3.1 自下而上的装配设计_SolidWorks 2018三维设计及应用教程-QQ阅读男生轻小说网

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3.1 自下而上的装配设计

本节内容主要介绍自下而上装配设计的过程、配合类型及其方法。

3.1.1 装配设计快速入门

1. 虚拟装配引例——螺栓联接装配

虚拟装配分析：此引例完成如图3-1所示的螺栓联接装配。螺栓联接包括被联接件（缸体和盖板）、螺栓、弹簧垫片和螺母。根据实际装配过程可知其装配流程为：首先，将缸体插入装配环境；其次，将盖板与其组装；再次，装上螺栓；最后，依次装上弹簧垫片和螺母。

图3-1 螺栓联接装配

虚拟装配过程如下。

（1）插入缸体

1）新建装配体文件。

启动SolidWorks，选择“文件”→“新建”命令，在打开的“新建SolidWorks文件”对话框中，选择“装配体”，单击“确定”按钮。系统出现SolidWorks建立装配体文件界面，并弹出“插入零部件”对话框。

2）缸体定位。

在“插入零部件”对话框中单击“浏览”按钮，如图3-2所示，选择＜资源文件＞目录下的“3\缸体.sldprt”，在“打开”对话框中单击“打开”按钮，缸体在图形区域中预览。在“插入零部件”对话框中单击“确定”按钮，使缸体坐标与装配环境坐标对齐，并自动设为“固定”。该零件会出现在设计树中，并带有“固定”标记。

3）调整视角。

选择“视图定向”→“等轴测”显示等轴测图，如图3-2所示。单击“标准”工具栏上的“保存”按钮，将该装配体命名为“螺栓联接”并保存。

图3-2 插入缸体

（2）装盖板

1）插盖板。

选择“插入”→“零部件”→“现有零件/装配体”命令，并单击“浏览”按钮，找到＜资源文件＞目录下的“3\盖板.sldprt”，该零件在屏幕上定位后单击放置它。装配体的设计管理树中将显示盖板。

2）添加装配关系。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，系统弹出“配合”对话框。如图3-3所示，分别选择两零件的圆孔面，选择“配合”对话框的“标准配合”选项组中的“同轴心”，单击“确定”按钮，添加“同轴心”关系，同时将在“配合”选项卡内显示所添加的配合。

图3-3 添加同轴心关系

重复上述步骤，分别添加盖板底面与缸体顶面和两者前面均为重合关系。完成盖板装配，并在“配合”选项卡内显示所有配合关系，如图3-4所示。

图3-4 盖板装配

（3）装螺栓

1）插入螺栓。

单击“装配体”工具栏上的“插入零部件”按钮，将“M20×90螺栓.sldpr”添加到装配体中。

2）添加装配关系。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，添加螺栓圆柱面和盖板圆孔面“同轴心”配合关系，螺栓头上平面和缸体凸缘底面“重合”配合关系，螺栓头侧面与缸体凸缘底面前面“平行”配合关系，完成螺栓定位，如图3-5所示。

图3-5 装螺栓

（4）装垫片

1）插入弹簧垫片。

单击“装配体”工具栏上的“插入零部件”按钮，将“20弹簧垫片.sldpr”添加到装配体中。

2）添加装配关系。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，添加垫片圆孔面和螺栓圆柱面“同轴心”配合关系，垫片底面和盖板顶面“重合”配合关系，垫片切口面与盖板前面“垂直”的配合关系，完成弹簧垫片定位，如图3-6所示。

图3-6 装垫片

（5）装螺母

1）插入螺母。

单击“装配体”工具栏上的“插入零部件”按钮，将“M20螺母.sldpr”添加到装配体中。

2）添加装配关系。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，添加螺母圆孔面和螺栓圆柱面“同轴心”配合关系，螺母底面和垫片顶面“重合”配合关系，螺母侧面与被连接件前面“平行”配合关系，完成螺母定位，如图3-7所示。

图3-7 装螺母

2. 虚拟装配过程

由上述引例装配过程可见装配设计的思路是：添零件、设配合、装机械。详细过程为安地基、定位置、添零件、设配合。

1）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（地零件）。

2）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。

3）添零件：向装配体中加入其他的零部件，零件默认为浮动状态。

4）设配合：在相配合的两个零件上选取配合对，设定配合对的配合关系。

3.1.2 虚拟装配设计基础

1. 虚拟装配设计定义

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。把零件装配成半成品称为部件装配；把零件和部件装配成产品的过程称为总装配。而虚拟装配设计是指在零件造型完成以后，根据设计意图将不同零件组织在一起，形成与实际产品装配相一致的装配结构，并对之进行相应的分析与评价的过程。

