4.1 装配设计基础

4.1.1　装配设计作用

装配设计在实际产品设计中是一个非常重要的环节,直接关系到整个产品功能的实现及产品最终价值的体现。在软件学习及使用过程中,装配设计更是一个承上启下的过程。通过装配设计,可以检验前面零件设计是否合理。更重要的是,装配设计是后期很多工作展开的基础。完成装配设计后,可以在此基础上进行仿真动画设计、整体结构分析、整体效果渲染,如果没有前面的装配,要完成后面的这些内容,要么学习起来很费劲,要么严重影响使用效率。总的来讲,装配设计作用主要体现在以下几个方面。

(1)装配设计在零件设计中的作用

一般的零件设计主要是在零件设计环境进行设计,但是在实际设计中,还涉及到很多特殊且结构复杂的零件,考虑到设计的方便与修改的方便,我们可以在装配设计环境中直接进行设计与修改,实际上这也是零件设计的一种特殊方法。

(2)装配设计在工程图设计中的作用

产品设计中经常需要出产品总装图纸,而且会在产品总装图中生成各零部件的材料明细表,并且在装配视图中标注零件序号,这就需要在出图之前,先做好产品的装配设计,然后将产品装配结果导入到工程图中出图,最终生成零部件材料明细表和零件序号,所以装配设计直接决定着产品总装出图!

(3)装配设计在自顶向下设计中的作用

在SOLIDWORKS中并没有专门的自顶向下设计模块,要进行产品自顶向下设计,必须在装配设计环境中进行。从这一点来讲,学习装配设计对自顶向下设计的作用是不言而喻的。另外,自顶向下设计中框架搭建、骨架模型及控件等各种级别的建立都需要使用装配设计中的一些工具来完成,所以装配设计的掌握与运用直接关系到自顶向下设计的掌握与运用!

(4)装配设计在动画与运动仿真中的作用

在动画与运动仿真中,首先要设计动画仿真模型,这需要借助装配设计或自顶向下设计来完成,然后要根据动画仿真要求进行机构装配,也就是在产品装配连接位置添加合适的运动副关节,保证机构有合适的自由度,这也是动画仿真的必要条件,这项工作同样需要在装配设计环境中进行。

(5)装配设计在产品高级渲染中的作用

产品高级渲染中,经常需要对整个装配产品进行渲染,这个需要在装配环境中进行。另外,即使渲染对象不是装配产品,单个零件的渲染也需要在装配环境中进行渲染构图的设计,即按照渲染视觉效果要求,将单个零件进行必要的摆放,也就是我们生活中说的摆拍或摆姿势。这样做的目的主要是增强渲染的层次感与真实感。所以装配构图直接影响着最终渲染视觉效果!

(6)装配设计在管道设计中的作用

在管道设计中,首先需要准备管道系统文件。管道系统文件的设计一般借助装配设计或自顶向下设计来完成。另外,管道设计中很多管道线路的设计与管路元件的添加原理都与装配设计原理类似,学习并掌握装配设计有助于我们对管道设计的理解与掌握!

(7)装配设计在电气设计中的作用

在电气设计中,首先需要准备电气系统文件。电气系统文件的设计一般借助装配设计或自顶向下设计来完成。另外,电气设计中很多电气线路的设计与电气元件的添加原理都与装配设计原理类似,学习并掌握装配设计有助于我们对电气设计的理解与掌握!

(8)装配设计在结构分析中的作用

结构分析中除了对零件结构进行分析外,还经常需要对整个产品装配结构进行分析。如果是对装配结构进行分析,首先需要考虑装配简化的问题,就是将复杂的装配问题简化成简单的装配,这将有助于装配结构的分析,而这项工作主要是在装配设计中进行的!

综上所述,装配设计不仅涉及产品设计的各个环节,同时还关系到SOLIDWORKS软件的进一步学习与应用(基本贯穿整个SOLIDWORKS软件的学习与使用),是一个非常重要的基础应用模块,一定要引起学习上的重视!否则会影响整个产品设计工作及对软件高级模块的学习与掌握!

