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前言
今天，大多数的产品都是由多于一个零件的组合件组装而成，所凭借的是产品的复杂程度，产品可以由数个甚至数十万个组件组成。由零件装配而成的组装件，本身可以是一个独立的产品，同是亦可以是其它产品内的一个零组件。这些组件或次组件可以是市面上采购的工业标准件，也可以是企业内部自行开发的通用标准件。这些组件或次组件一般是透过特定的组装关系安装到产品的总组立件上。
产品开发设计人员面临的挑战是如何选择合适的标准件、共享件，借助不同的组合而去完成新的产品设计。传统的2D组合件工程图样仅能显示产品组件间的2D组装及空间配置关系，设计人员无法完全直观地检视各组合组件的3D配合、接触状况和功能展示。这常常会导致配合与公差所产生的问题，一直到设计周期快结束时才被发现，届时需要纠正这些问题就不得不付出更高的成本和大量的时间。利用三维实体设计系统进行交互式的装配体设计，设计人员就可以在设计的最初阶段评估即可解决配合和公差等问题。
交互式的装配体建模
组合件构建模型的方式就是利用计算机把不同的零组件按照设计思路组装起来。组合件的实体建模，一般可分为两种方法：（一）由下而上（Bottom Up）和（二）由上而下（Top Down）的设计法。传统的CAD组装技术要求设计人员先完成各零件的模型建构，然后按照组合要求进行组装，是典型的由下而上的组合件建模过程。设计人员必需透过移动、旋转等指令，对新加入的零组件进行定位。零组件之间并无配合关系，当其中的零件无论是在外形或位置上有所改变时，设计人员必需重新调整各零组件的相对位置及相互关系。
目前，大多数的三维实体设计系统都会同时支持由下而上及由上而下的组合件建模方法，如此可以配合不同的组合件设计需求。有部分系统更提供多种选项，以提高设计和管理大型组合件的能力与效能，以及支持同步工程让设计人员可以针对同一组合件进行同步设计，为设计人员在产品开发过程当中真正实现三维环境所带来的高生产效率。
事实上，实体建模技术发展到今天，已经不再单纯为了要建立产品的实体模型，而是协助设计人员设计出更好质量的产品智能技术。过去，使用那些2D或3D的计算机辅助设计工具的目的是为了产生工程图，或是为了加工而建模。着眼点都放在工具所产生的结果（模型或工程图样），并没有注意到使用这些工具的过程。今天，三维实体建模系统已逐渐发展成为设计人员的设计工具，成为设计过程的其中一部分。
产品的设计在使用3D实体设计系统的过程中不断蜕变成长，最终成为完整的设计。换句话说，使用的设计工具与设计过程已经融为一体。当中有几项特别重要的智能技术，其一是实体模型的准确性和可靠性，能不含糊地描述产品的立体几何形状。其二是实体模型的可视化程度高，设计人员可以非常直观地观察及审视设计中的产品模型。其三就是互动性强，设计人员可随时拖动、旋转以及修改模型。在没有3D实体模型可观察和审视，又或者在模型难于互动和修改的条件下，设计人员只能凭经验及想象来进行设计，而可视化程度高兼互动性强的三维实体设计系统使得实时建模变得可行。这种实时交互式的建模过程改变了设计人员传统的『想好了才画』的设计方法，使得产品建模过程变得更为互动，达到『边思考边建模』的设计方法。这种『边思考边建模』的方法让设计人员做出更多“如果这样，会怎样？”的尝试，对设计做出更全面的考虑，从而达致更好的产品设计。
在组合件的建模过程中，设计人员可以在互动的情况下对组合件做出以下的模拟及应用：
动态仿真
（1）运动模拟 – 新添加到装配体的零组件在结合或固定之前是可以在组合件中自由移动的。也就是所谓的6个自由度：沿X、Y、Z轴的移动和绕这3个轴的转动。一个零组件在组合件中如何运动是由它的自由度所决定。在一般情况下，加入装配体的第一个零组件预设状态是固定在装配体的原点上，其它零件则利用结合条件确定位置。添加结合条件等同于添加几何约束关系，每添加一个结合条件就会减低零组件的若干自由度。例如同轴心的结合条件就只允许两个零件沿着轴的方向移动和绕着轴来转动，因此只有2个自由度。按照以上原理，设计人员就可以在组合件的环境下拖动拥有自由度的零件，仿真组合件的运动情况。
