UG中约束的分类与应用

周师傅

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[摘    要]    通过介绍ugII中约束的种类，指出设计过程中建立正确的约束关系是设计人员准确表达设计意图的前提。从便于理解和应用的角度将UGII中的约束分为零件层次的约束和部件层次的约束，描述了这二个层次约束的具体内容和作用，并通过实例加以说明。

[关    键    词]     UGII； 约束； 分类；应用
+ {( B9 _$ ?" ~. n0 @' r. B中图分类号： TP391.7     文献标识码：A
1     前 言
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        CAD系统要求设计人员对自身设计意图和思维过程的准确表达，从而达到提高设计效率的目的[1-2]。UGII作为机械行业高档三维CAD软件在我国正拥有越来越多的用户，利用UGII设计时所操作的对象一般是产品的功能要素，使得约束的运用直接体现了设计人员的设计意图[3]。因此，本文从便于使用的角度对UGII中的约束进行了分类，并通过实例加以说明，以期对正确建模有所帮助。
2     约 束
: |; a* k0 c) `5 y2 u        在UGII系统中，约束可分为零件层次的约束和部件层次的约束。零件层次的约束关系描述了零件的设计约束，部件层次的约束规定了在产品部件级的设计约束。
" H2 p; i$ L. r( Y1 }9 H5 L' f% V2.1 零件层次的约束
  `7 @3 H6 n3 `/ Y        根据约束对象的不同，约束可以分为针对基本几何元素的约束和针对特征的约束。
$ C' [& d" X+ \2 l, o* E8 n2.1.1基本几何元素的约束
) a0 a7 R, M* K# r+ u8 @& r3 F        这类约束以基本几何元素即点、线、圆为作用对象，它反映了几何元素之间形状和位置的制约关系，可分为几何约束和尺寸约束。几何约束指基本几何元素间的几何特性，如垂直、平行、相切等，其在图上一般是不可见的；尺寸约束指基本几何元素的大小（如线长、半径、角度等）和相互关系（如两点间距离），以尺寸标注方式加以显示。上述这两种约束主要用于精确控制UGII中Sketch的大小及其几何关系。
2.1.2 特征的约束
        针对特征的约束是基于特征的参数定义工作的，以特征的存在为前提，用来表达特征的形状、位置、工程语义和特征在零件模型中的含义和行为。特征、参数和约束构成了约束网的三个基本要素。鉴于三维约束的特点，可对UGII中特征的约束进行高层抽象，分为特征内约束、特征间约束。
% z* H  |/ }) ^+ }3 v% g2.1.2.1 特征内约束
  N7 _& @* Z. j# ^  Y7 t8 i. _9 ?        特征内约束给出该特征的属性和表现形式，包括几何形状的表示和相关的处理机制以及特征的高层语义信息，常称为定形约束。同一特征的约束在零件模型中是多种表示形式共存的，而这些表示形式之间具有相应的转换关系，它们之间的联系通过与它们相关的特征之间的指针来实现。
  J0 ]0 c6 t" ^$ L8 n% h2.1.2.2 特征间约束
& @3 B' Q- K2 r' G, C$ ?" ]" t        特征间约束用来定义特征的相对位置、指向、参数间依存关系，包括特征的定位约束和依存约束。一个特征在零件中的位置总是相对于其主特征的（第一个特征除外），表示主子特征间相对位置关系的约束称为定位约束；对于一对主子特征，如果主特征的删除将使子特征失去存在的意义，则称该子特征对这个主特征存在依存约束。特征间的关联有可能出现某一特征同时与两个或两个以上的主特征发生约束关系。
2.2 部件层次的约束
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* ^5 r' I& \. B5 ^3 d" x' v        部件层次的约束是装配件内各组件间的约束，它反映组件间的约束关系，是建立产品装配模型的关键，包括装配约束、表达式约束以及WAVE技术中的约束。
2.2.1 装配约束
        装配约束从总体上体现了产品的功能，而且约束下层零件的结构设计。通过对UGII中实际装配体设计的考察，可以将其概括成3类基本的约束，并以其中的“贴合”最为常用。
(1) 贴合
: v  B$ p" c& I4 j4 O3 e        贴合用于在两组件的表面间建立贴合约束。对于平面型表面，其配对结果是共面且法向相反；对于锥型表面，如果两个表面的锥半角相等，贴合结果是它们重合；对于环型表面，如果两个表面的内外直径相等，贴合结果是它们重合。
0 `" L( U5 A1 A6 J, H% Z+ F  I' f(2) 对准
        对准用于在两组件的表面之间、边之间或点之间建立对准约束。面对准约束使两个表面相邻，且所选面的法向保持一致。对于平面型对象，面对准结果是共面并相邻，面的法向一致；对于轴对称对象，面对准结果是轴重合（不要求所选择表面的半径相等）；边对准结果使两组件的两条边重合在同一直线上；点对准结果使两组件上的两个点重合。
(3) 方向
        方向用于在两组件的表面或边之间建立方向约束。它根据已有的贴合或对准约束所给定的旋转轴，通过给出两组件的方向矢量和角度旋转组件，确定两组件间的方向关系。对于平面型对象，系统通过投影所选面的法向到垂直于旋转轴的面上作为该组件的方向矢量；对于轴对称对象，系统通过从旋转轴到所选取面的旋转轴画出一个方向矢量作为该组件的方向矢量；对于边对象，系统从旋转轴到所选择的边画出一个方向矢量。
(4)关于欠约束和过约束
        通常欠约束不会出现问题，但当某个组件被修改或者替换后，有时会导致组件位置发生改变，因此应尽量使所有组件处于完全约束状态；有时为了确定组件间的装配关系，对于没有自由度的“被配对”组件仍需要添加约束。如图1a所示，在给出两对柱面对准约束后，“被配对”件已完全约束，但其装配关系仍未确定，存在图1b的两种装配可能性，这时就需要再增加装配约束以便唯一确定它。
. A$ t" ?, D6 E7 X        装配约束相对于“固定”位置的组件放置“被配对”件，并建立相互间位置约束。编辑和移动“固定”组件时，“被配对”组件将根据装配约束进行移动；可以通过编辑约束来改变“被配对”组件的位置；通过移动装配内的“固定”组件检查装配件的约束是否完全。
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图1 完全约束组件的不确定装配方式

