向下（Top-Down）装配建模方法与自底向上方法相反，它是从整体外观（或总装
配）开始，然后到子装配、再到零件的建模方式。如图 5-2 所示，在装配关系的最上端是顶
级设计意图，接下来是次级设计意图（子装配），继承于顶级设计意图，然后每一级装配分
一、重合 图 5-7 所示是待装配零件 B 与参照零件 A 匹配重合的情况，两平面呈反向定位在同一 平面，但不一定实际接触。
零件 A
零件 B
图 5-7 匹配—重合约束
选择该装配约束后，选取两个需要面对面的模型表面即可，图 5-8 所示为匹配重合的操 作过程。
选取重合面
重合
图 5-8 匹配重合的操作
装配是 CAD 软件的三大基本功能单元之一。在现代设计中，装配己不再局限于单纯表 达零件之间的配合关系，而是拓展到更多的应用，如运动分析、干涉检查、自顶向下设计等 诸多方面。在现代 CAD 应用中，装配环境已成为产品综合性能验证的基础环境。
5.1 装配建模概述
5.1.1 装配建模原理
装配是将多个机械零件按技术要求联接或固定起来，以保持正确的相对位置和相互关 系，成为具有特定功能和一定性能指标的产品或机构装置。
在 Pro/E 中，装配约束分为匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、 曲面上的边、自动 9 大类，通过两个或两个以上的装配约束使元件之间达到完全约束来形成 装配。
5.2.1 匹配
匹配约束（Mate）使所选面与参照面正法线方向反向（即面对面）放置，但并不一定 实际接触或贴合，其中所选的两个面只能是模型表面或基准平面。匹配约束有重合、正向偏 移、反向偏移和定向四种情况。
置变动。这种方式一般只作为一种临时措施来定位引用模型，最终还是要用完全约束给零件 最终定位来实现装配。
5.1.4 装配模型的表达
模型完成装配后，为了更好表达装配体的组成部分、组合方式及内部结构，可以通过分 解视图来表达装配体。对于内部结构较复杂的壳体类装配体，还可以通过装配特征来表达。
一、分解视图 分解视图（也称爆炸图）是使装配体的各装配元件按一定方式分开显示的一种表达方式， 它只影响模型的显示，而不更改模型元件间的实际装配关系。即当装配模型处于分解视图状 态时，装配模型实际上仍保持完整的约束状态，只是组成元件暂时分开显示。 CAD 系统的装配模块都提供了分解视图的功能，并且通常都提供默认分解和自定义分 解两种方式。图 5-5 所示装配体为系统默认分解视图。
如图 5-4 所示表达了在 Pro/E 中零件模型与装配体元件之间的全相关性。
被引用
六角螺母零件
修 改①
② 更新
图 5-4 引用元件随零件修改而更新
三、基于约束的装配 在 CAD 系统中，所有的装配体都是基于约束的，它由引用的零件模型按一定的约束关 系组织形成子装配，再由子装配按照一定的约束关系组织形成总装配。 基于约束的装配又称零件的参数化装配，装配过程通过不断添加引用零件，并定义引用 零件之间的约束类型，使其达到完全约束来实现装配。由于参数化装配通过完全约束来确定 元件之间的相对位置关系，因此当某个零件模型发生改变时，将驱动相邻零件模型的位置发 生相应的改变。 除参数化装配外，大部分 CAD 系统还提供了非参数化方式的装配。该方式使模型在装 配体中处于部分约束或不约束状态。非参数化装配通常在不知道将引用的模型放置在哪里最 好或不想相对于其他模型定位时使用，当移动未完全约束的模型时，不会驱动其他模型的位
选取
正向偏移
三、反向偏移
图 5.10 匹配正向偏移的操作
图 5-11 所示是待装配零件 B 与参照零件 A 匹配反向偏移的情况，两模型表面正法线方
向相反，并按指示方向的反方向偏置定位。
零件 A
零件 B
偏距
平面
图 5-11 匹配—负向偏移
操作过程如图 5-12 所示，选择该装配约束后，首先选取两个需要的模型表面，然后输 入负偏移值，则两个所选的模型表面沿指示方向的反方向偏移后定位。
零件 A
零件 B
约束
子装配
零件 C …… 零件 F 约束
……
零件 N