4.1.2　装配设计环境

前面已经了解到了装配设计的作用,也意识到了学习装配设计的重要性。正因为这个原因,目前很多CAD软件都提供了装配设计功能。SOLIDWORKS也提供了专门进行装配设计的模块及装配设计工具。下面介绍SOLIDWORKS装配设计用户界面,为后面进一步学习装配设计打好基础。

在SOLIDWORKS快捷按钮区中单击“新建”按钮,系统弹出“新建SOLIDWORKS文件”对话框,在该对话框中单击按钮新建装配文件,如图4⁃1所示,此时系统进入SOLIDWORKS装配设计环境,用于产品装配设计。

此处打开ch04 asm\4.1\01\universal_asm文件直接进入SOLIDWORKS装配设计环境。SOLIDWORKS装配设计用户界面(图4⁃2)与零件设计界面非常相似,主要区别是装配模型树及选项卡区提供的命令不一样。

(1)装配模型树

装配模型树体现产品装配结构。如图4⁃3所示,模型树中最上面一级文件为产品总装配文件,其下文件为装配中的零部件。装配总文件是由装配中的零部件装配而成的(本例中的universal是由base_part和connector_pin等多个零件装配而成的)。装配模型树最下面是装配设计中所使用的配合类型。

装配模型树还体现产品装配设计顺序。装配产品按照从上到下的顺序依次装配,本例装配顺序是先装配base_part零件,然后再装配connector_pin零件及其余零件。

在装配模型树单击每个零部件前面的▶符号,可以展开零件模型树,查看零件特征信息,如图4⁃4所示,方便以后对装配中的零部件进行编辑与修改。

(2)“装配”选项卡

“装配”选项卡如图4⁃5所示,其中提供了装配设计常用的命令工具,如“插入零部件”“配合”“爆炸视图”等。

4.1.3　装配设计过程

为了让读者尽快熟悉SOLIDWORKS装配设计基本思路及过程,下面以如图4⁃6所示的装配模型为例详细介绍产品装配的一般过程,帮助读者理解SOLIDWORKS装配设计基本思路及过程,熟悉装配设计环境及常用装配工具。

装配设计之前首先要分析装配结构,理解装配组成关系,特别是装配中零件与零件之间的装配位置关系,这是在SOLIDWORKS中进行装配设计的重要依据。本例装配模型主要由如图4⁃7所示的底座(base_part)及轴(axle)两个零件装配而成。在装配中需要保证轴与底座孔的“同轴”关系,同时还需要保证轴端面与底座端面的“重合”关系,如图4⁃8所示。下面根据此处的装配分析在SOLIDWORKS中进行装配设计。

(1)新建装配文件

在SOLIDWORKS快捷按钮区中单击“新建”按钮,系统弹出“新建SOLIDWORKS文件”对话框,在该对话框中单击按钮新建装配文件,进入装配设计环境后关闭所有对话框,在快捷按钮区中单击“保存”按钮,系统弹出如图4⁃9所示的“另存为”对话框,在该对话框中设置保存位置及保存名称(joint_asm),单击“保存”按钮。

说明:在新建装配文件后一般不要急着开始装配。首先要考虑装配文件管理问题,就是要将装配好的文件保存在哪个位置。一般情况下需要将装配文件与各个零件保存在一起,便于以后管理与打开。新建装配文件后先进行保存,方便在装配设计过程中直接从设置的保存文件夹中调取零部件进行装配,在完成最终装配设计后再次单击“保存”按钮,系统自动将装配文件与零件保存在此处设置的文件夹中。这是实际装配设计中非常重要的设计习惯,读者一定要注意理解!

