《机械CAD-CAM上机指导及练习教程》课件第3章

第3章三维CAD/CAM装配设计3.1三维数字化装配设计概述3.2UG装配设计环境3.3UG装配设计的一般过程3.4爆炸图3.5UG装配设计实例3.6三维CAD/CAM装配设计练习题目前，新一代的CAD/CAM系统均已具备产品装配建模功能，应用这些功能进行产品的三维装配设计是CAD/CAM系统的基本任务之一。本章以UG软件为背景，介绍三维CAD/CAM装配设计的方法与过程。3.1三维数字化装配设计概述三维数字化装配设计是指运用装配设计的原理和方法在计算机中进行产品数字化预装配，建立产品的数字化装配模型，并对该模型进行不断地修改、编辑和完善，直到完成满意的产品装配结构。该过程也可称为虚拟装配。对于数字化装配产生的装配模型，可以进行产品结构分析、装配图绘制、间隙分析、干涉分析和质量管理等。通过装配设计实现装配模型具有一定的层次，一般最顶层是第一级装配体，在其下层分别为子装配体和零件。这种层次结构构成了树状结构，称为装配树，如图3.1所示。图3.1产品装配模型结构装配体：由零件和子装配体构成。装配体中部件的几何数据储存在相应的零件中，而不在装配体中。子装配体：由部件构成，被用作高一级装配的子装配体。子装配体具有指向各子装配体和/或部件的指针，并被其父指针指引。部件：以一定的位置和方位装入装配体中的零件，构成装配树中的一个节点。当修改部件几何信息时，引用它的所有其他装配体将自动更新。例如对于一个销钉，它被若干个装配体引用，当修改这个销钉时，所有引用它的装配体将自动更新。零件包含有相应的几何信息(即用户设计的曲面、实体、曲线等)。部件成员：指来自部件的几何对象，当采用引用集时，部件成员可能是一个零件所有几何信息的一个子集。例如，零件的实体是一个部件的成员，零件中的草图也可以是一个部件的成员。

1．装配设计方法数字化装配设计方法分为以下两种：

(1)自底向上(Bottom-up)方法：从底层逐步向上装配，将每个零件加入到装配体中。这些零件事先已经设计完成，如标准件、已存储的零件等。

(2)自顶向下(Top-down)方法：在顶层产生一个装配并建立装配结构，逐步向下添加零件或设计几何，产生子装配或零件。这种设计方法更符合设计人员的习惯。在实际的装配设计中，也可根据零件情况混合使用上述方法。例如设计一个新产品，它的一部分零件是新设计零件，一部分零件是已有的，这时可以采用自顶向下、自底向上或二者混合的方法进行设计。

2．装配树装配树是装配层次结构的形象表示，如图3.1所示。顶层的装配体为根节点，它的子节点可以是零件，也可以是子装配体；子装配体还可以有自己的子节点。装配树中的每个节点都可以实现打开、显示、删除等操作，因此称之为工作部件和显示部件。

(1)工作部件。能够进行操作(设计、修改、增加子节点)的部件称为工作部件。在装配树中只能有一个当前工作部件。在上下文设计中，正在操作的部件就是工作部件。

(2)显示部件。在装配导航窗口中，显示部件即为顶层节点。在装配中，若要对某个部件进行操作，必须先使其成为工作部件，然后再使其变为显示部件。3.2UG装配设计环境3.2.1UG装配工具与预设置

1．装配工具条在装配工具条中，单击相应的图标可以实现装配模块相应的功能。装配工具条如图3.2所示。图3.2装配工具条

2．装配预设置选择“预设置”→“装配”命令，将打开如图3.3所示的“装配首选项”对话框。针对图3.3所示的各功能选项，可以对装配功能进行预设置。其中各选项的具体含义非常明了，这里不再赘述。图3.3“装配首选项”对话框

