[计算机软件及应用]第五讲 虚拟装配设计.ppt

计算机辅助三维设计 第5章虚拟装配设计 2 虚拟装配是三维设计的最终目的 一个产品通常都是由多个零件组成 各个零件之间需要正确装配在一起才能正常使用 在传统的设计过程中 无法通过计算机来完成虚拟装配 即在设计完成之后通过在计算机的环境中将各个零件装配起来 从而增大了设计出错的可能性 装配是三维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产品零件之间的配合关系 已经拓展到更多的工程应用领域 如运动分析 干涉检查 自顶向下设计等诸多方面 虚拟装配设计 3 学习目的 了解装配的基本概念掌握常见的装配操作方法掌握装配体设计检查方法掌握设计表达的方法学习重点 如何完成一个装配体的创建 如何进行设计检查 如何进行设计表达 内容提要 4 5 1装配基础 1 装配的基本概念2 装配设计方法的类型3 装配设计树 5 1 装配的基本概念 装配 按规定的技术要求 将零部件进行配合和连接 使之成为半成品或成品的工艺过程称为装配 地 装配既然表达产品零部件之间的配合关系 必然存在着参照与被参照的关系 在装配设计中有一个基本概念 地 ground 即相对于环境 基准 坐标系而言静态不动的零件 一般将产品中的支撑部分作为装配中的 地 全约束与欠约束 静装配与动配合 当零部件的装配关系还不足以固定零部件时 装配体处于欠约束状态 或者称为动配合 此时尚未完全固定的零部件 称为浮动的零部件 可以在装配环境中运动 当施加的装配关系完全限制了零部件的运动自由时 称为全约束或者静装配 该零部件都被固定在其装配位置 无法运动 6 零件 是组成机器的最小单元 套件 是在基准零件上装上一个或若干个零件构成的 组件 是在基准件上 装上若干个零件和套件构成的 如 车床主轴箱中的主轴组件就是在主轴上装上若干齿轮 套 垫 轴承等零件的组件 为此而进行的装配工件称为组装 部件 部件是在基准件上装上若干个组件 套件和零件构成的 为此而进行的装配工作称为部装 如车床主轴箱装配就是部装 主轴箱箱体是进行主轴箱部件装配的基准件 总装 一台机器则是在基准件上 装上若干部件 组件 套件和零件构成的 为此而进行的装配称为总装 1 装配的基本概念 7 2 装配设计方法的类型 1 自下而上设计方法自下而上设计法是一种归纳设计方法 在装配造型之前 首先独立设计所有零部件 然后将零部件插入装配体 然后根据零件的配合关系 将其组装在一起 与自上而下设计法相比 方便利用现有零部件进行装配 零部件之间是相互独立的 装配行为更为简单 使用该设计法 设计者专注于单个零件的设计 2 自上而下设计方法自上而下设计法是一种演绎设计方法 该方法从装配体中开始设计工作 先对产品进行整体描述 然后分解成各个零部件 再按顺序将部件分解成更小的零部件 直到分解成最底层的零件 自上而下的设计次序一般是先布局草图 然后定义零部件位置 基准面等 最后参考这些定义来设计零件 与自下而上设计法不同之处是 自上而下设计法用一个零件的几何体来帮助定义另一个零件 零件之间具有关联 参考的实体变化时 将自动完成其他零部件的修改 自上而上设计法让设计者专注于机器所完成的功能 多用于产品从无到有的研发过程 8 3 装配设计树 基准零件 零件1 子装配1 子装配2 零件2 零件3 零件3 图3 7装配设计树 装配设计树是其装配单元结构的数字化表示 表示零部件的位置存在过定义 表示装配体零部件的位置欠定义 固定 表示装配体零部件的位置锁定于某个位置 表示无法解除的装配配合 后缀 表示同一零部件的生成序号 图3 6装配单元结构 9 5 2自下而上的虚拟装配设计 1 自下而上的装配体引例2 自下而上的装配设计步骤自下而上的装配设计原理4 