基于参数化零部件的自动装配设计

1 引言

    工程图纸是工业产品生产过程中最重要的技术文件，它贯穿在产品设计、评价，再设计直至生产结束的全过程中．参数化图庠（零部件库）的使用能大大加快产品设计速度，提高设计质量，方便设计的修改。装配图既是整个设计的初始依据，又是评判最终设计结果是否符合设计要求的重要技术文件，在产品设计过程中占有极重要的地位。

    目前，国内外的CAD系统的二维参数化设计工作一般都集中在零部件级的参数化设计上，在图纸设计和绘图过程中，当某零部件的参数发生变化时，可能会影响其周围零部件的位置，或产生重选，或发生相离，需要人工干预。

    本文介绍的装配设计参数化是在参数化零部件庠的基础上，当设计音对装配图中的零部件参数作出修改后，自动进行装配图调整的，即装配图能根据零件尺寸的修改而自动改变；反之，当设计者对装配尺寸怍出修改后，装配图中的参数化零部件能随装配尺寸的修改而修改，即装配图中的零件能根据装配尺寸的修改而自动改变。

    该项目以上海市CAD应用工程软件产品——白玉兰CAD (BYLcad为开发平台，装配设计参数化的开发充分利用了该系统已有的功能。

2 参数化零部件库

    BYLcad的自动设计子系统处理的基本单元是“零件”，“零件”有“图块”和“参数化零件库”中的“图形”两种，囤此，在构筑装配图以前，先要构筑它的基本单元——参数化零件库”，参数化零件可由BYI-cad交互作图产生，也可从其它CAD系统转换校正后得到，在参数化零件基础上可构筑参数化部件。

    每一个参数化零件由零件几何模型和零件信息模型描述：

    (1)零件几何模型与BYLcad的一般图形文件一致，由其它CAD系统产生的图形文件(如Auto-CAD的DXF/DWG文件)可通过文件转换器（DWGtoBYL）转换成BYLcad图形文件，井经图形校正器校正以便正确地进行参数设计，这样就有可能将任何CAD系统（目前是对兼容DXF/DWG文件的CAD系统)产生的图形加入到参数化零部件库中去。

    (2)零件信息模型(如表1所示）定义零件的参数信息，包括零件的几何参数和属性参数，可扶设计手册中获得或从其它CAD系统文件中转换过来，以数据库的形式存放和管理。

表1 零件信息模型表（部分)

    零件几何模型和零件信息模型的图形库和数据库，由BYLcad的图形库管理和数据库管理分别进行管理。

    零件调用时，由零件参数设计模块分别从图形库和数据库中获取零件的几何信息和参数信息，经几何约束求解器得到该零件在给定参数下的几何形状。

3 建立装配草图

    建立装配草图的过程是对某系列产品建立一个装配草图，此时，调入的零件是以“图块”形式存在的(“参数化零部件库”中的“图形”作为同名“图块”）。每个图块都有一个基点（装配点），在装配草图上需要对各零件基点间的定位关系进行尺寸标注，其具体标注方法和形式与参数化图形构造方法一样，采用参数形式。

    图1是一个含有A、B、C3个零件(装配点分别是“A”，“B”，“C”，图中黑点，下同）的装配草图。3个零件的位置约束如下：

    (1)零件A的定位点在装配图的总坐标原点“A”。

    (2)零件B的定位点”B”在水平方向与零件A的定位点“A”有尺寸“500,L”约束（主参数L的初始值是500)。

    (3)零件C的定位点“C”在水平方向与零件A的定位点“A”有尺寸“1126;L1;/L*2.252”约束(辅参数L1的初始值是1126，由表达式L1=L*2.252随主参数L的变化而变化）。

    (4)3个零件在铅垂方向处于同一水平面上，不标尺寸，由系统自动识别。

    (5)图1中的这2个尺寸称为“装配尺寸”。

    设计者可利用BYLcad的“查询与修改(超级编辑）”菜单编辑该尺寸的标注值(通常是对主参数进行编辑，开始作草图时则需对辅参数也进行定义，但理论上可在任何时候对主、辅参数作出修正）。

