基礎篇：3.3）規范化：3d裝配圖

本章目的：規范化3d零件裝配圖，弄清楚裝配層級划分，這也是機械的基本功夫。

 

1.裝配通用原則

在裝配建模設計中，應遵循以下通用原則：
a)所有的裝配單元應具有唯一性和穩定性，不允許冗余元素存在；

//就算是系列化產品，作者也不建議可互換的零件建立在一個裝配體下，非常容易出錯。
b)應合理划分零部件的裝配層級，每一個裝配層級對應着裝配現場的一道裝配環節，因此，應根據裝配工藝來確定裝配層級；

//這一條是機械非常重要的常識，具體可見后面的裝配流程圖章節。
c)每個裝配模型應包含完整的裝配結構樹，該結構樹應包含裝配信息；
d)裝配有形變的裝配單元（例如彈簧、鎖片、鉚釘和開口銷等）應按安裝后的變形狀態進行裝配；
e)裝配建模過程應充分體現DFM和DFA的設計標准，應充分考慮制造因素，盡量提高其工藝性能；

//DFM見進階篇：3）面向制造的設計指南；

//DFA見進階篇：4）面向裝配的設計指南（重要）;

f)裝配模型中使用的標准件、外購件模型應從模型庫中調用，並統一管理；

//但建議建立自己的模型庫，直接調用SolidWorks軟件的標准庫非常容易出錯。

g)模型預發放或工程發放前應通過模型檢查。

 

2.裝配總體要求

在裝配建模設計中，應遵循以下總體要求：
a)裝配建模應采用統一的量綱，長度單位通常設為毫米，質量單位通常設為千克；

//環境參數設置（但質量單位也有很多公司設為g）。
b)模型裝配前，應將裝配單元內部的與裝配無關的基准面、軸、點及不必要的修飾進行消隱處理，只保留裝配單元在總裝配時需要的基准參考；
c)為了提高建模效率和准確性，零件級加工特征允許在裝配環境下采用裝配特征建構，但所建特征必須反映在零件級；
d)裝配工序中的加工特征在零件級應被屏蔽掉；
e)在自頂向下設計時，可在布局設計中，將關鍵尺寸定義為變量，以驅動整個產品的設計、修改；

//變更較多較大的產品不建議這么做。
f)只有在裝配模型中才能確定的模型尺寸，可采用關系式或參照引用的方式進行設定，必要時可加注釋；
g)復雜結構裝配時，可采用簡化表示法，提高系統加載和編輯速度；
h)在進行模型裝配前，應建立統一的顏色和材質要求，給定各種漆色對應的RGB色值和材料紋理，以保證各型號的產品外觀的一致性；

//零件級材料設置中搞定。
i)裝配模型應包含三維爆炸圖狀態，以便快速示意產品結構分解和構成；

//一般裝配體的爆炸圖是必須的。
j)每一級裝配模型都應進行靜、動態干涉檢查分析，必要時，應按GB/T 26101中的規定進行裝配工藝性分析和虛擬維修性分析。

//別忘記裝配時必須預留合理的零件間隙；

 

3.裝配層級定義原則

每一個裝配模型對應着產品總裝過程中的一個裝配環節。根據實際情況，每個裝配環節又可分解為多個工序。在分解工序和工步過程中應遵循DFA原則：
a）根據生產規模的大小合理划分裝配工序，對於小批量生產，為了簡化生產的計划管理工作，可將多工序適當集中；
b）根據現有設備情況、人員情況進行裝配工序的編排。對於大批量生產，即可工序集中，亦可將工序分散形成流水線裝配；
c）根據產品裝配特點，確定裝配工序，例如，對於重型機械裝備的大型零組件裝配，為了減少工件裝卸和運輸的勞動量，工序應適當集中，對於剛性差且精度高的精密零件裝配，工序宜適當分散。

 