3.装配中部件的不同状态在装配功能的实现过程中，可以设定工作视图区的部件为显示状态或者操作状态，相应的部件一般分为显示部件和工作部件。

(1)显示部件：指在装配过程中显示所选的部件。选择“窗口”→“更多部件”命令，选择需要显示的部件，该部件即可在工作视图区中显示。

(2)工作部件：指在装配过程中处于被设计和修改操作状态的部件。可以通过选择“装配”→“关联控制”→“设置工作部件”命令来设置部件为工作状态。在装配过程中，显示部件和工作部件可以相同，也可以不同。在单一部件设计时，显示部件和工作部件是相同的。3.2.2引用集在装配过程中，部件的数目太多或者结构较复杂时，图形容易混淆并占用大量的内存。因此，需要对装配模型进行简化，这在UG软件中是通过建立引用集来实现的。引用集是用户在部件中定义部分对象作为被引用的特征数据的一种集合，由它代表部件参与装配，使装配中只需装入部件模型的部分数据，从而达到简化表达的目的。引用集是整个部件数据的子集，引用集一旦产生，就可单独装配到模型中。一个部件可以有多个引用集。最常用的引用集有空引用集(Empty)、整个部件(EntirePart)、几何体(Solid)、基准面(DatumPlane)和草图(Sketch)等。部件的名称、几何体、原点、坐标系、基准轴、基准平面和属性等都可以包含在引用集中。一般情况下，UG默认每个部件包含有引用部件全部数据的“整个部件”和不含任何对象的“空”两个缺省的引用集。选择“格式”→“引用集”命令，将打开如图3.4所示的“引用集”对话框。

(1)创建。在如图3.4所示的对话框中单击图标，将打开如图3.5所示的“创建引用集”对话框。在该对话框中的“名称”(引用集名称)文本框中输入字符长度小于30的引用集名称，单击“确定”按钮，在工作视图区选取作为引用集的几何对象后，系统即可创建引用集。图3.4“引用集”对话框

图3.5“创建引用集”对话框

(2)编辑属性。在如图3.4所示的对话框中单击图标，将打开如图3.6所示的“引用集属性”对话框。图3.6“引用集属性”对话框在如图3.6所示的对话框的“标题”(属性名称)和“值”(属性值)文本框中输入名称和相应的属性值参数后，系统即可实现对引用集属性的编辑。

(3)添加对象。在如图3.4所示的对话框的“工作部件”列表栏中选中需要添加部件的引用集的名称，在该对话框中单击图标，选取需要添加到所选引用集中的几何对象，系统将实现添加对象的功能。

(4)移去对象。在如图3.4所示的对话框的“工作部件”列表栏中选中需要删除部件的引用集名称，选取需要移去的几何对象，系统将实现删除对象的功能。3.2.3装配导航器装配导航器是指将装配结构用装配树的形式表现出来，它清楚地表达了装配关系，提供了一种在装配中选择部件和操作部件的简单方法，可以实现改变工作部件和改变显示部件等功能。在工具栏的右侧单击图标，将打开如图3.7所示的装配导航器。在装配导航器中，每一个部件显示为装配树上的一个节点，并且可以利用鼠标调整装配导航器窗口的大小和其中各项的尺寸和位置。图3.7装配导航器装配导航器是一个可视的装配操作环境，既可以显示装配结构树以及节点的信息，又能直接在导航器内进行各种操作。

1．装配导航器中的信息(仅列出常用的)

(1)装配树结构：可以看出一个产品的装配结构和零件构成。

2．装配导航器中鼠标右键的功能在装配导航器中可对每个节点的部件进行操作，即将光标放在该节点处(成为当前节点)，按下右键，将弹出操作菜单，如图3.7所示。

“隐藏”/“不隐藏”：使某个零件不可见或可见。

“打包”/“解包”：在装配树中将同名部件压缩并以一个节点显示，以缩小装配树。例如装配树中有10个销钉(PIN)，经打包后变成一个标有(PIN×10)的节点，解包后则恢复。该菜单只有在选中被装配引用的多个同名部件时才出现在右键弹出菜单中，

