郭艷艷

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院 機車車輛學院，武漢 430205)

Creo中裝配約束關(guān)系的邏輯分析

郭艷艷

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院 機車車輛學院，武漢 430205)

Creo是美國PTC公司推出CAD設(shè)計軟件包，利用Creo軟件可以方便的進行裝配設(shè)計。裝配是機械制造中一個非常重要的環(huán)節(jié)，零件裝配的過程就是通過定義零件間的約束關(guān)系來完成的。在裝配過程中，當選取的束關(guān)系不當時，會產(chǎn)生欠約束問題和過約束問題，從而使裝配體在工作時產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。在Creo中設(shè)置有若干種不同的裝配約束關(guān)系，通過對Creo系統(tǒng)中各裝配約束關(guān)系的分析，得出相關(guān)的約束類型，并針對最常用的約束類型與自由度的邏輯關(guān)系進行分析，得出快速、有效的設(shè)定零件間的裝配約束關(guān)系的一般方法，并進一步分析機構(gòu)鏈接的約束條件，為零件裝配間約束條件的分析和應(yīng)用提供借鑒。

約束關(guān)系;裝配;自由度;機構(gòu)鏈接

Creo是美國PTC公司于2010年10月推出CAD設(shè)計軟件包，發(fā)展至今已經(jīng)由Creo1.0系列升級到Creo3.0系列。Creo是整合了PTC公司的三個軟件Pro/Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)的新型CAD設(shè)計軟件包，是PTC公司閃電計劃所推出的第一個產(chǎn)品[1]。我們利用Creo軟件可以輕松進行二維和三維參數(shù)化設(shè)計，也可以方便地進行裝配設(shè)計。

裝配體是由若干個零件裝配在一起具有獨立功能的機器或部件。在Creo系統(tǒng)中，零件可以是單個的零件，也可以是由兩個或者兩個以上的零件組成的子裝配體，零件的裝配是通過定義參與裝配的各個零件之間的約束關(guān)系來實現(xiàn)的[2]。裝配時需要在被裝配的零件上選取一組約束類型和參照來限制零件運動自由度，最后得到零件間具有確定位置關(guān)系的裝配體。通過裝配設(shè)計可以檢查零件間是否存在干涉以及裝配體的運動情況是否符合設(shè)計要求，當選取的約束關(guān)系不當時，會產(chǎn)生欠約束問題和過約束問題，特別是在大型復雜的裝配體中，如果某個零件存在欠約束，就可能導致以此零件表面為約束條件的零件以及其他相關(guān)零件在裝配時發(fā)生錯亂，在工作時產(chǎn)生意想不到的結(jié)果[3]。本文通過分析Creo系統(tǒng)中常用的約束類型與自由度的關(guān)系，為裝配時正確選擇約束關(guān)系提供有效參考。

1 Creo系統(tǒng)中常見約束類型

零件裝配的過程就是通過定義零件間的約束關(guān)系來完成的，而約束關(guān)系又是通過零件上幾何元素的不同配合來實現(xiàn)。在Creo裝配環(huán)境中，通過定義裝配約束，可以指定一個零件相對于裝配體組件中其他零件或者特征的放置位置和放置方式。一個零件通過裝配約束添加到裝配體后，它的位置會隨著其約束關(guān)系改變而相應(yīng)改變，而且約束設(shè)置值作為參數(shù)可隨時修改，并可與其他參數(shù)建立方程，這樣整個裝配體實際上就是一個參數(shù)化的裝配體。在零件的裝配過程中，通常需要給出2個或者3個約束條件，從而使零件完全固定或者在外力作用下成規(guī)律運動，完成某種特定的功能。

零件的裝配過程是通過逐步設(shè)定被裝配零件的約束實現(xiàn)的，零件間的約束是通過兩零件上幾何元素(表面上的點、線、面、基準點、基準軸、基準面等)的不同配合來完成的。常見約束類型通常是由“點+點”、“面+面”、“線+線”、“面+線”、“點+線”、“點+面”、“坐標系+坐標系”等約束組成。Creo系統(tǒng)中的約束有：“距離”約束、“角度偏移”約束、“平行”約束、“重合”約束、“法向”約束、“共面”約束、“居中”約束、“相切”約束、“固定”約束、“默認”約束等。表1所示為Creo各約束含義及其對應(yīng)的約束類型。