自下而上装配操作5 自下而上装配设计实例 减速器装配 10 1 装配体引例 轮轴装配 1 轴定位 2 键装配 3 轮装配 11 1 轴定位 12 2 键装配 轴上的键槽侧面与键的侧面重合键与键槽底面重合键端面与键槽侧平面和圆柱面交线之间的重合配合 13 3 轮装配 轴的圆柱面与轮上轴孔圆柱面同轴心轮上的键槽侧面与键的侧面平行轮上的轮毂侧面与轴的端面距离60mm 14 2 自下而上的装配设计步骤 装配过程 安地基 定位置 添零件 选对象 设配合 装机械 安地基 建立一个新的装配体 向装配体中添加第一个零部件 地 定位置 设定 地 零件与装配环境坐标系的关系 地 零件自动设为固定状态 为了确保该零件与装配环境坐标系有确定的关系 需要先将其更改为浮动状态 然后进行必要的定位后 再还原为固定状态 添零件 向装配体中加入其他的零部件 方法与插入 地 零部件相同 但零件默认为浮动状态 选对象 在相配合的两个零件上选取配合对 设配合 设定配合对的配合关系 装机械 放置其他零部件并设置配合关系 完成虚拟装配 15 3虚拟装配设计原理 1 装配层次 2 装配顺序 3 装配约束 4 设计检查 划分装配层次 确定装配体的零部件组成及其装配基准件 确定装配顺序 确定各个组成零部件的装配顺序 确定装配约束 确定基准件和其它组成件的定位及相互约束关系 执行设计检查 检查装配体的各个零部件之间是否存在干涉或运动干涉 16 1 划分装配层次 机器 机构 构件 机架 主动件 从动件 零件 划分装配层次是指确定产品中零部件的组成 并确定各装配单元的基准件 首先按照运动关系划分成固定部件和运动部件两大类 然后 再按照拆卸运动部件的顺序进行固定部件的细分 最后 再按安装顺序将各低级部件依次拆分为零件 17 2 确定装配顺序 编排装配顺序的原则是 先下后上 先内后外 先不动件 机架 后运动件 先主动件 后从动件 先连架杆 后连杆体 18 3 添加装配约束 装配约束是限制零件自由度及各零件相对位置关系的定义 其作用是限制装配体中零部件的自由度数量 从而保证生成正确的装配 装配关系包括面约束 线约束 点约束等几大类 每种约束所限制的自由度数目不同 具体的知识可以参照机械原理方面的书籍 每个零件在自由的空间中具有六个自由度 几何特征间的约束类型 19 4 执行设计检查 零件装配好以后 要进行装配体的干涉检查 以便确定装配体中各零件之间是否存在实体边界冲突 即干涉 和冲突发生在何处 进而为消除冲突作好准备 包括以下两种 1 干涉检查 静态 2 碰撞检查 动态 20 4 自下而上装配操作 1 零件操作 2 添加配合 3 装配体编辑 4 干涉检查 5 碰撞检查 21 1 零件操作 添加零件的方法在打开的装配体中 单击菜单 插入 零部件 已有零部件 或单击 装配体 工具条上的 插入零部件 在对话框中双击所需零部件文件 在装配体窗口中放置零部件的区域单击 旋转或移动零部件对于欠定义的零部件 可以通过 装配体 工具条上的移动零部件或旋转零部件等工具来改变零部件的位置 22 2 添加配合 只需要单击 装配体 工具条上的 配合 工具后 在配合PropertyManager中选择相应的配合关系即可 23 3 装配体编辑 24 4 干涉检查 25 5 碰撞检查 26 5设计实例 减速器装配 对直齿轮传动减速器产品的虚拟装配设计过程 即在计算机上对已经建立的产品零件按照产品的装配关系完成部件和整机的三维装配模型 在此基础上应用软件提供的功能 进行装配零件之间的动 静态干涉检查 一旦发现设计不合理之处及时调整与修改设计图纸 从而可缩短产品制造与装配生产过程的时间 降低产品的装配成本 提高设计质量 1 确定装配层次 2 确定装配顺序图 3 确定装配约束 4 设计检查 27 1 确定装配层次 