“剪切”：从装配树中剪切所选择的部件，并放到剪贴板上。

“复制”：从装配树中复制所选择的部件，并放到剪贴板上。

“粘贴”：将剪切或复制的部件粘贴到所选择的部件下，成为该部件的子节点。可见，“剪切”、“复制”、“粘贴”提供了一个快速编辑装配树结构的工具。

“删除”：从装配树上删除一个节点。

“替换引用集”：用引用集替换部件，这是减少装配信息量的有效方法。它有3个不同的量级：“空的”：不装载实际部件，信息量最少；“引用集”：只装载与装配有关的部件信息，信息量较少；“整个部件”：装载整个零件，信息量较大。

“转为工作部件”：使当前节点成为工作部件。

“转为显示部件”：使当前节点成为显示部件。

“显示父部件”：使当前节点的父节点成为显示部件。

“打开”：在装配树中打开所选的部件。

“关闭”：在装配树中关闭所选的部件。

“重定位”：对部件重新定位。

“配对”：对部件进行配对条件的替换或编辑。上述通过在装配导航器中按下右键弹出的子菜单并不是每一项都显示，而主要根据装配树节点的状态来显示。3.3UG装配设计的一般过程3.3.1自底向上装配自底向上装配是先设计好零件，再将这些零件添加到装配体中，并通过装配约束实现装配设计的过程。它的一般操作步骤如下所述：

(1)在应用程序菜单中选择“起始”→“装配”→“建模”命令，进入建模模块。

(2)打开或新建一个装配体。

(3)在主菜单中选择“装配”→“组件”→“添加已存在的”命令或单击工具栏中的图标，打开如图3.8所示的“选择部件”对话框。

(4)在“选择已加载的部件”列表区中选取要装配的零件，或者单击“选择部件文件”按钮，打开“部件文件”对话框，在特定的文件夹中选取所需的部件。单击“确定”按钮，打开如图3.9所示的“添加现有部件”对话框。图3.8“选择部件”对话框图3.9“添加现有部件”对话框

(5)在如图3.9所示的对话框中，从“组件预览”窗口确认是否是所需的零件，并可设置“引用集(ReferenceSet)”下拉列表中为“整个部件”，“图层选项”下拉列表可选择为“原先的”，在“定位”下拉列表中选取“绝对”选项，打开点构造器对话框，在工作视图区指定放置加载部件的坐标位置，将部件放置在工作视图区中的指定位置。

(6)在主菜单中选择“装配”→“组件”→“配对组件”命令或者单击工具栏中的图标，打开如图3.10(a)所示的“配对条件”对话框。其中，“配对类型”是指装配部件之间建立装配约束的形式，即装配约束关系类型。UG的装配功能所具备的配对类型如图3.10(b)所示。图3.10“配对条件”对话框及配对类型

(7)在“配对条件”对话框中的“配对类型”区域中选择部件的约束关系，并根据系统提示对部件进行相应的装配约束操作，进行自底向上的装配设计。如果需要对引入工作视图区的部件进行位置变换，则可利用“重定位”组件功能。在主菜单中选择“装配”→“组件”→“重定位组件”或单击工具栏中的图标，打开“类选择”对话框，在工作视图区选取需要重新定位的部件，根据图3.11所示的“重定位组件”对话框的提示，进行部件的重定位。表3.1为重定位类型的图标含义。图3.11“重定位组件”对话框表3.1重 定 位 类 型3.3.2自顶向下装配采用自顶向下装配进行设计时，可以首先在装配体中确定各个子装配体或零件的空间位置及全局性的参数，而这些参数在装配过程中将会被零件结构设计所引用，从而实现从装配树的上层节点到下层节点的设计过程。自顶向下设计也可简单理解为在装配过程中参照其他部件对当前工作部件进行设计的过程。在UG中可以通过以下两种方式进行自顶向下的装配设计。

1．通过创建几何模型生成新部件该方式首先创建一个几何模型，然后生成新部件，并把几何模型加入到新建的部件中。其装配设计的一般操作步骤如下所述：

(1)在应用程序菜单中选择“起始”→“装配”→“建模”命令，进入建模模块。

(2)打开一个装配模型文件。

(3)在主菜单中选择“装配”→“组件”→“创建新组件”命令或者单击工具栏中的图标，打开“类选择”对话框，在工作视图区选择部件后，在“类选择”对话框中单击“确定”按钮，打开如图3.12所示的“选择部件名”对话框。