当零件被拖动时，系统的3D约束解算器就会计算该零件及其它相关零件所能够容许的活动范围及位置，实时反映到屏幕上。例如图1a及1b中的轴与套环，当设计人员拖动套环的时候，它会沿着轴的方向上下移动，而自身也可以绕着轴旋转。要注意的是，由于轴跟套环之间的结合条件仅为几何约束关系，因此，只要轴跟套环仍然保持同轴心的结合关系，套环是可以穿过甚至离开轴的。如图1c及1d所示。
a）
b）
c）
d）
图1 运动自由度的约束关系
（2）干涉检查 – 利用干涉检查可以发现组合件中零组件之间的干涉情况。设计人员可以选择整个组合件或部分零件并寻找它们之间的干涉，干涉部分一般会以列表显示，并在模型中特有问题的区域涂上不同颜色。
（3）碰撞检查 – 组合件的静态干涉检查只能检查组合件内零组件在一定条件下的干涉，然而当组合件运动时，就需要一种动态地检查碰撞的方法。碰撞检查的方法容许设计人员对整个组合件或部分零件进行动态干涉检查，当零件被拖动而引致组合件在运动中产生两个或以上的零件发生碰撞时，组合件会停止运动，系统同时会发出警告及提示发生碰撞的零件及范围。
（4）具体动态 – 具体动态是基于运动仿真及碰撞检查发展出来的技术，是以现实的方式查看组合件零部件运动的先进方法。启动具体动态功能后，当拖动一个零组件时，此零件就会向其接触的零组件施加作用力，并使接触的零组件在允许的自由度范围内移动。具体动态可以在整个组合件范围内应用，拖动的零组件可以推动其它零件的向前移动，之后可能也继续推动另一个零组件的移动，如此类推。要注意的是具体动态并没有具备动力学分析的功能。具体动态所引起的运动并没有考虑诸如动力、摩擦力等方面的因素，也没有考虑零件间的碰撞是弹性碰撞还是刚体碰撞，仅仅是仿真组合件在互动情况下的运动而已。
（5）动态仿真 – 动态仿真可以仿真例如马达、弹簧和地心引力等作用力在组合件中的的效果。结合组合件的结合条件和动态仿真等，可以实现零组件在组合件中的运动，利用有结合条件的组合件来支持仿真的效果。图2所示为组合件中的电机加上马达转动的实际仿真后，组合件会仿真马达在转动时带动其它零组件的相对运动情形。
图2 电动机带动机构运动
智能型组装
智能型组装 – 智能组装是基于组合件的结合关系所发展出来的先进组装方法。一般是透过赋予零组件预设的结合条件，在互动的组装过程中自动找出相对应的配合对象而完成快速与准确的配合关系。基于不同的结合条件，智能型组装大致可分为：
（1）基于几何元素的智能组装 – 设计人员可以对零件的几何元素，如边线、顶点、面等预设多种结合关系（例如同轴心及重合等），在组装过程中可直接从设计库中拖出零件放到组合件中，系统会自动判别当时的情况而自动产生组装关系。相比于先插入零件再施加多种结合关系来得有效率。例如，通过一次拖放动作，就可以自动产生三种结合关系，包括2个同轴心组装关系和1个重合的结合条件，如图3所示。
图3 一次拖放自动产生三种配合关系
（2）基于智能型零组件的智能组装 – 如前段所述，很多产品都包含了大量的外购件或企业自定义的标准件。利用实体建模技术除了可以为这些标准件建立零件库及设计库之外，还可以对这些标准件在组合件中的形态（包括结合关系和几何形状）做出定义，例如轴与轴承就有着同轴的配合关系和孔径相等的几何形状关系。又例如螺栓的直径与长度就会与零件的装配孔直径与深度相关。经设计人员定义好的智能型零组件除了可以自动找出结合条件并做出配合外（如同轴心、重合等），同时亦能够在装配的过程中自动判别及调整几何尺寸以符合组合件的需要。尺寸的调整主要是由标准件的规格决定，经由设计人员制定成系列标准件而存于零件库内，组装时系统会因应装配条件而选出最合适的零件
