基于參數化零部件的自動裝配設計

1 引言

    工程圖紙是工業產品生產過程中最重要的技術文件，它貫穿在產品設計、評價，再設計直至生產結束的全過程中．參數化圖庠（零部件庫）的使用能大大加快產品設計速度，提高設計質量，方便設計的修改。裝配圖既是整個設計的初始依據，又是評判最終設計結果是否符合設計要求的重要技術文件，在產品設計過程中占有極重要的地位。

    目前，國內外的CAD系統的二維參數化設計工作一般都集中在零部件級的參數化設計上，在圖紙設計和繪圖過程中，當某零部件的參數發生變化時，可能會影響其周圍零部件的位置，或產生重選，或發生相離，需要人工干預。

    本文介紹的裝配設計參數化是在參數化零部件庠的基礎上，當設計音對裝配圖中的零部件參數作出修改后，自動進行裝配圖調整的，即裝配圖能根據零件尺寸的修改而自動改變；反之，當設計者對裝配尺寸怍出修改后，裝配圖中的參數化零部件能隨裝配尺寸的修改而修改，即裝配圖中的零件能根據裝配尺寸的修改而自動改變。

    該項目以上海市CAD應用工程軟件產品——白玉蘭CAD (BYLcad為開發平臺，裝配設計參數化的開發充分利用了該系統已有的功能。

2 參數化零部件庫

    BYLcad的自動設計子系統處理的基本單元是“零件”，“零件”有“圖塊”和“參數化零件庫”中的“圖形”兩種，囤此，在構筑裝配圖以前，先要構筑它的基本單元——參數化零件庫”，參數化零件可由BYI-cad交互作圖產生，也可從其它CAD系統轉換校正后得到，在參數化零件基礎上可構筑參數化部件。

    每一個參數化零件由零件幾何模型和零件信息模型描述：

    (1)零件幾何模型與BYLcad的一般圖形文件一致，由其它CAD系統產生的圖形文件(如Auto-CAD的DXF/DWG文件)可通過文件轉換器（DWGtoBYL）轉換成BYLcad圖形文件，井經圖形校正器校正以便正確地進行參數設計，這樣就有可能將任何CAD系統（目前是對兼容DXF/DWG文件的CAD系統)產生的圖形加入到參數化零部件庫中去。

    (2)零件信息模型(如表1所示）定義零件的參數信息，包括零件的幾何參數和屬性參數，可扶設計手冊中獲得或從其它CAD系統文件中轉換過來，以數據庫的形式存放和管理。

表1 零件信息模型表（部分)

    零件幾何模型和零件信息模型的圖形庫和數據庫，由BYLcad的圖形庫管理和數據庫管理分別進行管理。

    零件調用時，由零件參數設計模塊分別從圖形庫和數據庫中獲取零件的幾何信息和參數信息，經幾何約束求解器得到該零件在給定參數下的幾何形狀。

3 建立裝配草圖

    建立裝配草圖的過程是對某系列產品建立一個裝配草圖，此時，調入的零件是以“圖塊”形式存在的(“參數化零部件庫”中的“圖形”作為同名“圖塊”）。每個圖塊都有一個基點（裝配點），在裝配草圖上需要對各零件基點間的定位關系進行尺寸標注，其具體標注方法和形式與參數化圖形構造方法一樣，采用參數形式。

    圖1是一個含有A、B、C3個零件(裝配點分別是“A”，“B”，“C”，圖中黑點，下同）的裝配草圖。3個零件的位置約束如下：

    (1)零件A的定位點在裝配圖的總坐標原點“A”。

    (2)零件B的定位點”B”在水平方向與零件A的定位點“A”有尺寸“500,L”約束（主參數L的初始值是500)。

    (3)零件C的定位點“C”在水平方向與零件A的定位點“A”有尺寸“1126;L1;/L*2.252”約束(輔參數L1的初始值是1126，由表達式L1=L*2.252隨主參數L的變化而變化）。

    (4)3個零件在鉛垂方向處于同一水平面上，不標尺寸，由系統自動識別。

    (5)圖1中的這2個尺寸稱為“裝配尺寸”。

    設計者可利用BYLcad的“查詢與修改(超級編輯）”菜單編輯該尺寸的標注值(通常是對主參數進行編輯，開始作草圖時則需對輔參數也進行定義，但理論上可在任何時候對主、輔參數作出修正）。