2. 虚拟装配设计方法

装配设计是三维CAD软件的三大基本功能单元之一，可以完成零件之间的配合关系表达、运动分析、干涉检查等诸多内容。在现代CAD应用中，装配环境已经成为产品综合性能验证的基础环境。三维CAD软件一般支持自下而上和自上而下两种装配造型设计方法。

（1）自下而上设计方法

自下而上设计方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，再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，它们的相互关系及装配行为更为简单。使用该设计方法，设计者更专注于单个零件的设计。

（2）自上而下设计方法

自上而下设计方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；最后对零件进行零件间的关联设计。与自下而上设计方法的不同之处是，该方法用一个零件的几何体来定义另一个零件，即生成组装零件后才添加特征。自上而下设计方法让设计者专注于机器所完成的功能。

3. 虚拟装配设计过程

由引例的分析过程总结可得虚拟装配设计流程，如图3-8所示。

图3-8 虚拟装配设计流程

（1）划层次

划层次，即划分装配层次，是指确定机械产品（机器）中零部件的组成，并确定各装配单元的基准件。具体思路是：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部件的细分。最后，再按安装顺序将各低级部件依次分为零件。按照上述原则分析可得减速器低速轴组件的装配层次，如图3-9所示。

图3-9 减速器低速轴组件的装配层次

机器是人们为某种使用要求而设计，通过执行确定的机械运动来完成包括机械力、运动和能量转换等动力学任务的一种装置。从结构组成、机械运动的特点进行分析，机器都由若干个机构组成，机构又可分解为多个运动单元（构件），而构件又是由独立的制造单元（零件）按照一定关系装配而成的。常用术语如下。

●机构：具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构，也叫部件。如内燃机中的曲柄滑块机构和凸轮机构等。机构由运动副和构件组成。

●运动副：运动副是两产生相对运动构件的活动接触关系。

●构件：能产生相对运动的单元体称为构件，它是机器中最小的运动单元。

●构架：一般包括固定不动的机架，与机架相连的连架杆（其中，输入动力的主动件，输出动力的从动件）及与连接两连架杆的连杆。

●子装配：把零件装配成构件或机构的过程称为子装配，也叫部件装配。

●总装配：零件和部件装配成为最终产品的过程称为总装配。

（2）定顺序

定顺序，即确定装配顺序，在划分装配单元和确定装配基准件之后，还需要根据装配体的结构形式和各零部件的相互配合关系，确定各个组成零部件的装配顺序。安排装配顺序的原则是：“先下后上、先内后外”；“先机架、后连架、再连杆”。

（3）添配合

添配合，即添加装配配合关系，以约束零件自由度及各零件相对位置。配合关系包括面约束、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，具体的知识可以参考机械原理方面的书籍。确定两个部件的相对位置，主要是依据部件上的表面、边线、角点、轴线、中心点、对称面进行定位，这些定位要素之间的约束关系如表3-1所示。

表3-1 几何特征间的约束关系

注：-表示两种几何实体之间无法建立配合；☆表示为表格中对称单元格中的内容。

每个零件在空间中具有6个自由度（3个平移自由度和3个旋转自由度），通过对某个自由度的约束，可以控制零件的相对位置，根据约束的多少，零件处于不同的约束状态。通常包括3种约束状态：当零部件的装配关系还不足以限制零部件的运动自由度时，称零部件处于欠约束状态（或者称为动配合）；当施加的装配关系完全限制了运动自由度时，称零部件处于全约束状态（或者称为静装配）；当施加的装配关系比全约束多时，称零部件处于过约束状态。

（4）做检查

做检查，即执行装配体检查，包括零件相互间的间隙分析和零件干涉检查。通过分析检查可以发现所设计的零件在装配体中不正确的结构部分，然后根据装配体的结构和零部件的干涉情况修改零件的原设计模型。

装配体的干涉检查分为静态干涉检查和动态干涉检查。静态干涉检查是指在特定装配结构形式下，检查装配体的各个零部件之间的相对位置关系是否存在干涉；而动态干涉检查是在运动过程中检查是否存在零部件之间的运动干涉。

4. 装配技巧

1）草图尽量简：绘制零件时，尽量用完全定义的简单草图。复杂草图对速度影响巨大，一定要避免在草图中使用圆角、阵列。不精确的草图更容易产生配合错误，且极难分析错误的原因。总之草图一定要简单，这是重中之重！