(4)在“选择部件名”对话框的“文件名”文本框中输入新部件的名称，单击该对话框中的“确定”按钮，打开如图3.13所示的“创建新的组件”对话框。

“图层选项”下拉列表框：该选项用于设置将产生的新部件放置在装配部件的哪一层，包括“工作”、“原先的”和“如定义的”3种设置方式。

“复制定义对象”复选框：该选项用于将定义的实体复制到新的部件中。

“删除原先的”复选框：该选项是指在装配部件中删除定义实体。(5)单击“确定”按钮，系统将在装配模型中产生一个作为所选对象子节点的新部件。部件名为图3.12所示对话框中输入的文件名。图3.12“选择部件名”对话框

2．通过创建不含几何模型的新组件生成工作部件该方式首先新建一个不含几何模型的新部件，然后使其变为工作部件，再在该部件中创建几何模型。其装配设计的一般操作步骤如下所述：

(1)在应用程序菜单中选择“起始”→“装配”→“建模”命令，进入建模模块。

(2)打开一个文件，可以包含部件或者装配体，也可以不包含任何几何体。

(3)在主菜单中选择“装配”→“组件”→“创建新组件”或者单击工具栏中的图标，打开“类选择”对话框，不选择任何部件，在“类选择”对话框单击【确定】按钮，在打开的“选择部件名”对话框中输入新部件的名称。

(4)单击“选择部件名”对话框中的“确定”按钮，打开如图3.13所示的“创建新的组件”对话框。设置参数后，单击“确定”按钮，系统即在装配体中添加一个不含任何对象的新部件。

(5)选择“装配”→“关联控制”→“设置工作部件”命令或者单击工具栏中的图标，打开如图3.14所示的“设置工作部件”对话框。图3.13“创建新的组件”对话框图3.14“设置工作部件”对话框

(6)选择第(3)步所创建的部件名称，单击“确定”按钮，该部件即可成为工作部件，其他部件在工作视图区呈灰色显示。

(7)在该部件中直接用各种几何造型功能建立几何模型或者建立关联模型。3.4爆炸图爆炸视图是由装配体生成的爆炸场景视图。在这种视图中，装配模型的各个部件会以一定的距离分隔显示，这样整个模型就好像炸开了一样，故称爆炸图。通过这种视图可以更直观、更清晰地表达装配造型中各个部件的相互位置关系。分隔距离可以由“爆炸因子”灵活调整，可以设置统一的爆炸因子，也可以单独对部件设置不同的爆炸因子。一个装配模型可以生成多幅场景视图并分别保存备用。图3.15直观地显示了装配图和爆炸图的区别。图3.15装配图和爆炸图3.4.1建立爆炸图爆炸图可以清楚地表达装配体中所有部件的组成和各个部件之间的相互关系。单击工具栏中的图标，将打开如图3.16所示的“爆炸图”工具栏。图3.16“爆炸图”工具栏

(1)创建爆炸图。在主菜单中选择“装配”→“爆炸视图”→“创建爆炸”命令或者单击图3.16所示工具栏中的图标，将打开如图3.17所示的“创建爆炸视图”对话框。在该对话框的“名称”文本框中输入创建爆炸图的名称或者使用系统提供的缺省名称，单击该对话框中的“确定”按钮，即可创建新的爆炸图。图3.17“创建爆炸视图”对话框图3.18“爆炸距离”对话框