约束
子装配
……
子装配
约束
总装配 图 5-1 自底向上的装配建模
这种建模方法的零部件之间不存在任何参数关联，仅仅存在简单的装配关系，在设计的 准确性、正确性、修改以及延伸设计等方面存在一定缺陷，一般用于小型装配建模。但它与 实际装配的流程一致，比较符合人们的思维过程，所以初学者可先采用这种方法进行装配建 模。
一、“面对面”对齐 1. 重合 图 5-15 是待装配零件 B 与参照零件 A 对齐重合的情况，两模型表面共面，且其正法线 方向同向。
零件 A
零件 B
平面
图 5.15 对齐—重合
操作过程如图 5-16 所示，选择该装配约束后，首先选取两个需要对齐的模型表面，然 后选择重合，则两个模型沿表面正法线方向同向同面定位。
自顶向下的装配技术在产品装配建模中的应用是一次巨大的改革，使人们在进行复杂产 品装配设计时有了高效的工具。这一工具使得整个规划流程显得方便易行，也为有效的管理 奠定了基础。
5.1.3 装配建模的特点
不同 CAD 软件的装配建模虽然在功能和操作上不尽相同，但都具有共同的原理和类似 的特点。了解 CAD 软件的装配建模原理和方法有助于理解装配建模方法。
选取
负向偏移
图 5-12 匹配负向偏移的操作
五、定向 图 5-13 是待装配零件 B 与参照零件 A 匹配定向的情况，两模型表面正法线方向相反定 位，所选表面不一定接触且相互偏置距离不确定。
零件 A
零件 B
平面
图 5-13 匹配—定向
操作过程如图 5-14 所示，选择该装配约束后，首先选取两个需要匹配的模型表面，然 后选择定向。
别参考各自的设计意图，展开系统设计和详细设计。
自顶向下的建模方法有许多优点，它既可以管理大型装配，又能有效掌握设计意图，使
组织结构明确，更能在设计团队间迅速传递设计信息，达到信息共享的目的。但要发挥自顶 向下建模方法的优点，就需要设计者既要有雄厚的专业背景知识，又要非常熟练地掌握 CAD 系统。因此，该方法适合经验丰富的工程设计人员使用。
选取
重合
图 5-16 对齐重合的操作
2. 偏移 对齐偏移分为正向偏移和负向偏移两种情况，内容与含义与匹配偏移基本相同，不同的 只是对齐约束时参照平面的正法线方向相同。图 5-17 是待装配零件与参照零件对齐正向偏 移的情况，两模型表面正法线方向相同，并沿参照指示方向偏移指定的距离后定位。
5.1.2 装配建模方法
装配建模方法通常分为自底向上的装配建模和自顶向下的装配建模。根据装配建模的实 际需要，这两种方法也可结合起来应用。
一、自底向上的装配建模方法 自底向上（Bottom-Up）的装配建模方法反映了实际生产的装配过程：首先建立零件的 三维模型，然后像搭建积木一样通过约束组合零件模型形成子装配，再将子装配通过约束组 合形成总装配模型，如图 5-1 所示。
剪材料或孔特征，而不允许增加材料。如果要增加材料可通过修改元件或在组件模式下创建 元件实现，图 5-6 所示为创建装配特征后所表达的装配模型。
创建剪切特征
图 5-6 复杂内部结构的表达
5.2 装配约束分类
零件的装配建模是通过定义零件模型之间的装配约束实现的。装配约束是实际环境中零 件之间的装配设计关系在虚拟设计环境的映射，不同虚拟设计环境定义的装配约束类型不尽 相同，但总的思想是一致的，都能达到对零部件完全约束形成装配模型的效果。
被引用
螺母 被引用
螺母元件
螺母元件
(a) 子装配
(b) 零件 图 5-3 螺母零件被两个装配体引用
(c) 子装配
二、全相关性 在 CAD 系统中，原始零件模型与其引用模型间存在全相关性，即原始零件模型与其引 用模型之中的任何一方发生更改时，另一方将发生相应的更改。更具体地说，全相关性体现 在当某个装配体中的引用模型发生更改时，则原始零件模型和在其他装配体中与之对应的所 有引用模型都将发生相应的更改；同样，当原始零件模型发生更改时，则在所有装配体中与
选取
定向
图 5-14 匹配定向的操作
5.2.2 对齐
