基于約束的建模不僅易于建立產(chǎn)品模型缚态，而且便于對(duì)CAD模型作修改和操作。和以前建模方法比較堤瘤，基于約束的組合夾具裝配建模方法的優(yōu)點(diǎn)是包含了夾具設(shè)計(jì)中很多問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性玫芦；一旦定義了約束，特別在修改設(shè)計(jì)的過(guò)程中本辐，只要改變其他條件就可以保持裝配關(guān)系守涤。

　　1、夾具的能模型

　　組合夾具是由一套預(yù)先制定好的各種不同形狀版掘、不同尺寸規(guī)格犁式、具有互換性的標(biāo)準(zhǔn)元件或組件，按照一定的裝配約束關(guān)系組合而成的昔疆。根據(jù)這個(gè)定義蚌汁，可以把組合夾具表示為：G = { Vi ，ri ︱ri ∈R (Vi 谤郑，Vj ) 鲸嫁，Vi ∈}上式中，V 表示組合夾具元件的集合直呈，Vi 表示組合夾具元件或組件兜诞； R 表示元件或組件間的約束關(guān)系的集合翰鬓，ri 表示元件或組件間的一種約束關(guān)系。這樣元件與元件之間形成了一種網(wǎng)狀的關(guān)系惋涌，其中網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)為元件(組件) 坟翠，節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系依賴于它們的裝配約束關(guān)系。

　　裝配結(jié)構(gòu)可以用兩種方式顯示某個(gè)裝配設(shè)計(jì)：一個(gè)是邏輯結(jié)構(gòu)腰素，一個(gè)是圖形結(jié)構(gòu)聘裁。邏輯結(jié)構(gòu)表達(dá)了組成裝配模型的零件、子部件之間的層次關(guān)系弓千，就象目錄的樹(shù)型結(jié)構(gòu)衡便。

　　圖形結(jié)構(gòu)是某個(gè)裝配模型的幾何表示，直觀地用分解圖表示洋访。根部件：根部件是在生成一個(gè)新的裝配圖時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生的镣陕，是裝配的最頂層。子部件：裝配中的一個(gè)邏輯組姻政，由零件構(gòu)成的子裝配呆抑，子部件可以嵌套任意深度。零件：層次結(jié)構(gòu)中的最低一級(jí)汁展，是單一實(shí)體理肺，不能拆成更小的實(shí)體。

　　夾具設(shè)計(jì)的最終目的是要實(shí)現(xiàn)夾具的功能善镰。夾具的功能模型是對(duì)夾具的功能定義和功能行為進(jìn)行描述和表達(dá)，是對(duì)夾具本質(zhì)的定義蟹故。從夾具的結(jié)構(gòu)出發(fā)可以定義各元件(組件)之間的功能相關(guān)性措瑞，使夾具模型中包含關(guān)于夾具功能、工作方式逾丑、工作狀態(tài)的信息虹喉。功能模型是夾具模型是夾具層次結(jié)構(gòu)的更高一級(jí)的抽象。本系統(tǒng)所謂的功能建模就是對(duì)夾具設(shè)計(jì)要求進(jìn)行描述嘲孙，將夾具的整體功能進(jìn)行分解細(xì)化啤糙，每個(gè)子功能對(duì)應(yīng)一個(gè)功能元件(組件) ，建立起夾具的功能結(jié)構(gòu)樹(shù)魂姆。

　　在本系統(tǒng)中采用的功能元件和功能關(guān)系來(lái)描述夾具的功能結(jié)構(gòu)锉累，其中功能關(guān)系表示功能元件之間的作用關(guān)系。夾具的功能模型是由夾具功能元件和功能關(guān)系構(gòu)成的具有層次結(jié)構(gòu)的功能樹(shù)澜茁；樹(shù)根表示夾具的總體功能猩蓝，葉點(diǎn)表示夾具功能的分解，即子功能从肮。也就是說(shuō)夫子節(jié)點(diǎn)間具有分解筐子、繼承和抽象的關(guān)系扰藕，父功能是子功能的目的，子功能是父功能的手段和實(shí)現(xiàn)芳撒，是父功能的具體化邓深。同層次節(jié)點(diǎn)間也具有并聯(lián)或串聯(lián)的關(guān)系，其相互作用相互依賴笔刹，作為手段共同完成一定的目的(父功能) 芥备，構(gòu)成功能并聯(lián)關(guān)系；若按某種順序依次作用徘熔，則構(gòu)成功能串聯(lián)關(guān)系门躯。