2）多用子装配：尽量按照产品的层次结构使用子装配体组织产品，避免把所有零件添加到一个装配体内。使用子装配体，一旦设计有变更，只有需要更新的子装配体才会被更新，否则的话，装配体内所有配合都会被更新。

3）尽量少对多：最佳配合是把多数零件配合到一个或两个固定的零件。避免使用链式配合，这样更容易产生错误。

4）配合快到慢：配合类型对性能也有显著影响，配合时一定要遵循性能由快到慢的原则，例如：先关系配合、逻辑配合，然后距离配合、范围配合。另外一定要避免循环配合及外部参考。

5. Solidwoks虚拟装配操作

（1）零件操作

●添加零件的方法：在打开的装配体中，选择“插入”→“零部件”→“已有零部件”命令或单击装配工具管理器（如图3-10所示）上的“插入零部件”按钮后，在弹出的对话框中双击所需零部件文件，然后在装配体窗口中放置零部件的区域单击。

图3-10 SolidWorks装配工具管理器

●旋转或移动零部件的方法：对于欠定义的零部件，可以通过“装配体”工具栏上的“移动零部件”或“旋转零部件”工具来改变零部件的位置和方向，而不影响其他零部件。

（2）配合添加

与工程中经常使用的定位方式和零件关系相对应，SolidWorks主要提供了平面重合、平面平行、平面之间成角度、曲面相切、直线重合、同轴心和点重合等配合关系。分为标准配合、机械配合与高级配合三大类，具体含义见表3-2。

表3-2 SolidWorks中常用的配合关系

添加配合的方法：单击“装配体”工具栏上的“配合”按钮后，在配合零件上选择配合部位，在配合管理器中选择配合方式即可。

（3）装配设计树

装配设计树是三维CAD软件用来记录和管理零部件之间的装配约束关系的树状结构，由零件名称、零件组成、约束定义状态、配合方式组成。轮轴装配的装配设计树如图3-11所示。

装配设计树中显示了零部件的约束情况和现实状态，除了位置已完全定义的零部件之外，其余装配体零部件都有一个前缀。

图3-11 设计树

“+”：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。

在装配体中，可以多次使用某些零部件。因此，每个零部件都有一个后缀〈n〉：表示同一零部件的生成序号。

3.1.3 装配管理

1. 装配体编辑

与零件编辑一样，装配体编辑也有特殊的命令来修改错误和问题，用户可以从装配树中选取装配部件，编辑装配部件之间的关系。

如果要编辑装配体中的某项配合，只要右击设计树中的该配合名称，系统就会弹出快捷菜单，选择相应的菜单项即可进行相应的编辑操作。常用的装配体编辑操作见表3-3。

表3-3 常用的装配体编辑操作

2. 干涉检查

在SolidWorks中，可以检查装配体中任意两个零部件是否占有相同的空间，即干涉检查。装配体的干涉检查：进行装配体静态干涉检查和动态干涉检查。

（1）静态干涉检查

选择“工具”→“干涉检查”命令，出现“干涉体积”对话框。选择两个或多个零部件，选择零件方框中列出所选零部件的名称。单击“检查”按钮，如果其中有干涉的情况，干涉信息方框会列出发生的干涉（每对干涉的零部件会列出一次干涉报告）。当单击清单中的一个项目时，相关的干涉体积会在绘图区中被高亮显示，还会列出相关零部件的名称。

（2）动态干涉检查

单击“移动零部件”按钮，然后，移动需要检查的零件，在设计树的“属性”选项卡中，选中“干涉”按钮旁边的方框，激活干涉检查功能。如果零件间存在干涉，则被拖动零件处于高亮显示，并表示干涉区域。如果选择“碰撞时停止”，在移动过程中如发生干涉，零件将无法移动。

3. 轻化装配体

使用轻化模式，使零部件处于轻化状态，只有部分模型信息被载入内存，其他信息只有在需要时才会被载入，可以显著提高大装配体的操作速度。零部件各种状态定义如下。

●还原状态：零部件的模型信息完全装入内存。

●轻化状态：零部件的模型信息部分装入内存，只在需要时才装入内存并参与运算。

●压缩状态：零部件的模型信息暂时从内存中清除，零件功能不再可用也不参与运算。

●隐藏状态：零部件的模型信息完全装入内存，但是零部件不可见。

设定装配体轻化模式的步骤是：在装配特征树中右击装配体名称，在弹出的快捷菜单中选择“由还原到轻化”。

4. 文档管理

SolidWorks生成的prt，slddrw，sldasm等文件之间相互关联，例如，一个prt零件可能被多个sldasm的装配体借用，同时slddrw的图样也引用了prt零件，如果冒失地修改prt零件的名字，那么借用该零件的装配体就会找不到该零件，引用该零件的图样就会显示空白，会产生很多复杂的问题。因此，使用SolidWorks时必须注意以下几方面的操作。