注：這一條是本章節最重要的一條，請讀者仔細研究一下。

在DFA的章節中我們了解到，一個裝配環節大致分為7個步驟：

①放置好零件基座；
②識別零件；
③抓取零件；
④移動零件到裝配位置；
⑤零件調整到正確位置；
⑥零件被固定；
⑦檢測。

所以有能力的工程師，完全可以依據這些裝配步驟，合理分配裝配環節，並推導出一個產品的所有裝配流程，制作裝配流程圖。（作者后面也有寫）

 

4.裝配約束的總體要求

裝配約束的選用應正確、完整,不相互沖突,以保證裝配單元准確的空間位置和合理的運動副定義。
裝配約束的定義應符合以下要求
a)根據設計意圖，合理選擇裝配基准，盡量簡化裝配關系；
b)合理設置裝配約束條件，不推薦欠約束和過約束情況；
c) 裝配約束的選用應盡可能真實反映產品對象的約束特性和運動關系，選用最能反映設計意圖的約束類型；對運動產品應能夠真實反映其機械運動特性。

4.1 對於無自由度的裝配模型

對於無自由度的裝配模型，每個裝配單元均應形成完整的裝配約束。對於常用的平面與平面配合，
一般采用面與面的對齊與匹配方式進行約束；對於常用的孔軸類配合一般采用軸線與軸線對齊的方式。
常用的靜態裝配約束通常包括平面與平面、軸線與軸線、曲面相切、坐標系等。

4.1.1 平面與平面

可約束兩個平面相重合，或具有一定的偏移距離。若兩平面的法向相同，簡稱為“面對齊”約束；若兩平面的法向相反，簡稱為“面匹配”約束；若兩平面只有平行要求，沒有偏距要求，簡稱為“面平行”約束。

4.1.2 軸線與軸線

可約束兩個軸線相重合。這種約束常用於軸和孔之間的裝配約束，通常簡稱為“軸線對齊”或“插入”。

4.1.3 曲面相切

可控制兩個曲面保持相切。

4.1.4 坐標系

可用坐標系對齊或偏移方式來約束裝配單元的位置關系。可將各個裝配單元約束在同一個坐標系上，以減少不必要的相互參照關系。

4.2 對於具有自由度的裝配模型

對於具有自由度的裝配模型，應根據其實際的機械運動副類型進行裝配。所形成的約束應與實際機械運動副的運動特性保持一致。
常用的機械運動副包括轉動副、移動副、平面副、球連接副、凸輪副、齒輪副等。

4.2.1 轉動副

又稱“回轉副”或“鉸鏈”，指兩構件繞某軸線做相對旋轉運動。此時，活動構件具有1個旋轉自由度。

4.2.2 移動副

又稱“棱柱副”，指一個構件相對於另一構件沿某直線僅作線性運動。此時，活動構件具有1個平移自由度。

4.2.3 平面副

一個構件相對於另一構件在平面上移動，並能繞該平面法線做旋轉運動。此時，活動構件具有3個自由度，分別是2個平動和1個轉動自由度。

4.2.4 球連接副

一個構件相對於另一構件在球心點位置作任意方向旋轉運動。此時，活動構件具有3個轉動自由度。

4.2.5 凸輪連接副

凸輪連接屬於高副連接，用以表達凸輪傳動的特性。

4.2.6 齒輪連接副

齒輪連接屬於高副連接，用以表達齒輪傳動特性。

4.3 裝配模型中的機構運動分析基本要求

裝配模型中的機構運動分析應符合以下要求：
a)針對具有運動機構的區域，定義裝配約束關系、運動副類型、機構的極限位置；
b)對運動機構分別進行運動過程模擬,進行碰撞檢查和機構設計合理性分析,並基於分析結果做出設計改進;
c)對產品各裝配區域進行全局機構運動分析,直到得到最優的設計結果。

 

5.裝配結構樹的管理要求

裝配結構樹的管理應符合以下要求：

a） 裝配結構樹應能表達完整有效的裝配層次和裝配信息；

b） 應對零、部件模型在裝配結構樹上相應表達的信息進行審查；

c） 完成模型裝配后，應對模型的裝配結構樹上的所有信息進行最終的檢查。

 

