第08章：装配设计 Assembly

1. 装配的目标

装配设计用于组织多个零件的空间关系。单个零件解决”形状是什么”，装配解决”零件之间如何定位、连接、运动和替换”。

从 FreeCAD 1.1.0 起，Assembly 工作台从第三方插件升格为核心工作台，内置在官方安装包中，无需额外安装。工作台采用 Joint 约束系统，提供固定约束、旋转关节、圆柱关节、滑动关节、球关节、距离约束、平面贴合、角度约束等约束类型，取代旧版 A2plus 等的独立装配方案。

装配常见任务：

• 将多个 Body 或外部文件组成产品。
• 定义零件之间的约束或连接关系。
• 检查干涉、间隙和运动范围。
• 组织零件坐标系和层级。
• 为工程图、BOM 和导出准备结构。

2. Assembly 工作台界面

切换到 Assembly 工作台后，界面主要包含以下区域：

• 工具栏：提供创建装配、插入零部件、各类型 Joint 约束、干涉检测等按钮。
• 装配浏览器（Assembly Explorer）：树视图面板，显示装配层级结构——装配根节点、子装配、零部件列表和对应的约束关系。
• 3D 视图：标准三维视图区，约束操作在此完成。

创建装配文档的方法：

1. 通过菜单栏 Assembly → 创建装配，或在 Assembly 工具栏点击”创建装配”按钮。
2. 文档中会出现一个 Assembly 容器对象，作为装配的根节点。

向装配中插入零部件有两种方式：

• 从当前文档插入：点击”插入零部件”按钮，在弹出的对话框中勾选当前文档中的 Body 对象，确认后零部件即添加到装配中。
• 从外部文件插入：点击”插入零部件”按钮，在对话框中选择”浏览文件”，支持 FreeCAD 原生格式（.FCStd）和 STEP、IGES 等通用交换格式。外部零件以链接方式引用，修改源文件后装配会自动更新。

装配浏览器的使用要点：

• 右键点击零部件可进行隐藏/显示、删除、编辑等操作。
• 在浏览器中选中零部件，其关联的约束会高亮显示，便于排查约束关系。
• 双击约束节点可编辑约束参数（偏移距离、角度值、运动范围等）。
• 拖拽零部件可调整其在装配层级中的位置，用于建立子装配分组。

3. 装配前的零件准备

高质量装配从零件建模开始：

• 每个零件有清晰原点和主基准。
• 安装孔、轴线、接口面位置稳定。
• 参数命名一致。
• 文件名、对象 Label 和版本清晰。
• 避免在零件中保留大量无关草图和临时对象。

如果零件原点随意，装配时需要大量补偿 Placement，后续维护困难。

4. 约束类型与操作

Assembly 工作台使用 Joint（关节约束）系统来定义零件间的空间关系。添加约束的一般流程为：按住 Ctrl 依次选中两个零件上的目标几何元素（面、边、轴、点）→ 点击对应约束按钮 → 在弹出的任务面板中调整参数 → 点击确定。

设计时要避免过约束——一个零件应有足够约束来定位，但不要重复限定同一自由度。固定基准件后再逐个装入其他零件，是避免约束冲突的基本原则。

Fixed Joint（固定约束）

将零件完全固定，消除其所有六个自由度。第一个插入装配的零件通常需要添加 Fixed Joint 作为装配基准，否则整个装配缺少定位锚点。

• 操作：选中零件上的任意面或边 → 点击 Fixed Joint → 确认。零件被锁定在当前空间位置，不会被其他约束推动。

Planar Joint（平面贴合）

将两个平面对齐贴合。约束两平面共面（Z 轴同向），保留平面内的平移自由度和绕法向的旋转自由度。常用于底板与立板的安装面贴合。

• 操作：按住 Ctrl 选中第一个零件的底面和第二个零件的顶面 → 点击 Planar Joint → 在面板中可设置”偏移距离”（Offset），正值为拉开，负值为压入。

Revolute Joint（旋转关节）

实现轴同心 + 面共面，保留一个绕轴的旋转自由度，用于铰链、轴承、门轴等连接。由两个约束组成：两轴同心 + 两参考面共面。

• 操作：按住 Ctrl 选中第一零件的圆柱面（或圆形边）和第二零件的圆柱面（或圆形边）→ 点击 Revolute Joint → 系统自动检测轴心对齐。可在面板中设置旋转角度和角度范围。

