王　博，劉　旭，劉清濤

(1.西安航空學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，西安　710077； 2.長安大學(xué)， 西安　710064)

Pro/E自頂向下方法在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

王博1，劉旭1，劉清濤2

(1.西安航空學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，西安710077； 2.長安大學(xué)， 西安710064)

摘要：闡述了自頂向下設(shè)計方法的基本原理，并對兩種自頂向下設(shè)計方法的特點(diǎn)進(jìn)行比較，說明主控零件法優(yōu)勢更為明顯。以一款直板手機(jī)為例，運(yùn)用Pro/E三維設(shè)計軟件，采用主控零件法對具體產(chǎn)品的設(shè)計流程和設(shè)計變更進(jìn)行了詳細(xì)講解。結(jié)果表明：應(yīng)用自頂向下的設(shè)計方法更容易實現(xiàn)對產(chǎn)品的修改和重建，非常適合現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計多變的要求，對于提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：自頂向下；主控；骨架；Pro/E

目前大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計時都采用傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計方法，即工程設(shè)計人員首先仔細(xì)研究單個零件的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計出零件圖，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)裝配關(guān)系將零件裝配成部件，部件經(jīng)過試驗證明合格后再進(jìn)行上一層的裝配，如此逐步地完成整個產(chǎn)品的設(shè)計[1]。這種設(shè)計方法適應(yīng)于一些比較成熟的產(chǎn)品設(shè)計，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中不會做大的改動，可以獲得比較高的設(shè)計效率。但是，這種方法的缺點(diǎn)也非常明顯，如在設(shè)計時缺乏對產(chǎn)品全局性的考慮，不但不符合設(shè)計過程中工程師的正常思維模式，而且各零件之間容易產(chǎn)生干涉或者不匹配的現(xiàn)象，并且當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計要求有所變化時，已經(jīng)裝配好的各零件不能自動產(chǎn)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致工程師不得不花費(fèi)大量的時間對產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行修改和重建?，F(xiàn)代的機(jī)械產(chǎn)品大多都是小批量、多規(guī)格，在設(shè)計過程中要經(jīng)常做改動，因此采用這種方法已經(jīng)嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。

運(yùn)用Pro/E軟件，采用自頂向下的設(shè)計方法，在設(shè)計時從全局和整體入手，先勾畫出產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)關(guān)系，然后在總體設(shè)計方案的約束下對各個零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計[2]，不但符合產(chǎn)品設(shè)計過程中設(shè)計者的思維過程，而且在設(shè)計過程中可以邊設(shè)計、邊修改，不會出現(xiàn)許多繁冗的重復(fù)性工作，對于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和改善設(shè)計質(zhì)量具有重要的參考價值。

1自頂向下設(shè)計方法的基本概念

自頂向下設(shè)計就是在產(chǎn)品設(shè)計階段首先考慮產(chǎn)品的功能需求，然后選擇合適的零件來滿足產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能，再根據(jù)所選擇的零件在產(chǎn)品中所起的作用來進(jìn)行布局裝配，最后才是對零件的細(xì)化設(shè)計。該方法是一種對產(chǎn)品從全局進(jìn)行規(guī)劃的設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計方法相比，在設(shè)計思路上是先整體后零件，兩種設(shè)計方法的思路比較如圖1所示。由圖1的對比可以看出，自底向上的設(shè)計方法缺乏對產(chǎn)品全局性的考慮，在設(shè)計過程中如果某個零件的參數(shù)需要修改，會使整個圖檔出現(xiàn)許多重復(fù)性的工作，設(shè)計效率低下。而采用自頂向下的設(shè)計方法可以避免這些問題的出現(xiàn)。

圖1　Top-down設(shè)計和Bottom-up設(shè)計思路比較

2兩種自頂向下設(shè)計方法的比較

產(chǎn)品的設(shè)計過程是一個創(chuàng)造性的從無到有的工作過程[3]。首先要明確產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能，由功能需求提出設(shè)計方案。設(shè)計方案一般會有好幾種，需要結(jié)合可制造性以及經(jīng)濟(jì)性綜合對比選出最佳方案，進(jìn)而對所選方案進(jìn)行分解，產(chǎn)生總裝配草圖，最后再生成零件的詳細(xì)信息。這其實是一個將設(shè)計信息從全局向細(xì)節(jié)傳遞的過程。Pro/E軟件中有兩種自頂向下設(shè)計方法：頂層基本骨架法和主控零件設(shè)計法。