6.配建模的詳細要求

6.1 裝配建模設計流程

產品的裝配建模一般采用兩種模式:自頂向下設計模式和自底向上設計模式。

6.1.1 自底向上設計 bottom-up design 定義

獨立於裝配體設計各個零件，然后把設計完成的零部件自下而上地逐級裝配成部件、組件直至完整的產品，其間每個零部件應符合上一層裝配件規定的外形尺寸、外部接口尺寸和相對位置尺寸。

 

6.1.2 自頂向下設計 top-down design 定義

設計時從系統角度入手，針對設計目的，綜合考慮形成產品的各種因素（專業技術現狀、工藝條件和設計手段等），確定產品的性能、組成、相互關系和實現方式，形成設計的總體方案；然后在此基礎上分解設計目標給分系統具體實施，分系統從上級系統獲得必須的相關參數等，並在上級系統確定的邊界內開展設計，最終完成總體性能相對最優的設計。

 

6.2 裝配建模流程的選用

兩種設計模式各有特點,應根據不同的研發性質和產品特點選用合適的流程。

對於產品結構較簡單或對成熟度較高產品的改進設計,建議采用自底向上設計模式。對於新產品研發或需要曲面分割的產品更適宜采用自頂向下的設計模式。兩種設計模式並不互相排斥,在實際工程設計中,也常將兩種設計模式混合使用。

 

6.3 自底向上裝配建模的設計流程

自底向上設計模式一般需要把所有底層零部件設計完成后才進行裝配設計，其順序是從底層向上逐級搭建產品模型。

自底向上裝配建模的設計流程如下：

 

 

6.3.1 完成裝配單元設計

在進行裝配建模設計前,應分別完成參與裝配的零部件設計

6.3.2 創建裝配模型

通過新建裝配文件,創建產品的裝配模型。裝配模型可在行業或企業預定義的模板文件上產生

6.3.3 確定裝配的基准件

根據裝配模型的結構特點和功能要求,確定裝配基准件。其他裝配單元依據此基准件確定各自的位置關系。

6.3.4 添加裝配單元

根據裝配要求,按順序將已完成設計的裝配單元安裝到裝配模型中,逐步完成模型裝配。裝配時應選擇合適的裝配約束,減少不相關的參照關系

 

6.4 自頂向下裝配建模的設計流程

自頂向下設計模式既能管理大型組件，又能有效地掌握設計意圖。它不僅能在同一設計小組間迅速傳遞設計信息、達到信息共享的目的，也能在不同的設計小組間同樣傳遞相同的設計信息，達到協同作戰的目的。在開發過程中，通過嚴謹的溝通管理能讓不同的設計部門同步進行產品的設計和開發。

自頂向下裝配建模的設計流程如下：

6.4.1 創建裝配模型

依據行業或企業預定義的模板文件產生初始的裝配模型。

6.4.2 創建頂層布局模型

根據裝配模型特點,建立頂層布局模型,並在布局模型中建立控制頂層裝配模型位置和姿態的關鍵點、線、面、坐標系,以及頂層模型的關鍵裝配尺寸和裝配基准參照等信息

6.4.3 逐級創建裝配單元

根據產品的結構分解,在總裝配模型中依次創建參與各級別裝配的裝配單元,並根據需要對子裝配模型分別建立各自的子布局模型,形成該子裝配模型設計所需的幾何信息和約束信息。子布局模型從頂層布局模型中繼承模型信息,並隨之更新;子布局模型可隨着裝配設計逐步細化和完善。

6.4.4 定義全局變量

在總裝配模型中定義全局變量,並通過全相關性信息逐級反映到各級子裝配模型及其子布局模型中,形成產品設計的控制參數

6.4.5 在裝配模型中設計實體元件

根據從上級裝配模型中傳遞來的設計信息,分別設計出滿足要求的實體零件,通過零件裝配形成子裝配模型。

子裝配模型設計可獨立進行,亦可協同並行完成。各子裝配模型設計完成后,通過數據更新可實現頂層裝配模型的自動更新。

 