（1）文件重命名

打开装配文件（∗.sldasm），在装配设计树中右击想改名的零件，或者选择“打开”→“文件”→“另存为”命令，用新文件名保存。

（2）PackandGo（打包）

通常零件必须和与其相关联的装配或工程图一起复制到其他计算机上才可以进行相关设计，因此，SolidWorks提供了“PackandGo”（打包）功能。该功能可以将模型设计（零件、装配体、工程图及SolidWorks Simulation结果等）所有相关文件收集到一个文件夹或zip（压缩）文件中。具体步骤为：打开装配文件（∗.sldasm），选择“文件”→“打包”命令，并选择打包方式。

3.1.4 装配实践1：铁路客车轮对压装仿真

1. 装配过程分析

（1）结构组成分析

铁路客车轮对的特点是两轮加一轴，过盈连接，轮轴同转。其基本结构如图3-12所示。

图3-12 铁路客车轮对

（2）轮对压装工艺分析

目前大多数工厂采用以轮毂孔外端面定位压装车轴的轮对压装方法，其工艺过程如下。

1）轮轴套装：用车轴专用工具划出车轴的全长中心线，并在车轴两端轴颈上套上防护套；然后将选配好的车轴轮座表面和车轮轮毂孔内清扫干净，并均匀地涂抹纯净植物油；最后将两个车轮分别套装在车轴的两端。

2）压装车轮：将套装好的车轮车轴吊放到轮对压装专用的移动（旋转）小车上，启动小车开关，使轮毂孔的外端面靠紧压力机的定位面即完成压装的定位。启动压力机进行压装。通过专用对称尺划出车轴全长中心线，压装到位后，关机停压（若在压装过程中发现压力曲线不合格则立即停压），打开小车开关，将小车复位。

3）调头压装：将小车旋转180°，再按同样的过程压装另一侧的车轮。

4）尺寸检测：车轮压装完成后，用专用工具仔细测量L和任意3处的距离差，并检查轮位差和压装力大小以及压力曲线是否合格。

（3）装配仿真过程分析

按照“装配仿真”的思路，参照轮对压装工艺，可得到轮对虚拟装配的过程及其配合关系，见表3-4。按表中要求在SolidWorks中完成轮对虚拟装配模型。

表3-4 轮对虚拟装配过程及其配合关系

2. 轮对装配

（1）装车轴

1）新建装配体文件。

2）车轴定位。

如图3-13所示，在“开始装配体”对话框中单击“浏览”按钮，在弹出的“打开”对话框中选择〈资源文件〉目录下的“3\车轴.sldprt”，单击“打开”按钮。在图形区域中预览车轴。单击“确定”按钮使其坐标与装配环境坐标对齐，并自动设为“固定”。该零件会出现在设计树中，并带有“固定”标记。

图3-13 车轴定位

3）调整视角。

选择“视图定向”→“等轴测”显示等轴测图。单击“标准”工具栏上的“保存”按钮，将该装配体命名为“铁路客车轮对”并保存。

（2）装车轮

1）插左车轮。

选择“插入”→“零部件”→“现有零件/装配体”命令，并单击“浏览”按钮，找到＜资源文件＞目录下的部件“连杆组.sldasm”，在图形区单击定位该部件。

2）装左车轮。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，系统弹出“配合”对话框。如图3-14所示，选择车轮的轮毂孔面和车轴的轮座面，在“标准配合”选项组中选择“同轴心”及“锁定旋转”复选框，单击“确定按钮”，添加“同轴心”关系，同时在“配合选择”选项组内显示所添加的配合。

图3-14 轮轴同轴心并锁定旋转

3）镜像右车轮。

单击“装配体”工具栏中的“线性零部件阵列”→“镜像零部件”按钮，系统弹出“镜像零部件”对话框。如图3-15所示，选择车轮的轮毂孔面和车轴的轮座面，在“标准配合”选项组中选择“同轴心”及“锁定旋转”复选框，单击“确定”按钮，添加“同轴心”关系。