圖1 含有3個零件的裝配草圖

    圖1所示的裝配圖含有3個零件A，B和C，2個裝配尺寸“500；L”和“1126;L1;L*2.252”，其中，L是主參數；L1是輔參數（由表達式L1-L-2.252決定)；當L值改變時，L1的值也隨之改變，為丁保持零件A，B和C之間的貼合裝配關系，需按第4節的方法建立零件尺寸和裝配尺寸的關系表，這樣，當裝配尺寸改變時，零件尺寸(及其形狀）就能夠作同步改變。

4 裝配尺寸和零件尺寸的關系

    設零件A的尺寸如圖2所示，它有2個主參數L和d，顯然，主參數L決定零件A長度方向的尺寸，所以在零件A裝入圖1的裝配草圖時，其主參數“L”和裝配尺寸“500；L”（雖然都用“L”表示，但它們的意義是明顯不同的，分別用L和L表示）必然有一個關系（數學表達式)決定，即

    L(零件A的）=(L(裝配R寸的)）；

    例如： L=L*O.S

    其中，零件名(PartName)表示零件在參數化零部件庫中的名字；零件定位參數表示零件在裝配圖中的定位，包括引用位置(X0，Y0)、引用比例(Scalej和引用角度(Alpha)等，引用位置(X0，Y0）可用表達式給出；零件定義參數表示裝配圖的各零件的參教育2個條件可改變其當前值；當前參數行號表示零件在零件信息模型中定義的零件參數信息行號，先將該行的參數作為零件的各當前參數；也可找到零件A在y方向的主參數d與某個y方向裝配R寸的某一確定關系表達式等（圖2中因3個零件在同一水平面上，所以由系統自動識別）。

圖2 零件A（圖1中）的參數化圖形

5 裝配設計參數化數據結構

    裝配圖由決定裝配圖的總參數表和組成裝配圖的零件表構成：

    (1)總參數表給出決定當前裝配圖的主參數，這些參數也有可能重新定義裝配圖中參數化零件的約束參數，如表2所示。

表2 裝配圖總參數

其中，d和L是主參數，設計者可在其后的一串數據中選取d和L的當前值；b．ds和ds2等是輔參數，可以由主參數或由前面已經定義的輔參數的表達式給出，這些輔參數可能是裝配圖中零件的修正參數。

    (2)裝配圖零件構成表記錄了構成該裝配圖的各零件的裝配定義，如表3所示。

表3 裝配圖零件構成表

    修正參數表示在裝配圖零件構成表零件定義參數中定義的參數，它修正由當前參數號定義的零件（相應列號的)當前參數，修正參數可用表達式給出，表達式中可能含有總參數表的值。修正參數的優先級高于當前參數行號給出的件當前參數。

6 裝配設計參數化的實施

    BYLcad的自動設計子系統的系統結構如圖3所示，主要包括：文件轉換器、圖形校正、參數設計、數據庫管理和圖形庫管理等。

圖3 裝配參數設計的數據總流程

    裝配設計參數化過程表述如下：

    Step1：讀取零件．依次扶裝配圖零件構成表中讀取構成該裝配圖的零件；

    Step2：讀取零件參數，根據裝配圖零件構成表中的當前參數行號，從零件信息模型中讀取該零件的當前參數，用裝配圖零件構成表中的修正參數修正該零件的當前參數；

    Step3：零件參數化．根據修正后的零件當前參數，用二維幾何約束求解器求取該零件在給定參敏下的幾何形狀；

    Step4：求解零件定位參數，從裝配圖零件構成表中讀取該零件的定位參數描述．求解該零件的定位參數；

    Step5：裝配零件．根據Step3求得的該零件的實體和Step4求得的該零件的定位參數，將零件裝配到相應的位置；

    Step6：判斷還有零件否？如果有，轉到Stepl；否則，裝配結束。

7 結論

    本文介紹的裝配設計參數化是在參數化零部件庫的基礎上實施的，設計者可對零部件的參數或裝配尺寸作出修改，系統自動進行裝配圖調整，達到了零部件參數化和裝配設計參數化的統一。使裝配圖的設計和修改高度自動化。作為國家“八六三”自動化領域CIMS主題目標產品的發展項目《面向制造業的二、三維標準件庫及其建庫工具》的擴充和應用，開發方案已作為BYLcad的一部分，在河南平頂山平高電氣股份制有限公司的“氣體絕緣金屬封閉開關設備產品GIS (Gas Insulated metal-enclosedSwitchgear)參數化設計工程軟件”(GIS軟件)項目中應用，圖4是一個裝配圖的實例。

圖4 由參數化零部件構成的具有裝配關系的裝配草圖

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