装配层次是指减速器总装配体的子装配体组成 即减速器装配体由几大部件来组成 直齿轮传动减速器主要由减速器下箱 上箱 输入轴组件 输出轴组件与轴承盖等部分组成 28 2 确定装配顺序 根据减速器的结构尺寸形式和各个部件间的约束关系 确定整个减速器的装配顺序 将大齿轮 键 输出轴装配起来 固定在配套的轴承上面 用同样的方法完成小齿轮轴的装配 选定减速器下箱为基准进行装配 接下来依次装配输入 输出轴组件 并完成齿轮啮合装配 然后 装配上箱体 最后完成轴承盖 包括闷盖和透盖 和螺钉 垫圈的装配 a 输入轴组件组装 b 输出轴组件组装 c 下箱体定位 d 输入 输出轴组件装配 e 上箱体装配 f 轴承盖装配 g 其它零件装配 29 3 确定装配约束 装配约束是确定基准件和其他组成件的定位及相互约束关系 主要由装配特征 约束关系和装配设计管理树组成 标准配合有重合 平行 垂直 距离 角度 相切和同轴心配合 高级配合有对称 凸轮 宽度和齿轮配合 还有一些高级配合 如线性马达 旋转马达 线性弹簧和引力 如完成轴承盖的配合 根据轴承盖的轴心和下箱上的轴承孔的重合 完成轴心定位 根据轴承盖的内壁面和下箱的外壁面重合以及轴承盖和箱体上的螺栓孔完成轴承盖的装配 30 a 低速轴组件组装 图2 47低速轴组件 31 b 高度轴组件组装 32 c 下箱体定位 33 d 输入 输出轴组件装配 34 e 上箱体装配 35 f 轴承盖装配 36 g 其它零件装配 37 4 设计检查 3D物理模型中的物体在运动过程中很有可能会发生碰撞 接触及其他形式的相互作用 基于3D物理模型的动画系统必须能够检测物体之间的这种相互作用 并作出适当响应 否则就会出现物体之间相互穿头彼此重叠等不真实的现象 38 5 3自上而下的装配体建模 自上而下的装配体设计 利用自上而下的设计方法设计装配体时 用户可以从一个空的装配体开始 也可以从一个已经插入到装配体的零件开始 自上而下的装配体设计方法是一个很广泛的课题 在实际工作中应用也很普遍 这里主要总结四种常见的应用情况 1 在装配体环境中建立或修改零部件特征 2 在装配体环境下建立新零件 3 布局草图和装配体草图 4 多实体零件生成装配体 39 1 在装配体环境中建立和修改零部件特征 设计问题 装配体中的特征与其他零部件的特征具有对应的关系 一个变化时希望另一个也变 关联特征设计案例 编辑零部件特征关联特征和外部参考 自下而上设计关键词 关联 参考 传递 40 2 在装配体环境下建立新零件 在装配图环境中设计新零件设计问题 零件的形状需要由其他其他零件来确定 如草图形状和定义拉伸的终止条件 零件的尺寸需要参考整个装配体尺寸 不容易对零件添加约束关系 需要用转配体重的布局草图来完成零件设计的 要其他零件定位的零件设计 如皮带 链轮等零件设计插入新零件建立其他特征设计传递 41 3 布局草图和装配体草图 作为自上而下设计的典型应用 在装配体中应用布局草图的范围也比较广 使用布局草图可以概念性的设计装配体 然后从装配体中拆分出零件 设计案例 利用布局草图定位零件设计案例 利用布局草图设计零件 骨架运动模拟 42 5 4工业设计产品表达 概述零件的设计表达装配设计表达渲染动画 43 1 概述 产品表达方法及其作用工业设计萌芽于上世纪初 它是科学技术与文化艺术相结合的产物 强调将产品设计成为人与物 形式与功能 艺术与技术 经济与社会的 均衡的整体 在市场经济条件下的产品开发 除了对产品本身功能的设计外 还需要注意产品的后续宣传和形象的传递 其采取的形式多种多样 如海报 说明书 产品操作动画演示 渲染图像等 特别是如何使产品动态运作 符合其实际的规律 并且把这种视像记录下来 这是一门新兴的学科 它在产品开发过程中正占据着越来越重要的地位 