Cylindrical Joint（圆柱关节）

两轴同心，允许沿轴向滑动和绕轴旋转，共两个自由度。用于活塞杆与缸体、滑动轴套等场景。

• 操作：按住 Ctrl 选中两零件的圆柱面 → 点击 Cylindrical Joint → 可设置轴向移动范围和旋转角度范围。

Distance Joint（距离约束）

保持两个元素之间固定的距离值，不限制方向。适合孔距定位、零件间隔控制。

• 操作：按住 Ctrl 选中两零件的面（或边/点）→ 点击 Distance Joint → 输入距离值。距离可以是正数（沿法向正方向）或负数。

Angle Joint（角度约束）

保持两个平面或轴线之间固定的夹角。适合加强筋的倾斜角度、支撑架的斜撑定位。

• 操作：按住 Ctrl 选中两零件的平面（或边线）→ 点击 Angle Joint → 输入角度值（单位：度）。

其他约束类型

• Slider Joint（滑动关节）：两零件沿一条轴直线滑动，禁止旋转。操作方式类似 Cylindrical Joint，但锁定旋转自由度，仅保留一个轴向平移。用于导轨、抽屉滑轨等。
• Ball Joint（球关节）：两点重合，允许三个旋转自由度。选中两零件的顶点或球面中心点 → 点击 Ball Joint。用于球头连杆、万向节等。

5. 组织方式

常见装配组织方式：

• 单文件多 Body：适合小型产品和教学案例。
• 主装配引用外部零件：适合真实项目，便于分工和复用。Assembly 工作台对外部零件的引用以链接方式管理，修改源文件后装配自动更新。
• Std Part 层级：在单个文件内用于坐标层级和子系统分组。
• Assembly 容器：Assembly 工作台的核心对象，承载零部件链接和约束关系。

项目越大，越应该使用清晰的文件结构，例如 parts/、assemblies/、drawings/、exports/。

6. Top-down 与 Bottom-up

两种常见装配设计方法：

• Bottom-up：先建零件，再装配。适合标准件和已有零件组合。
• Top-down：先定义总体骨架、接口和空间，再派生零件。适合产品开发。

FreeCAD 中 Top-down 可借助 Spreadsheet、Master Sketch、ShapeBinder 和外部引用实现，但需要严格控制引用方向，避免循环依赖。

7. 干涉与间隙检查

装配完成后应检查：

• 零件是否相互穿透。
• 运动范围内是否碰撞。
• 螺栓、垫圈、螺母是否有足够空间。
• 装配工具是否可达。
• 加工和安装公差是否考虑。

Assembly 工作台内置干涉检测工具：在工具栏点击”干涉检测”按钮，选择两个或多个零部件，工具会计算并高亮显示重叠区域。对于运动机构，可拖动关节的角度/位移滑块，在运动范围内分段检查碰撞。

此外，FreeCAD 还可通过布尔 Common、剖切视图、透明显示、测量工具辅助检查。

8. 标准件管理

标准件不建议每次手工建模。可采用：

• 建立本地标准件库。
• 使用参数化螺栓、螺母、轴承模型。
• 从供应商下载 STEP 后转换和清理。
• 用统一命名记录规格、材料和标准号。

标准件模型应适度简化。过于精细的螺纹和倒角会拖慢装配重计算和图形显示。

9. 装配导出

装配可导出为 STEP、3MF、STL 或图纸。注意：

• STEP 保留精确几何，适合协作和制造。
• STL 只保留网格，适合 3D 打印预览。
• 导出前确认可见对象和选择对象。
• 外部链接零件应全部可解析。
• 对外共享前清理隐藏实验对象。

导出 STEP 时，在菜单中选择 Assembly → 导出装配为 STEP，可选择导出所有零件或仅导出选中零部件。导出后的 STEP 文件在第三方 CAD 软件中打开时，各零件保持独立实体，装配结构被保留。

10. 装配实践案例

以”电机安装支架装配”为例，完整演示 Assembly 工作台的操作流程。

零件组成：底板（base_plate）、立板（vertical_plate）、加强筋（rib）、螺栓（M8×20，4 个）。

步骤 1：创建装配文档

新建 FreeCAD 文档，切换到 Assembly 工作台。点击工具栏”创建装配”按钮（或菜单 Assembly → 创建装配），文档树中出现 Assembly 节点。保存文件为 motor_bracket_asm.FCStd。