表1 Creo各約束含義及其類型

2 約束類型與自由度的邏輯關(guān)系

自由度是指一個物體在空間任意運動的維數(shù)，可以分解為三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度。如圖1所示，在空間坐標系中，一個沒有受到任何約束的物體，可以沿著X、Y、Z軸三個方向平移，也可以繞著X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)[4]。添加一個約束就可以減少一個或多個自由度，零件的定位實質(zhì)就是通過添加約束來限制有不良影響的自由度。

圖1 物體自由度空間坐標系

當在零件上添加約束時，零件的自由度就會減少，當減少為0時，該零件被完全約束，即成為基體，不能運動，其空間自由度坐標系為基坐標系(盡管基體的自由度為0，但是平移和旋轉(zhuǎn)自由度方向依然存在)。如果把待裝配的零件定為目標零件，那么對裝配過程中目標零件自由度的分析就成為對目標零件三個平移自由度向量和三個旋轉(zhuǎn)自由度向量對基坐標系的位置關(guān)系分析[5]。在裝配中，人們都希望用比較強的約束類型(即一次約束減少的自由度比較多)來約束目標零件，從而達到快速、高效完成約束裝配。盡管所有的約束都會使目標零件的自由度減少，但是比較弱的約束可能要用幾次，才能達到同樣的裝配效果。因此，在實際應(yīng)用中用得最多的約束類型一般是 “平面+平面”、“直線+直線”、“點+點”，這些約束類型一次至少可以減少3個及以上的自由度。下面，就這些類型的約束與自由度的邏輯關(guān)系進行分析。設(shè)目標零件三個平移自由度向量分別為Tx、Ty、Tz，三個旋轉(zhuǎn)自由度向量分別為Rx、Ry、Rz，當該自由度允許時為1，該自由度禁止時為0。表2為約束類型與自由度的邏輯關(guān)系。

表2 約束類型與自由度的邏輯關(guān)系

由表2的邏輯值按照邏輯與運算的關(guān)系求解，不難看出，利用兩次“直線+直線”約束后，目標零件的自由度為0(例如：B1∩B2=100100∩010010=000000)。利用兩次“平面+平面”約束后，目標零件就剩1個平移自由度，利用三次“平面+平面”約束后，自由度為0(例如：A1∩A2=011100∩101010=001000，A1∩A2∩A3=001000∩110001=0)。利用一次“點+點”約束和一次“直線+直線”或者一次“平面+平面”約束后，目標零件就剩1個旋轉(zhuǎn)自由度，再利用一次“直線+直線”或者“平面+平面”約束后，自由度為0(例如：C∩B1=000111∩100100=000100, C∩B1∩B2=000100∩010010=000000)。

3 約束類型與機構(gòu)鏈接的轉(zhuǎn)換

利用合適的約束組合，可以將約束轉(zhuǎn)化為機構(gòu)鏈接，在Creo中常用的機構(gòu)鏈接有：“銷”連接、“圓柱”連接、“滑塊”連接、“剛性”連接等。表3給出了機構(gòu)鏈接與常規(guī)約束的關(guān)系。

表3 機構(gòu)鏈接與約束類型的關(guān)系

在Creo系統(tǒng)中，我們可以利用常規(guī)的一些約束類型來完成目標零件的裝配定位，也可以根據(jù)裝配體的功能，利用機構(gòu)鏈接關(guān)系進行約束關(guān)系的設(shè)置，無論利用哪種方式，其實質(zhì)都是一樣的，都是把目標零件約束到需要的自由度數(shù)以及相應(yīng)位置上。除了上述這些機構(gòu)鏈接外，還有比較特定的一類機構(gòu)鏈接，即“槽”連接，它是一種從動連接，其含義是約束某一個點在某條曲線上，該點可以這條曲線為軌跡線進行運動，設(shè)計時約束一個點與一條曲線對齊，其約束類型實質(zhì)上為“點+曲線”重合，這種鏈接在螺旋回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)中經(jīng)常用到。另外，“焊縫”連接與“剛性”連接實質(zhì)是相同的，都是要將目標零件完全約束，只不過約束類型是“坐標系+坐標系”重合。

4 實例分析和應(yīng)用

在進行零件裝配時，目標零件有可能會和僅僅一個已經(jīng)約束好的零件有約束關(guān)系，也有可能和幾個已經(jīng)約束好的零件有約束關(guān)系。在裝配前，首先要明確裝配體的工作原理，分析清楚各零件的裝配順序和零件間的裝配約束關(guān)系，根據(jù)上述約束類型合理的進行選用，使裝配快速、高效完成。下面，以機用虎鉗的裝配為例進行分析和應(yīng)用。