2.2.2 表达式约束
        部件间表达式用于在不同组件的特征间建立尺寸约束，有重载表达式和引用表达式两种。重载表达式建立装配中组件之间的约束；引用表达式在组件用于引用装配文件中或其它组件中的表达式。这样，装配件或组件中参数值的改变影响其它组件模型的更新。
        【例】在装配assm中有A、B两组件。其中A为“固定”组件，建立A的孔与B的插销间装配约束，并使A的孔径由B的插销直径决定。
: ?& M( l' I0 b8 T        (1)建立装配约束：建立图2a的三种约束后，B组合被完全约束；(2）建立表达式约束：重载表达式：A::hol_dia=B::pin_dia+tol ；在A中建立引用表达式：hol_dia=B::pin_dia ，这样B组件pin_dia或装配中tol的改变，将使A::hol_dia自动更新。

图2 A、B组件间的装配约束

2.2.3 WAVE技术
5 S9 P, U8 j0 o        参数化造型使同一零件的特征间相关成为可能，WAVE技术则将这个概念延伸到在不同组件间，把设计更改贯穿到整个产品的设计过程中，适用于已积累了丰富经验的产品设计。通过将设计知识表达为产品的控制结构，用关键设计参数影响产品的控制结构，最终实现控制模型和装配的更改。
        控制结构是一个含有基本几何体的装配，它构成了产品的轮廓。主要包括基准，草图、曲线，面、片体，用来控制各主要组件的位置和形状和组件间接触面。其上层几何体与下层几何体已建立了关联，并包含控制下层几何体的信息。当上层参数更改时，下层几何体的位置、大小等参数也因上层参数的更改而更新，从而实现自顶而下的控制；最后根据其最底层的种子组件完成实际组件的设计，并自下而上地完成产品的装配，从而实现自顶向下的设计。 ?
) A+ _! u1 H& N/ T3     总 结
+ C3 Q; S6 A0 ?$ z. x        约束是CAD系统捕获设计人员设计意图的重要途径，将约束分为零件和部件层次的约束有助于对约束的正确理解和运用，使设计人员在更高层次上认识和运用UGII中的约束，也是设计人员充分发挥三维CAD系统设计优势的前提和保证。从设计的最初阶段就注意建立起符合设计意图的约束是以后模型能高效正确变更的重要保证，也为模型在CAM、CAE、CAPP方面的应用创造了条件。