步骤 2：插入底板并添加 Fixed Joint

点击”插入零部件”，选择底板（base_plate）所在的文件或当前文档中的 Body。底板插入后，按住 Ctrl 在 3D 视图中选中底板的任意一个面，点击工具栏 Fixed Joint 按钮（锁形图标），在弹出的面板中确认。底板即成为装配基准，位置锁定。

步骤 3：插入立板，使用 Planar Joint + Distance Joint 定位

插入立板（vertical_plate）。按住 Ctrl 选中底板的顶面（大平面）和立板的底面，点击 Planar Joint，偏移量设为 0（完全贴合）。

定位水平方向：按住 Ctrl 选中底板侧边和立板侧边，点击 Distance Joint，输入距离值（例如 20 mm），将立板定位在底板的指定位置。此时立板被充分约束。

步骤 4：插入加强筋，使用 Planar Joint + Angle Joint 固定

插入加强筋（rib）。按住 Ctrl 选中加强筋的一个侧面和底板的顶面，点击 Planar Joint。按住 Ctrl 选中加强筋的斜面（与立板接触的面）和立板的侧面，点击 Angle Joint，输入角度 0°（两面平行贴合）。如需偏移，可在 Planar Joint 的面板中设置 Offset 值。

步骤 5：插入螺栓（外部 STEP 文件），使用 Cylindrical Joint + Planar Joint

4 个螺栓从外部 STEP 文件导入。点击”插入零部件”→ 浏览文件，选择螺栓的 STEP 文件。将第一个螺栓移到安装孔附近。

按住 Ctrl 选中螺栓的圆柱面和底板上安装孔的圆柱面，点击 Cylindrical Joint（轴同心）。按住 Ctrl 选中螺栓头底面和立板外表面，点击 Planar Joint，设置偏移使螺栓头与立板表面贴合。重复操作插入其余 3 个螺栓。

步骤 6：干涉检查

点击工具栏”干涉检测”按钮，在弹出的对话框中按住 Ctrl 选中底板、立板、加强筋和 4 个螺栓，点击”计算”按钮。工具列出所有干涉体积。如有干涉区域（如螺栓直径大于孔径），在列表中点击对应结果，3D 视图中干涉区域以红色高亮显示。根据结果调整孔径或螺栓规格。

步骤 7：导出装配体为 STEP

菜单选择 Assembly → 导出装配为 STEP，命名文件 motor_bracket_asm.step。导出时可选择是否包含隐藏零件。在另一台 CAD 软件中导入验证，确认装配结构完整。

11. 常见问题

约束冲突如何诊断

如果约束面板中某条约束以红色边框标记，或在状态栏提示”Solver failed（求解失败）”，说明存在约束冲突。在装配浏览器中逐条检查约束的几何引用——常见原因包括：重复约束了同一自由度、引用几何在模型修改后失效、零件被两个互相矛盾的约束定位。解决方法是逐条停用约束（右键 → 禁用），定位到冲突约束后删除或修改。

外部文件更新后装配不同步

Assembly 工作台对外部零件采用链接引用。如果修改了外部零件文件，重新打开装配文件时，FreeCAD 会提示”外部文件已变更，是否更新”。点击”更新”即可同步。如果未弹出提示，可在装配浏览器中右键零部件 → 更新链接，手动触发同步。

避免约束冗余

约束冗余是指用过多约束去限定同一自由度——例如已经用 Planar Joint 贴合了两个面，再用额外的 Fixed Joint 锁定同一零件，或者距离约束与角度约束产生矛盾。一条经验法则：每添加一个零件后，检查该零件是否还能在期望之外的方向移动；如不能移动且约束数量超出必要值，就存在冗余。

大型装配体性能建议

当装配体包含几十个以上零件时，可在菜单 视图 → 显示模式 中选择”简易表示”（Simplified representation），降低图形负载。对于暂不编辑的零部件，右键 → “冻结”可将其排除在重计算之外。标准件（螺栓、垫圈）使用简化模型（去除螺纹和倒角）能显著提升性能。