　　2、三維結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)及原理

　　裝配關(guān)系是建立夾具零件酷师、部件或者元件讶凉、組件之間內(nèi)在約束關(guān)系的關(guān)鍵。夾具的裝配關(guān)系一般是元件間的定位關(guān)系山孔，通過(guò)定義元件間的位置關(guān)系能夠描述出整個(gè)裝配體中元件的空間位置和配合關(guān)系懂讯。

　　UG創(chuàng)建的是參數(shù)化裝配，可以在一個(gè)零件上多次施加約束台颠，對(duì)零件施加約束就是減少零件自由度或運(yùn)動(dòng)類型褐望，限制零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)點(diǎn)为或、邊锤观、軸或面的關(guān)聯(lián)定位確定裝配模型中零件的位置和配合方式。UG可以概括出如下三類基本的裝配：自頂向下裝配特棕、自底向上裝配漱啥、混合裝配；八種配對(duì)約束：貼合(Ma2te) 创哩、對(duì)準(zhǔn)(Align) 灶常、角度(Angle) 、平行( Parallel) 波笆、正交( Perpendicular) 毯输、對(duì)中(Center) 、距離(Distance) 褂苔、相切(Tangent) 霜甜。值得指出的是，上述八類基本配合約束中贩贵，以“貼合”最為常見(jiàn)劳景。

　　(1)自底向上裝配的基本概念是：某一個(gè)裝配件的零部件的設(shè)計(jì)獨(dú)立于該裝配件的上一級(jí)裝配之外，即先在該級(jí)中獨(dú)立設(shè)計(jì)碉就，再與上一級(jí)相連接盟广。連接后闷串，特定零件相連的裝配件將自動(dòng)更新，反映所有的在零件階段所做的改變筋量。任何三維繪制的零件都可以有其他部件添加到它上面烹吵，因此，任何零部件都可能成為裝配件桨武±甙危可以開(kāi)發(fā)幾個(gè)用于添加到高一級(jí)裝配件的次級(jí)裝配件，這個(gè)高一級(jí)裝配件同樣也可以被用作更高一級(jí)配件的次級(jí)配件呀酸，即一級(jí)裝配件A由三個(gè)基本部件組成凉蜂，裝配件A完成后又可構(gòu)成二級(jí)裝配件B的次級(jí)裝配件A，也可看做裝配件B的一個(gè)部件性誉。同理窿吩，裝配件B又構(gòu)成三級(jí)裝配件C的次級(jí)裝配件B，依此類推曾搪，自底向上進(jìn)行裝配瘫篮。其中基本部件可能是零件也可能是裝配件。

　　自底向上設(shè)計(jì)過(guò)程是傳統(tǒng)的CAD軟件中通常使用的一種設(shè)計(jì)過(guò)程权饥。它的主要思想是先設(shè)計(jì)好各個(gè)零件唆皇，然后建立零件之間的幾何約束關(guān)系并進(jìn)行裝配，如果在裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某些零件不符合要求面族，諸如：零件與零件之間產(chǎn)生干涉吨肆、某一零件根本無(wú)法進(jìn)行安裝等，就要對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)芙捏，重新裝配肮渣，再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再進(jìn)行修改等名挪。設(shè)計(jì)過(guò)程由于事先沒(méi)有一個(gè)很好的規(guī)劃，沒(méi)有一個(gè)全局的考慮膏姨，設(shè)計(jì)階段的重復(fù)工作很多绵笆，造成了時(shí)間和人力資源的浪費(fèi)，工作效率低橙喘。

　　(2)自頂向下裝配有兩種方式时鸵，原理如圖3即首先創(chuàng)建唯一的也是最高級(jí)的裝配件，再創(chuàng)建它其中的一個(gè)零部件厅瞎，然后對(duì)該零部件做約束饰潜。值得注意的是在自頂向下裝配法中，約束包括與其它部件的連接約束和對(duì)該零部件特征的簡(jiǎn)單約束和簸。

　　即先產(chǎn)生裝配件彭雾，在其中為其部件做好所需幾何約束體碟刺，當(dāng)產(chǎn)生新部件時(shí)再向部件中添加所需約束。

　　在大多數(shù)時(shí)間薯酝，根據(jù)設(shè)計(jì)和約束需要半沽，兩種方式往往混合使用。對(duì)于約束吴菠，當(dāng)使用連接約束時(shí)者填，意味著使用者可以根植設(shè)計(jì)的零部件到裝配件的不同零部件。