(3)添加间隙。在图3.18所示的对话框中选中“添加间隙”复选框，在“距离”文本框中输入距离数值，表示部件相对于关联部件移动的距离。默认方式为不选中，表示添加的距离为绝对距离。在图3.18所示的对话框中单击“确定”按钮，系统即可创建爆炸视图。3.4.2编辑爆炸图编辑爆炸图是指可以对自动爆炸产生的爆炸图做进一步的位置调整，以实现理想的爆炸状态。在主菜单中选择“装配”→“爆炸视图”→“编辑爆炸视图”命令或者单击图3.16所示工具栏中的图标，打开如图3.19所示的“编辑爆炸视图”对话框。编辑爆炸图的一般操作步骤如下所述：在图3.19所示的对话框中选中“选择对象”单选按钮，在工作视图区中选取需要编辑的对象后，再选中图3.19所示对话框中的“移动对象”单选按钮，在工作视图区中将显示如图3.20所示的可移动的动态坐标系。可以按住鼠标左键拖动或者利用点功能实现定点移动，也可以选中图3.19所示对话框中的“只移动手柄”选项，实现仅移动动态坐标系(不移动部件)的功能。图3.19“编辑爆炸视图”对话框图3.20显示移动坐标系3.4.3爆炸图的其他操作爆炸图的其他操作主要包括“不爆炸视图”、“删除爆炸图”、“切换爆炸图”、“隐藏组件”和“显示组件”等。

(1)不爆炸视图：选择“装配”→“爆炸视图”→“组件不爆炸”命令或者单击图3.16所示工具栏中的图标，打开“类选择”对话框，在工作视图区中选取需要复位的爆炸部件，单击“确定”按钮，系统即可复位所选爆炸部件。

(2)删除爆炸图：选择“装配”→“爆炸视图”→“删除爆炸图”命令或者单击图3.16所示工具栏中的图标，打开如图3.21所示的“爆炸视图”对话框，在对话框中选取在工作视图区未显示的爆炸图名称，单击该对话框中的“确定”按钮，系统将删除所选的爆炸图。

(3)切换爆炸图：打开如图3.22所示的爆炸图名称下拉列表框，在其中选取需要显示的爆炸图后，即可在工作视图区中显示所选的爆炸图。图3.21“爆炸视图”对话框图3.22切换爆炸视图下拉列表3.5UG装配设计实例本节以真空泵曲轴传动箱的装配设计为例，来介绍UG装配设计(NX4.0版本)的一般过程与方法。3.5.1自底向上的装配

(1)运用UG三维零件造型设计模块完成真空泵曲轴传动箱的主要零件的设计。

(2)新建一个装配体文件“zhuangpei_1.prt”，在UG主界面中选择“应用”→“建模”命令，进入建模模块，并在“起始应用程序”中勾选“装配”程序。

(3)在主菜单中选择“装配”→“组件”→“添加现有组件”命令或者单击工具栏中的图标，在打开的“选择部件”对话框(如图3.8所示)中选择要引入的零件(或从文件夹中选择已设计的零件)。在此首先引入“壳体”零件，单击“确定”按钮，打开“添加现有部件”对话框(如图3.9所示)。在该对话框中，通过“组件预览”窗口确认是否是所需的零件，并设置“引用集”下拉框中为“整个部件”，“定位”下拉菜单为“绝对”，“图层选项”下拉菜单为“原先的”。单击“确定”按钮，即可在工作视图区的适当位置将第一个壳体零件引入。

(4)按上述方法逐个引入其它零件。完成后的结果如图3.23所示。注意在引入零件时，可将零件放在工作视图区的适当位置。如果位置不合适，可通过“重定位”功能改变零件的位置。图3.23引入的零件图3.24壳体与曲轴配对示意图3.25壳体与曲轴装配完成后示意图3.26端盖与壳体配对示意

图3.27端盖装配完成后示意图3.28皮带轮装配完成后示意图3.29螺母装配完成后示意3.5.2自顶向下的装配下面利用自顶向下的装配方法，给曲轴传动箱安装一个闷盖。

(1)选择“装配”→“组件”→“创建新组件”命令或者单击工具栏中的图标，打开“类选择”对话框，不选择任何部件，单击“确定”按钮，在打开的“选择部件名”对话框(如图3.12所示)的“文件名”文本框中输入新部件的名称“mengai_1”，单击“确定”按钮，打开“创建新的组件”对话框(如图3.13所示)。

(2)在“创建新的组件”对话框中设置相关参数，如图层选项为“原来的”，单击“确定”按钮，系统将在装配体中添加一个不含任何对象的新部件。

(3)选择“装配”→“关联控制”→“设置工作部件”命令，打开如图3.30所示的“设置工作部件”对话框。在该对话框中选择刚刚创建的