对齐约束（Align）使待装配零件方向与参照对象的正法线方向相同进行定位，其中参 照对象可以是模型表面、基准平面、轴线、边、基准点或顶点。对齐约束要求所选的两个对 象要统一，即面对面、线对线、点对点。当“面对面”时，对齐约束有重合、偏移和定向三 种情况；当“线对线”时，两线只能在同一条直线上；当“点对点”时，两点只能重合。
二、正向偏移 图 5-9 所示是待装配零件 B 与参照零件 A 匹配正向偏移的情况，两模型表面面对面按 指示方向偏置定位。
零件 A
零件 B
偏距
平面
图 5.9 匹配—正向偏移
操作过程如图 5-10 所示，选择该装配约束后，首先选取两个需要匹配的模型表面，然 后输入正偏移值，则两个所选表面沿指示方向偏移后面对面定位。
之对应的引用模型也都将发生相应的更改。 相关性不仅体现在装配建模环节，它贯穿于 CAD 系统的整个设计过程。通过相关性，
CAD 系统能在“三维零件建模”模式外保持设计意图，使在产品设计过程中任何阶段、任何 时候的修改都能够扩展到整个设计中，并自动更新所有工程文档，包括装配体、设计图纸及 制造数据。相关性鼓励在开发周期的任一节点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成 为可能。
一、零件模型与装配体的引用关系 实际环境中的装配是将各种零件组装起来形成装配体，同一个零件只能在一个装配体中 使用一次，如果要在同或不同的一个装配体中多次使用则需要生产多个同样的零件。而在 CAD 的虚拟装配环境中，零件与装配体之间是一种引用关系，零件是被引用在装配体中的， 同一个零件模型可以在多个装配体中被多次引用。 在 Pro/E 中，被引用的零件模型被称为元件，由多个元件装配而成的装配体被称为组件， 图 5-3 表达了零件与组件之间的引用关系。
装配建模为将零件组织成为装配件或部件提供一个逻辑结构。这种结构使设计人员能够 识别单个零件，跟踪相关零件数据，维护零件和组合件之间的关系。装配建模系统所维护的 关系数据包括零件本身信息及其在装配体中与其它零件之间的关联信息。
装配件中零件之间配合的条件是关系数据中最重要的部分。配合条件表明零件是如何与 其它零件连接的（例如，一对零件的两个平面相接触或两个圆柱体同轴）。实例化信息能够 识别装配件中使用了相同零件的位置。实例化是一个有用的概念，特别是对诸如紧固件等标 准件而言，即使一个标准件在装配件中用于多处，其数据也仅存储一次。配合数据、位置数 据和方向数据精确地指定了装配件中零件是如何连接的，并且允许包含公差，零件的位置和 方向数据来自配合条件。
二、自顶向下的装配建模方法
在大型装备中，产品构造的复杂性带来了装配的困难。为了解决这些问题，自顶向下建
模方法应运而生。自顶向下是一种由最顶层的产品结构传递设计规范到所有相关子系统的一
种设计方法学。通过自顶向下技术的运用，能够有效传递设计规范给各个子装配，从而更方
便高效的对整个装配流程进行管理。
零件
总装配体
第 5 章 装配建模
产品是不同功能单元的集成体，机械类产品通常由支撑、传动和核心功能等几部分构成， 通过零部件之间的静态配合和运动连接共同完成产品的整体功能。产品的最终结果是一个装 配体，设计的目的是得到结构最合理的装配体。装配体中包含了许多零件，如果单独设计每 个零件，最终结果可能需要进行大量修改。如果在设计中能够充分参考已有零件，可以使设 计更接近装配的结构，也就是说在装配的状态下进行设计工作。
分解
取消分解
(a) 装配模型
(b) 分解视图显示
图 5-5 默认分解方式
当系统默认的分解方式不能满足需求时，可以通过自定义分解视图方式来定义各元件的
分解位置、元件间对应关系等，并可保存自定义的分解视图以便将来调用。
二、装配特征 对于内部结构复杂而外部简单的装配体（如壳体类模型），常常希望能够部分切除外部 壳体，以便更好地观察内部元件的结构，此时可在装配模式下通过创建切剪材料的装配特征 来表达装配模型。创建装配特征方法与第四章创建特征的方法基本相同。 例如，在 Pro/E 组件模式下允许创建实体和虚拟特征，但创建实体特征时只允许创建切