图3-15 镜像右车轮

4）定轮距离。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，系统弹出“配合”对话框。如图3-16所示，选择左、右车轮轮缘内侧面，设置“标准配合”选项组中的“距离”为1353mm，单击“确定”按钮。

图3-16 设定轮缘内测距

（3）轮对观察

在“视图”工具栏上单击“剖切”按钮，如图3-17所示，选择剖面1为“前视基准面”，剖面2为“上视基准面”，单击车轴和左车轮，将其选入“按零部件的截面”列表中，单击“确定”按钮。

图3-17 零件剖切观察

（4）打包保存

如图3-18所示，选择“文件”→“PackandGo”命令，取消选择“平展到单一文件夹”复选框，选择“保存到Zip文件”单选按钮，单击“保存”按钮，打包所有相关零件，以便在其他计算机上编辑。

图3-18 零件打包

3.1.5 装配实践2：活塞式压缩机装配

1. 装配过程分析

（1）结构组成分析

如图3-19所示，活塞式压缩机的曲柄连杆滑块机构主要由机体组、活塞组、连杆组、曲轴组等组成。

图3-19 活塞式压缩机

●机体组：包括气缸盖、气缸体和油底壳体等，其作用是机架。

●活塞组：包括活塞、活塞销、活塞环等，是机构中的从动件。

●连杆组：包括连杆、连杆衬套、连杆盖、连杆轴承、连杆螺钉等，属于机构中的连杆。

●曲轴组：包括曲轴、主轴承盖、飞轮等，是机构中的主动件。

（2）装配工艺分析

活塞式压缩机的曲轴-连杆-活塞总成的主要装配工艺见表3-5。

表3-5 曲轴-连杆-活塞总成的主要装配工艺

（3）装配仿真过程分析

按照“装配仿真”的思路，根据“后拆先装，由内到外”的原则，可得曲轴连杆活塞总成的装配层次（见图3-20）和装配顺序：机体定位→曲轴安装→主轴承盖安装→活塞连杆组安装。

图3-20 曲轴-连杆-活塞总成装配层次

2. 活塞连杆组装配

（1）装活塞

1）新建装配体文件。

2）活塞定位。

在“插入零部件”对话框中单击“浏览”按钮，系统弹出“打开”对话框，如图3-21所示，选择＜资源文件＞目录下的零件“3\活塞.sldprt”，在“打开”对话框中单击“打开”按钮，在图形区域中预览活塞。单击“确定”按钮使其坐标与装配环境坐标对齐，并自动设为“固定”。该零件会出现在设计树中，并带有“固定”标记。

图3-21 活塞定位

3）调整视角。

选择“视图定向”→“等轴测”显示等轴测图。单击“标准”工具栏上的“保存”按钮，将该装配体命名为“活塞连杆组”并保存。

（2）装连杆组

1）插连杆。

选择“插入”→“零部件”→“现有零件/装配体”命令，并单击“浏览”按钮，找到＜资源文件＞目录下的部件“3\连杆组.sldasm”，在图形区单击定位该部件。

2）添加装配关系。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，系统弹出“配合”对话框。如图3-22所示，分别选择两零件的活塞销孔面，选择“配合”对话框的“标准配合”选项组中的“同轴心”，单击“确定”按钮，添加“同轴心”关系，同时在“配合”区内显示所添加的配合。

图3-22 活塞销孔同轴心

如图3-23所示，展开特征树，选择活塞中面与连杆中面为其添加“重合”关系。

图3-23 中面重合

（3）装活塞销

1）插入活塞销。

单击“装配体”工具栏上的“插入零部件”按钮，将部件“活塞销.sldasm”添加到装配体中。

2）添加装配关系。

单击“装配体”工具栏中的“插入配合”按钮，如图3-24和图3-25所示，分别添加活塞销圆柱面和活塞上的活塞销圆孔面“同轴心”、活塞销部件中的挡环端面和活塞挡环槽外侧面“重合”。综合运用“剖切”、“旋转”等视图工具调整视向。

图3-24 活塞销与销孔同轴心

图3-25 挡环与挡环槽面重合

3. 压缩机总成装配

（1）装机体

1）新建装配体文件。

2）机体定位。

在“插入零部件”对话框中单击“浏览”按钮，系统弹出“打开”对话框。如图3-26所示，选择＜资源文件＞目录下的零件“3\机体组.sldasm”，在“打开”对话框中单击“打开”按钮，在图形区域中预览机体组。单击“确定”按钮使其坐标与装配环境坐标对齐，并自动设为“固定”。该零件出现在设计树中，并带有“固定”标记。