。
（3）基于几何及应用特征的智能型组装 – 这种结合方法除了在组装时零组件之间会自动找出零件间的结合关系外，还会对组合件内的其它零部件产生支持该结合种类的应用特征，也就是在组装过程中，同时产生结合关系及建立新的套用特征。例如，当设计人员将一个轴承次组件组装到一根轴上时，轴承次组件除了与轴自动产生同轴心的结合关系与对应不同直径轴的不同尺寸模型组态外，还会在底板上自动产生一个凸台来支撑整个轴承次组件，如图4所示。
图4 基于几何及应用特征的智能型组装方法
对应轴承次组件摆放的位置而自动产生凸台的两种情况如图5所示。图5a的轴承比较小而凸台比较高。图5b的轴承孔径比较大而凸台比较低。要注意的是轴承孔径的变化并非是无段的，而是按照设计人员先前所定义的不同规格所做出的变化。而凸台的大小及高度则是由轴承次组件的大小来驱动。
a）
b）
图5 基于几何及应用特征的智慧配合方法
（4）基于几何及应用特征的智能型组装及智能型零组件的智能组合 – 这种方法集合了上述三项技术，在组装的过程中可同时产生新的结合关系，并添加新的应用特征和插入新的智能型零组件。以上述的例子为例，在装配完成后，系统除了在零件库中选出最合适的轴承次组件进行组装与添加合适的凸台外，还进一步为轴承次组件与凸台配上适合的螺栓组合。如图6所示。
图6 基于应用特征及智能型零部件的智能型装配方法
组合件建模与同步工程
要设计一件只有少量零件的产品，有了交互式的实体组装建模技术，设计人员便可以很轻松地完成任务。但假若产品所包含的零组件是数以百计，甚至上千计时，个别的工程人员便很难单独地完成设计工作。传统处理大型组装件的方法是先由总体设计师把设计概念以模块形式绘画成2D产品的方案图，再交由不同的设计组进行具体分析及设计。由于方案图只描绘整体的设计思路及主要模块的功用，并没有具体的尺寸及内容，因而无法界定模块间的结合关系。不同的设计组往往需要等待其它设计组完成部分设计后，才可以展开工作。这种串连式的设计流程使产品开发周期变得很长。
采用同步工程技术，各设计组可同时对大型组合件进行设计。一般的大型装配体都包含了许多的零组件，其中大部分为标准件。如前所述，标准件又可分为外购件及自定义件。外购件泛指那些从供货商购入之标准零件，如螺栓、轴承、机电设备等。自定义件则是企业内部自行设计且经常使用的零组件。由于外购件的供货商一般都会把零件规格详列于手册内，设计人员可以利用3D实体设计系统把常用的外购件，根据产品规格及编号，建立一标准零件库，储存于企业的数据库内，待有需要时再调出来使用。同样地，内部开发的零件亦可按照不同的规格进行模型的建立，再储存进数据库内。目前最新的发展是很多零组件供货商已经在因特网上建立了完整的在线3D零件目录，让设计人员直接造访取用。设计人员只需要在网站上输入所需的产品规格或编号，网站便会实时地建立该零件的3D实体模型，以供设计人员查看，旋转、放大或缩小。设计人员确定找到了适合的零组件之后，更可进一步利用上述交互式组合件建模技术将零部件直接从网络上拖曳置放到组合件中，大大减轻了对外购件重新建模的工作量。
总结
实体建模的优点毋容置疑，直接在3D的环境中进行产品开发及设计已经是大势所趋，也是企业走向数字化设计及制造的必经之路，更是企业提高自主创新能力的重要手段。传统的2D设计方法和工具会逐渐被先进的3D设计系统所取代，企业必须明白并懂得利用交互式组装建模技术在企业内部建立完整的智能型标准件库，才可以充份发挥实体建模技术所带来的最佳好处。否则，3D实体设计系统就只能成为用来建立实体模型及产生工程图样的建模工具，那可就大大减低了3D设计的实用性与真正目的。
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