(2)装配基础零件(底座零件base_part)

完成装配文件新建后,首先装配基础零件。所谓基础零件就是在整个装配设计中需要第一个装配的零件。本例需要先装配底座(base_part)零件,该零件将作为整个装配产品的“装配基准”,决定着其他所有零件的位置定位。对于基础零件的装配,一般情况下需要将零件的原点与装配原点重合,然后固定在装配环境中,下面具体介绍。

在“装配”选项卡中单击“插入零部件”按钮,系统弹出如图4⁃10所示的“插入零部件”对话框及如图4⁃11所示的“打开”对话框,在“打开”对话框中选择需要装配的零件(base_part),单击“打开”按钮,然后直接单击“插入零部件”对话框中的按钮,系统将选择零件的原点与装配原点重合并固定,如图4⁃12所示。

说明:完成基础零件装配后,模型树中零件前面括号中显示“固定”表示零件是固定在装配环境中的,模型与装配原点之间无法移动。

(3)装配其余零件(轴零件axle)

完成基础零件装配后,需要根据实际装配位置关系装配其余零件。本例需要装配轴(axle)零件,根据装配之前的分析,要想将轴零件装配到需要的位置,需要保证轴与底座孔之间的“同轴”关系及轴端面与底座端面的“重合”关系,下面具体介绍。

步骤1　插入轴(axle)零件。在“装配”选项卡中单击“插入零部件”按钮,从弹出的“打开”对话框中选择轴(axle)零件为装配零件,在如图4⁃13所示的位置单击放置轴零件,完成插入零件操作。

说明:在装配设计中,从第二个零件的装配开始一般不能直接在“插入零部件”对话框中单击按钮,否则系统还是将零件原点与装配原点重合。因为从第二个零件开始,需要根据实际装配位置关系进行装配,所以在插入零件后,一般是任意放置一个位置,然后通过添加装配配合关系将零件装配到需要的位置。

　　步骤2　初步调整零件。完成零件插入后,为了方便后期添加装配配合,更是为了提高装配效率,需要将零件调整到适合装配的姿态。在“装配”选项卡中单击“旋转零部件”按钮,系统弹出如图4⁃14所示的“旋转零部件”对话框,然后使用鼠标左键将零件旋转到如图4⁃15所示的姿态,为添加装配配合做准备。

说明:完成零件插入后建议读者不要急着添加装配配合关系。如果插入零件当前姿态与需要装配的最终位置差距比较大,即使选择的配合对象和配合类型是正确的,也有可能得到错误的装配结果,所以需要先调整初始位置,这样能够提高装配效率。

步骤3　添加装配配合。在SOLIDWORKS中进行装配设计是基于在零件之间添加合适的装配配合实现的。所谓装配配合就是指零件与零件之间的位置关系。在“装配”选项卡中单击“配合”按钮,系统弹出如图4⁃16所示的“配合”对话框,使用该对话框添加装配配合。根据之前的分析,本例需要添加一个“同轴”配合和一个“重合”配合。

① 添加“同轴”配合。选择轴上圆柱面与底座孔圆柱面,在系统弹出的如图4⁃17所示的快捷工具条中单击“同轴心”按钮,表示约束选择的两个圆柱面“同轴”装配,结果如图4⁃18所示。

② 添加“重合”配合。选择轴上任意端面与底座上对应一侧的端面,在系统弹出的如图4⁃19所示的快捷工具条中单击“重合”按钮,表示约束选择的两个端面“重合”装配,结果如图4⁃6所示。

③ 结束配合添加。添加所有需要的配合后,在“配合”对话框中单击按钮,结束配合添加,在装配模型树中展开“配合”节点,如图4⁃20所示。

说明:完成配合添加后,在模型树中轴零件前面括号中显示“⁃”,表示轴零件还没有完全约束。因为本例只添加了两个配合关系,表示轴零件只受到两个“限制”,而这两个“限制”不足以将轴完全约束住,此时轴零件在底座孔中是可以转动的。但是就本例或类似装配来讲,这种转动并不影响实际装配效果,所以此处添加两个装配配合足够了,如果一定需要将轴零件完全约束,还需要添加更多的约束,此处不再赘述。

(4)保存装配文件

完成装配设计后,在快捷按钮区中单击“保存”按钮保存装配文件。因为在新建装配文件后已经保存过文件,所以此处单击“保存”按钮后,系统将装配文件自动保存在前面设置的文件夹中。此时装配文件与零件文件保存在同一个文件夹中,方便后期管理。此后在拷贝装配文件时一定要将装配文件连同零件文件一起拷贝,如果只拷贝装配文件,其他文件会因为丢失造成打开失败!