SolidWorks产品表达功能对零件进行如材质的赋予 颜色 透明度和性能计算等表达 对装配生成爆炸视图显示装配关系 添加装配特征显示内部结构 利用运动模拟显示运动关系等设计表达 利用PhotoWorks插件提供的许多专业渲染效果 可使用它给零件和装配体创建逼真的图形 利用Animator插件提供的动画制作功能制作出丰富的产品动画演示效果 以演示产品的外观和性能 增强客户与企业之间的交流 44 2 零件的设计表达 编辑颜色和光学属性 2 编辑材质 3 质量属性和截面属性 45 1 编辑颜色和光学属性 利用颜色和光学对话框中 进行颜色和光学效果的配置欲更改所选零件 特征 或实体的颜色和光学属性进行以下操作 用右键单击一个面 特征 或实体 在快捷菜单中选择 外观 颜色 在颜色和光学对话框中进行选择 单击 46 2 编辑材质 材质使零件的重要设计数据 SolidWorks不仅可以通过材质属性设置改变零件的颜色 而且还为后续的装配 工程图及应力分析提供数据 欲对齿轮零件应用材质 如图2 83所示 在FeatureManager设计树中 右单击材质 在快捷菜单中选择常用材料如黄铜 或选择 编辑材料 在材质编辑器中选择相应的材料 单击 材质应用到零件 材质名称出现在FeatureManager设计树 中 添加黄铜材质的效果如图2 84所示 图2 83编辑材质 图2 84添加黄铜材质的效果 47 3 质量属性和截面属性 显示零件或装配体模型的质量属性 或者显示面或草图的剖面属性 选对象 单击工具 质量特性 截面属性 48 3 装配设计表达 生成爆炸视图 2 添加装配体特征 3 物理模拟 49 1 生成爆炸视图 打开装配文件 打开中的 低速轴组件 sldasm 装配文件 爆炸右轴承 单击菜单 插入 爆炸视图 如图2 89所示 按弹出的 爆炸 对话框 操作方法 中的提示 在图形区中单击 右轴承 如图2 90所示 拖动操纵杆控标的水平箭头到指定位置及完成 右轴承 爆炸 结果如图2 91所示 爆炸其它零部件 重复上述步骤 参照图2 92所示的爆炸步骤 将装配体中的其它零部件爆炸出来 单击按钮 完成低速轴组件的爆炸视图 编辑爆炸视图 单击FeatureManager特征树中的配置 切换到配置管理器 右单击其中的 爆炸视图 在快捷菜单中选择相应的项目 即可进行爆炸视图的编辑 如单击其中的 解除爆炸 则视图还原为装配视图 装配体爆炸视图可以分离零部件 以形象地分析它们之间的相互关系 每个爆炸视图包括一个或多个爆炸步骤 每一个爆炸视图是保存于所生成的装配体配置中 在生成爆炸以后 装配中的设计树的配置一项发生以下变化 可在爆炸视图的设计树的中单击每个爆炸 显示爆炸和解除爆炸 删除和重新定义 50 2 添加装配体特征 装配体特征操作示例如下 打开中的 减速器总装 sldasm 装配文件 单击菜单 插入 装配体特征 切除 拉伸 单击选择下箱体底座上表面为草图绘制平面 点击标准视图 选择正视于 使绘图平面转为正视方向 单击草图绘制工具栏上的矩形 绘制切除草图的矩形轮廓 如图2 95所示 单击草图绘制工具栏上的 在图2 96所示弹出的 切除 拉伸 对话框 方向1 中通过控制拉伸方向 并设置 完全贯穿 方式 在 特征范围 中选中 所选零部件 不选择 自动选择 单击 自动选择 下的列表框 在FeatureManager特征树选中需要切除的所有零件 单击 生成切除特征 如图2 97所示 除了通过改变对装配体外部零件的透明度等方法来对内部结构进行显示外 SolidWorks还提供了两个装配体独有的特征 切除和钻孔 在不影响零件模型的前提下 通过对装配体进行剖切和钻孔来对装配体内部特征进行更明确的表达 51 3 物理模拟 有些工业产品和机构可能在极限位置间具有运动特性 如机床导轨上的工作台 曲柄滑块机构 