機用虎鉗[6]是由圖2所示各零件組裝而成的，主要零件有固定鉗座1、螺桿8、螺母塊9、活動鉗身4。組裝時，先把螺母塊從固定鉗身的下方放入固定鉗身的滑槽中，再將螺桿從固定鉗身右端的孔穿過去，并與螺母塊的內(nèi)螺紋孔相互旋合，螺桿左端用墊圈5、環(huán)6、圓柱銷7固定，螺右端用墊圈11隔離和調(diào)整；活動鉗身的鉛垂孔與螺母塊上方的圓柱相互配合，用螺釘3進行緊固；兩塊鉗口板分別與固定鉗身和活動鉗身上部結(jié)合，用螺釘10緊固。當旋轉(zhuǎn)螺桿時，將使得螺母塊沿螺旋線左右移動，從而帶動活動鉗身左右移動，起到夾緊和松開工件的作用。

(1)裝配結(jié)構(gòu) (2)零件組成圖2 機用虎鉗

在這些零件的裝配中，絕大多數(shù)零件相對于另一個零件是固定的，因此，在裝配約束時均可以通過幾個約束關(guān)系約束為無自由度，這樣操作與實際零件裝配從性質(zhì)上來說沒有什么差別。而螺桿8與螺母塊9之間是有運動約束關(guān)系的，其中，螺桿8相對于固定鉗身1作回轉(zhuǎn)運動，即保留一個旋轉(zhuǎn)自由度，可以利用機構(gòu)約束中的“銷”約束；螺母塊9相對于固定鉗身1作滑動運動，即保留一個平移自由度，可以利用機構(gòu)約束中的“滑塊”約束；而螺桿8與螺母塊9之間又是通過螺紋旋合連接起來，因此，在螺桿8與螺母塊9之間可以利用機構(gòu)約束中的“槽”約束。

5 結(jié) 語

裝配約束與自由度之間存在內(nèi)在的關(guān)系，對于裝配體中的零件不論是完全約束還是部分約束都和對應(yīng)的約束類型之間存在邏輯關(guān)系，要進行合理的裝配，使裝配體能夠滿足使用要求，就必須正確分析各零件間的約束關(guān)系，并設(shè)置合理的約束條件。本文通過對Creo系統(tǒng)中各裝配約束條件的分析，得出相關(guān)的約束類型，并針對最常用的約束類型與自由度的邏輯關(guān)系進行分析，得出有效的設(shè)定零件間裝配約束關(guān)系的一般方法，并進一步分析了機構(gòu)鏈接的約束條件，為零件裝配間約束條件的分析和應(yīng)用提供借鑒。

[1]莊依杰,謝龍漢.Creo3.0從入門到精通[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2014.

[2]詹友剛.Creo2.0機械設(shè)計教程[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2013.

[3]王浪,張京英,楊薇,等.基于裝配自由度分析解決欠約束問題[J].圖學學報,2014,(2):226-229.

[4]孫桓,陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2013.

[5]程志明,韓兆洲.自由度的認識與應(yīng)用[J].統(tǒng)計與決策,2011,(12): 167-169.

[6]錢克強.機械制圖[M].北京:高等教育出版社,2011.

Analysis and Application of Assembly Constraints in Creo System

GUO Yan-yan

(Technology Institute of Locomotive Vehicle, Wuhan Railway Vocational College of Technology,Wuhan 430205, China)

Creo is the PTC launch of CAD design software, using Creo software can be convenient for assembly design .Assembly is a very important part in machine manufacturing，the process of component assembly is defined the Constraint Relation of components.In the process of assembly when the constraint relationship is not suitable,it will produce the problems of under-constraint and over-constraint,so that,the assembly will produce an unecpected result at work.In Creo set there are several different types of assembly constraint relations, through the analysis of Creo assembly constraint relations of the system, then analysis the logic relationship of the most common type of constraint and degree of freedom, and derived a general method to obtain a fast and effective method to constraint the relationship among the parts of the equipment. And further analysis the constraint condition of mechanism link to provide reference for the analysis and application of the constraints of parts assembly.

constraint relation ; assembly; degree of freedom;mechanism link

2017-02-23

郭艷艷(1970-)，女，湖北武漢人，副教授，碩士，E-mail：425092059@qq.com。

TP305

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.02.010

1671-234X(2017)02-0049-05