　　(3)支持自頂向下/自底向上的并行裝配方式做葵。這是由兩方面決定的： ①由虛擬裝配系統(tǒng)建模的方法決定的占哟； ②要區(qū)別于傳統(tǒng)的組合夾具的裝配。傳統(tǒng)的組合夾具主要是工人憑經(jīng)驗(yàn)和技巧手工裝配起來(lái)的翠墩，因此具有很大的隨意性谴童。工人不同、經(jīng)驗(yàn)不同毫例、背景不同谒酌、心情不同都會(huì)影響裝配結(jié)果；而且很多知識(shí)都是通過(guò)工人逐漸摸索惹捡、積累得到的遮结，而且不易于保存。平面二維圖紙只適于簡(jiǎn)單的裝配男赴，而不適于復(fù)雜裝配曾负。

　　為了改善夾具的裝配質(zhì)量，提高夾具的裝配效率垄减，我們將并行的思想和自頂向下/自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法引入了組合夾具的裝配建模過(guò)程往蝉。自頂向下/自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法是綜合考慮工程人員思維習(xí)慣及裝配模型細(xì)節(jié)構(gòu)建的一種設(shè)計(jì)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)牙枕，功能復(fù)雜的組合夾具都不可能僅由幾個(gè)元件組成堡扣，而必定是個(gè)裝配體。因此正確的竣付、符合思維習(xí)慣的組合夾具裝配體設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該是根據(jù)工件的實(shí)際要求定義組合夾具的粗略裝配模型(自頂而下) 诡延，確定需要選用的組合夾具各個(gè)元件的形狀和它們之間的配合關(guān)系，然后在裝配模型的約束下展開(kāi)各組合夾具元件規(guī)格的詳細(xì)選擇(自底而上) 古胆，同時(shí)對(duì)原先定義比較粗略的組合夾具裝配模型予以細(xì)化或修改肆良，經(jīng)過(guò)幾次自頂而下、自底向上的反復(fù)即可得到符合要求的組合夾具虛擬裝配體設(shè)計(jì)逸绎。

　　3惹恃、基于約束的裝配建模

　　在大多數(shù)組合夾具設(shè)計(jì)中，一套組合夾具往往是多個(gè)夾具元件的組合，即裝配體巫糙。所謂裝配體是指由一系列離散的子部件按某個(gè)位置關(guān)系組合而成的具有特定功能的機(jī)械部件朗儒。裝配體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是裝配體內(nèi)部各個(gè)子部件之間的位置關(guān)系的確定。我們可以通過(guò)對(duì)子部件進(jìn)行平移曲秉、旋轉(zhuǎn)等幾何變換命令來(lái)實(shí)現(xiàn)采蚀，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)計(jì)算出變換矩陣，當(dāng)然也可以直接輸入子部件的變換矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)承二。

　　裝配建模有兩種方法榆鼠，即自底向上建模和自頂向下建模。前者是在整體方案確定后漠盔，設(shè)計(jì)人員利用CAD工具分別進(jìn)行各個(gè)零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)规倚，然后定義這些零件之間的裝配關(guān)系，形成產(chǎn)品模型奸涤。后者首先建立產(chǎn)品的功能表達(dá)评贫，并分析這種表達(dá)是否滿足產(chǎn)品要求，然后當(dāng)設(shè)計(jì)者利用CAD系統(tǒng)不斷細(xì)化零件的幾何結(jié)構(gòu)祷燥，以保證零件的結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品的功能要求枕调，建立產(chǎn)品模型。

　　組合夾具建模采用這兩種方式的綜合翁乌。因?yàn)閷?shí)際的組合夾具設(shè)計(jì)并不是嚴(yán)格的自底向上設(shè)計(jì)堪锌，而是在整體上自底向上，在局部上仍存在自頂向下的工作方式蒙搅。同時(shí)夾具功能要求和方案設(shè)計(jì)制約著夾具元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)肺疾，而夾具元件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反過(guò)來(lái)又影響著夾具的裝配方案，夾具設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)際上是夾具功能與方案設(shè)計(jì)和夾具元件結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的相互反復(fù)的過(guò)程潘尿，因此元件建模和夾具裝配建模需結(jié)合進(jìn)行届慈。夾具的裝配模型是建立在高層語(yǔ)義信息基礎(chǔ)上的，因而夾具裝配模型需要采用特征來(lái)建模忿偷。