凸轮机构 具有弹簧的机构等 SolidWorks提供物理模拟 可允许模拟马达 弹簧及引力在您的装配体上的效果 生成模拟动画后机构可在设计师限制的自由度范围内按一定规律运动 更好地展示产品功能与特点 物理模拟过程 1 添加模拟成分单击菜单 插入 模拟 旋转马达 如图2 98所示 单击选中圆柱面 移动速度滑杆设定速度 单击 2 播放模拟在模拟工具栏上单击计算模拟 在弹出的提示对话框中 单击 确定 开始播放模拟 单击可停止模拟播放 单击可重播模拟 52 4 渲染 PhotoWorks基于mentalray引擎 提供了许多专业渲染效果 可使用它通过设置产品的材质 选择布景 定义光源 贴图等 对产品进行渲染 给零件和装配体创建生动 美观 逼真的图形 欲使用PhotoWorks插件的渲染向导进行产品渲染 单击菜单 工具 插件 打开图2 85所示的插件对话框 选择PhotoWorks 单击 确定 PhotoWorks 菜单出现在SolidWorks菜单条 单击菜单 PhotoWorks 渲染向导 在渲染向导对话框中单击 下一步 在如图2 86所示的材质编辑器对话框中 从左侧的材质树中选择一个文件夹 接着从右边的材质选择区域选择一种材质 然后单击 应用 单击 下一步 在如图2 87所示的布景编辑器对话框中 从左侧的布景树中选择一个文件夹 接着从右边的布景选择区域选择一中布景 然后单击 应用 单击渲染向导中的 下一步 单击 完成 来渲染模型 如图2 88所示 单击菜单 PhotoWorks 渲染到文件 可将完成渲染的模型直接输出为jpg png ps bmp tif tga等17种格式的图像文件 53 5 动画 1 Animator基本操作 2 Animator动画向导 3 Animator高级应用 4 高级动画范例1 综合动画 54 1 基本操作 SolidWorksAnimator提供了如下产品外观展示能力 零部件的位置变化 视像属性变化和渲染 展示零部件的外观形状 装配体爆炸和解除爆炸 展示装配体中零件的装配关系 装配体动态剖切动画 展示装配体内部结构 物理模拟动画 将模拟要素与其它如配合和物理动力之类的工具组合以在零部件自由度之内逼真地移动零部件 屏幕捕获 通过屏幕捕捉再现零件设计过程 单击SolidWorks窗口左下角的 运动算例1 即可打开 运动算例 管理器 如图3 80所示 SolidWorks图形区域被水平分割 顶部区域显示模型 底部区域是 运动算例 管理器 运动算例 管理器上部是工具栏包含表3 4所列的模拟成分等工具 下部被竖直分割成两个部分 左边是设计树 右边是带有关键点和时间栏的时间线 55 2 动画向导 下面以低速轴组件为例说明 动画向导的使用过程 1 打开装配文件 生成爆炸视图2 生成爆炸动画 单击窗口底部的 运动算例 标签 单击工具栏上的动画向导 在图2 102所示的选择动画类型对话框中选择 爆炸 单击 下一步 在图2 103所示的动画控制选项对话框中设动画播放 时间长度 为12 运动的 开始时间 秒 为0 单击 完成 3 生成解除爆炸动画 单击工具栏上的动画向导 在选择动画类型对话框中选择 爆炸 单击 下一步 在图2 104所示动画控制选项对话框中设动画播放 时间长度 秒 为8 运动的 开始时间 秒 为12 爆炸动画结束时间 单击 完成 这样就在爆炸动画之后添加了解除爆炸动画 如图2 105所示 4 播放和存储动画 单击工具栏的播放时播放动画 单击工具栏上的保存则保存为 avi文件 借助于动画向导可以 旋转零件或装配体 爆炸或解除爆炸装配体 生成物理模拟 56 3 高级应用 动画功能不仅可以记录零部件的位置变化 还可以记录零部件视象属性 包括 隐藏和显示 透明度 外观等的变化和产品渲染过程 动画原理Solid