图1 含有3个零件的装配草图

    图1所示的装配图含有3个零件A，B和C，2个装配尺寸“500；L”和“1126;L1;L*2.252”，其中，L是主参数；L1是辅参数（由表达式L1-L-2.252决定)；当L值改变时，L1的值也随之改变，为丁保持零件A，B和C之间的贴合装配关系，需按第4节的方法建立零件尺寸和装配尺寸的关系表，这样，当装配尺寸改变时，零件尺寸(及其形状）就能够作同步改变。

4 装配尺寸和零件尺寸的关系

    设零件A的尺寸如图2所示，它有2个主参数L和d，显然，主参数L决定零件A长度方向的尺寸，所以在零件A装入图1的装配草图时，其主参数“L”和装配尺寸“500；L”（虽然都用“L”表示，但它们的意义是明显不同的，分别用L和L表示）必然有一个关系（数学表达式)决定，即

    L(零件A的）=(L(装配R寸的)）；

    例如： L=L*O.S

    其中，零件名(PartName)表示零件在参数化零部件库中的名字；零件定位参数表示零件在装配图中的定位，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）可用表达式给出；零件定义参数表示装配图的各零件的参教育2个条件可改变其当前值；当前参数行号表示零件在零件信息模型中定义的零件参数信息行号，先将该行的参数作为零件的各当前参数；也可找到零件A在y方向的主参数d与某个y方向装配R寸的某一确定关系表达式等（图2中因3个零件在同一水平面上，所以由系统自动识别）。

图2 零件A（图1中）的参数化图形

5 装配设计参数化数据结构

    装配图由决定装配图的总参数表和组成装配图的零件表构成：

    (1)总参数表给出决定当前装配图的主参数，这些参数也有可能重新定义装配图中参数化零件的约束参数，如表2所示。

表2 装配图总参数

其中，d和L是主参数，设计者可在其后的一串数据中选取d和L的当前值；b．ds和ds2等是辅参数，可以由主参数或由前面已经定义的辅参数的表达式给出，这些辅参数可能是装配图中零件的修正参数。

    (2)装配图零件构成表记录了构成该装配图的各零件的装配定义，如表3所示。

表3 装配图零件构成表

    修正参数表示在装配图零件构成表零件定义参数中定义的参数，它修正由当前参数号定义的零件（相应列号的)当前参数，修正参数可用表达式给出，表达式中可能含有总参数表的值。修正参数的优先级高于当前参数行号给出的件当前参数。

6 装配设计参数化的实施

    BYLcad的自动设计子系统的系统结构如图3所示，主要包括：文件转换器、图形校正、参数设计、数据库管理和图形库管理等。

图3 装配参数设计的数据总流程

    装配设计参数化过程表述如下：

    Step1：读取零件．依次扶装配图零件构成表中读取构成该装配图的零件；

    Step2：读取零件参数，根据装配图零件构成表中的当前参数行号，从零件信息模型中读取该零件的当前参数，用装配图零件构成表中的修正参数修正该零件的当前参数；

    Step3：零件参数化．根据修正后的零件当前参数，用二维几何约束求解器求取该零件在给定参敏下的几何形状；

    Step4：求解零件定位参数，从装配图零件构成表中读取该零件的定位参数描述．求解该零件的定位参数；

    Step5：装配零件．根据Step3求得的该零件的实体和Step4求得的该零件的定位参数，将零件装配到相应的位置；

    Step6：判断还有零件否？如果有，转到Stepl；否则，装配结束。

7 结论

    本文介绍的装配设计参数化是在参数化零部件库的基础上实施的，设计者可对零部件的参数或装配尺寸作出修改，系统自动进行装配图调整，达到了零部件参数化和装配设计参数化的统一。使装配图的设计和修改高度自动化。作为国家“八六三”自动化领域CIMS主题目标产品的发展项目《面向制造业的二、三维标准件库及其建库工具》的扩充和应用，开发方案已作为BYLcad的一部分，在河南平顶山平高电气股份制有限公司的“气体绝缘金属封闭开关设备产品GIS (Gas Insulated metal-enclosedSwitchgear)参数化设计工程软件”(GIS软件)项目中应用，图4是一个装配图的实例。

图4 由参数化零部件构成的具有装配关系的装配草图

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