　　組合夾具由下級(jí)元部件裝配而成金顿，部件又由更下級(jí)的元件和子部件組成。組合夾具CAD 系統(tǒng)利用裝配的約束關(guān)系將這些元件和部件按照一定的層次裝配成組合夾具鲤桥。組合夾具的整體裝配造型采取自底向上的工作方式揍拆，其裝配過(guò)程一般分為兩步：第一步是建立裝配樹(shù)。將要建立裝配約束關(guān)系的元部件加到裝配樹(shù)中芜壁。

　　第二步是在裝配樹(shù)中給元部件添加約束，以逐漸減少元部件的自由度并使之按規(guī)定的約束組裝起來(lái)形成組合夾具高氮。

　　約束是特定元素間必須滿足的一種關(guān)系慧妄，在形式上它可以表示為一原子合成，設(shè)C為N 維謂詞符號(hào)，用于表示約束的種類塞淹，而Σ為受約束的元素集(如點(diǎn)窟蓝、線、面等) 饱普，則為符號(hào)表達(dá)式迄咸，用于表示某個(gè)約束的屬性，那么一個(gè)約束可描述為：

　　( c e e2 … en - 1 v) 其中c∈C杉源，ej ∈Σ屿钥，v∈V

　　通過(guò)對(duì)實(shí)際裝配體設(shè)計(jì)過(guò)程的考察，可以總結(jié)出以下幾種常見(jiàn)的裝配體約束條件墙哲，這些約束主要是從幾何方面考慮的坎市，因而約束作用的對(duì)象是部件的幾何拓?fù)湓亍＿@些位置約束從工程設(shè)計(jì)角度可分為以下五類：(1)面配合(mate)及等距配合(mate offset) ：面配合要求裝配體部件的兩個(gè)表面相互接觸氏石，即兩面的法向量相反盹馅，面的等距配合要求兩個(gè)表面相向平行且相距某個(gè)距離。

　　配合(mate)可處理多種約束位置愿航。所選擇的幾何體取決于所使用的配合約束類型毒奇。可選擇的物體以及響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)的裝配包括：

　　平面——平面/平面身音、平面/軸線沥葛；

　　軸線——軸線/軸線、平面/軸線呵扛、軸線/點(diǎn)每庆；

　　點(diǎn)——點(diǎn)/點(diǎn)、點(diǎn)/軸線今穿；

　　非平面表面(球面缤灵，圓錐，圓柱蓝晒，或圓環(huán)) 腮出。

　　不能選擇如定義軸線的輪廓表面：定義實(shí)體截面的相切表面；非定義球面芝薇、圓錐面胚嘲、圓柱體和圓環(huán)的表面。

　　(2)對(duì)齊( align)及等距對(duì)齊(offset) ：對(duì)齊是指兩個(gè)對(duì)象之間的重合關(guān)系洛二，它又可分為面對(duì)齊馋劈，邊對(duì)齊，點(diǎn)對(duì)齊及局部坐標(biāo)系的對(duì)齊晾嘶。面對(duì)齊是指兩個(gè)表面重合且方向一致妓雾。邊的對(duì)齊是指兩條邊重合在同一直線上娶吞，點(diǎn)對(duì)齊是指兩個(gè)點(diǎn)重合，局部坐標(biāo)的對(duì)齊是指兩個(gè)局部坐標(biāo)系完全重合屁坛，等距對(duì)齊是指兩個(gè)面平行且相距某個(gè)距離肖糖。

　　(3)插入( insert) ：描述孔與軸的配合關(guān)系，即要求孔的軸線與軸的軸線重合宽缎。

　　(4)同軸( coaxis) ：描述軸與軸之間的配合關(guān)系睹蜈，要求兩軸的軸線重合。

　　(5)定向(orient) ：要求兩個(gè)平面兩兩平行着雪，與等距對(duì)齊不同的是它不需要指定兩個(gè)面之間的距離牲课。

　　組合夾具CAD系統(tǒng)的裝配約束分為以下幾種：配合、對(duì)齊摧篱、對(duì)準(zhǔn)角度和插入晋鼓，它們實(shí)現(xiàn)面與面、面與線松苹、面與點(diǎn)摘链、線與線、線與點(diǎn)和點(diǎn)與點(diǎn)之間的約束丘多。面可以是平面也可以是圓柱面岗努，線可以是直線、軸線和矢量方向谢鹊，點(diǎn)可以是實(shí)體頂點(diǎn)算吩、端點(diǎn)和圓心等。通過(guò)約束(Constraints)消除工件的自由度進(jìn)行裝配佃扼≠顺玻基于約束裝配的例子如圖5，其中a圖是軸工件兼耀，b圖是銑鍵槽的組合夾具压昼。

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