6.4.6 SolidWorks幫助里的內容

1）自上而下的設計
在自上而下裝配體設計中，零件的一個或多個特征由裝配體中的某項定義，如布局草圖或另一零件的幾何體。
設計意圖來自頂層，即裝配體，並下移至零件。 設計意圖的示例包括特征尺寸、裝配體中的零部件位移並與其他零件接近。
例如，您使用 拉伸命令在塑料零件上生成定位銷。 選擇 成形到面 選項，然后選擇電路板的底部，它是另一個零件。 該選擇將使定位銷長度剛好接觸線路板，即使線路板在將來的設計更改中發生移動亦是如此。 銷釘的長度在裝配體中定義，而不是被零件中的靜態尺寸所定義。

 

2）方法
您可以使用這些自上而下的方法：
•單個特征可通過參考裝配體中的其他零件而自上而下進行設計，如定位銷示例。
在自下而上設計中，零件在單獨窗口中建造，此窗口中只可看到零件。 但是，您在裝配體窗口中操作時可以編輯零件。 這使其他零部件的幾何體可供參考。 要參考的幾何體示例包括復本或尺寸。
該方法對於大多是靜態但具有與其他裝配體零部件交界之特征的零件較有幫助。
•完整零件可通過自上而下的方法在裝配體上下文中創建新零部件進行構建。 您所構建的零部件附加或配合到裝配體中的另一現有零部件。 您所構建的零部件的幾何體基於現有零部件。
該方法對於像托架和器具之類的零件較有用，它們大多或完全依賴其它零件來定義其形狀和大小。
•整個裝配體亦可通過自上而下的設計，首先構建定義零部件位置、關鍵尺寸等的布局草圖。 接着使用以上方法之一構建 3D 零件，這樣 3D 零件就遵循草圖的大小和位置。
草圖的速度和靈活性可讓您在構建任何 3D 幾何體之前快速嘗試數個設計版本。 即使在您建造 3D 幾何體后，草圖可讓您在一中心位置進行大量更改。

 

3）考慮事項
•只要在您使用自上而下技術生成零件或特征時，都將為您所參考的幾何體生成外部參考引用。
•在某些情況下，帶有大量關聯特征（這構成了自上而下設計的基礎）的裝配體可能比無關聯特征的同一裝配體需要更長時間重建。
優化 SOLIDWORKS 以重建更改的零件。

 

6.5 作者小注

作者的設計理念的自頂向下設計模式。

但自頂向下設計只是用在設計理念的層面，在實際運用中反而很少。因為一則這種方法對系統的負擔太大；二則建模需要關聯，所花費的時間更多。

在實際的設計中作者是會先建立主要零件的大致模型，裝配完畢后。再進一步細化模型和追加細節零件。所以算是兩者的混合。

從本質而言，所有的機械設計都是自頂向下設計模式，理解設計要求后再追求設計細節，所謂自底向上模式只是一種簡便的方式罷了，但這種方式很常用。

機械設計不同於軟件設計，軟件設計的高級工程師可以定義出接口（還是抽象類來着？），讓底層的工程師去完善，機械設計卻做不到。一則因為機械設計中頂層要求無法對下層設計強制約束（這一點軟件設計中可做到），二則因為零部件之間聯系過於精密，三則因為kiss原則貫徹始終，所以現在就作者而言，最好的辦法，還是一個人負責一個產品（或大模組）。

 

7.模型封裝

模型的封裝應符合下列要求：

a） 簡化的實體在移去內部細節的同時應提供正確封裝；

//給客戶時尤其需要，不能將產品內部信息暴露。

b） 對模型進行容積和質量特性分析時，可以封裝模型；

c） 為消隱專利數據，實體可以在提供給供應商或子合同商之前簡化或去除專利細節；

d） 用於有限元分析的模型可以進行封裝。