2.1　頂層基本骨架法

頂層基本骨架法是根據(jù)一個產(chǎn)品各零件之間的關(guān)系，創(chuàng)建一個特殊的零件模型，即頂層骨架[4]，利用這個模型來規(guī)范和總覽全局，也可以認(rèn)為它是一個產(chǎn)品的三維布局圖，集中存貯著產(chǎn)品中零件的裝配信息。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，首先根據(jù)產(chǎn)品中零件的布局規(guī)劃創(chuàng)建一個頂層骨架，再創(chuàng)建承載頂層骨架設(shè)計信息的下一級骨架，然后依次傳遞，每一層的零件裝配都以各層的骨架模型信息作為參考，最后由裝配圖完成對單個零件的詳細(xì)設(shè)計。設(shè)計思想如圖2所示。

2.2　主控零件設(shè)計法

主控零件設(shè)計法在頂層基本骨架法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在設(shè)計中將頂層基本骨架從產(chǎn)品的裝配模型樹中單獨(dú)列出，定義為主控零件；主控零件控制著整個產(chǎn)品的裝配關(guān)系，產(chǎn)品模型中需要共享數(shù)據(jù)的各零件以主控零件為參照[5]，在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時可防止發(fā)生互相干涉[6-7]。在設(shè)計時，主控零件的更改可同步反映到每一個被控零件上，確保了設(shè)計的一致性，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的模塊化和多人同時協(xié)同設(shè)計，真正體現(xiàn)了并行工程的思想。設(shè)計思想如圖3所示。

圖2　頂層基本骨架法設(shè)計思路

圖3　主控零件設(shè)計法設(shè)計思路

通過比較可以看出，相對頂層基本骨架法而言，主控零件設(shè)計法的建模體制共用數(shù)據(jù)更少，參照關(guān)系更簡單，工程師之間的數(shù)據(jù)共享更容易實現(xiàn)，設(shè)計意圖易于溝通，同時工藝設(shè)計直觀性好，可以實現(xiàn)并行工程，能實現(xiàn)造型與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計。

3直板手機(jī)的自頂向下設(shè)計

3.1　手機(jī)結(jié)構(gòu)分析

如圖4所示，該手機(jī)的結(jié)構(gòu)部分分為四大塊，分別是“上蓋”、“下蓋”、“電池蓋”和“按鍵”。

圖4　產(chǎn)品外觀

3.2　創(chuàng)建主控件零件三維模型

在工程實際中，主控零件圖最初是一張布局草圖，它是根據(jù)市場的需求，由工業(yè)工程師繪制的產(chǎn)品整機(jī)的外觀效果圖，在得到客戶確認(rèn)后，將效果圖輸出為IGES格式的線框圖。圖5為IGES格式的主控零件圖。將此圖導(dǎo)入Pro/E中，利用Pro/E中的命令生成主控零件的三維模型。具體操作過程如下:

1) 新建頂級組件mobile.asm。在頂級組件下創(chuàng)建一個主控模型Master-mobile_skel.prt。單擊[插入]下拉菜單，選擇[元件]→[創(chuàng)建]，彈出[元件創(chuàng)建]對話框，選擇[骨架模型]后再選[復(fù)制現(xiàn)有]，然后到軟件安裝目錄下打開[templates]目錄，選擇模板文件為[mmns_part_solid.prt]。如圖6所示。

圖5　IGES主控零件圖

圖6　模板

2) 在Pro/E中導(dǎo)入IGES格式的線框圖。單擊[插入]下拉菜單，選擇[共享數(shù)據(jù)]→[自文件]，選擇處理好的DXF檔案，將線框?qū)隤ro/E軟件中，如圖7所示。

3) 以導(dǎo)入后的線框圖為參考進(jìn)行描線，先將整機(jī)的長、寬、高的線條描出，用來控制整機(jī)尺寸，再描拆件線和零部件的細(xì)節(jié)線，然后再由線建面，逐步生成主控零件的三維模型，最后創(chuàng)建各零件的分型面。主控零件的三維模型如圖8所示。

圖7　導(dǎo)入Pro/E后的ID線框圖

圖8　主控零件的三維模型

3.3　拆零件

拆零件就是把零件的所有外觀面包括細(xì)節(jié)特征都做出來。首先創(chuàng)建一個僅含缺省坐標(biāo)系PRT-CSYS-DEF及缺省基準(zhǔn)面RIGHT、TOP和FRONT的手機(jī)上蓋零件[8-9]。將主控零件與電話上蓋裝配在一起，再將主控零件合并(merge)到手機(jī)上蓋零件上。此時手機(jī)上蓋零件即含有主控零件的幾何模型。以手機(jī)上蓋復(fù)制1個相同的零件作為手機(jī)下蓋的雛型零件，即手機(jī)下蓋零件具有主控零件的幾何模型。對上下蓋零件進(jìn)行切割(cut)、抽殼(shell) 等操作得到手機(jī)上、下蓋零件。其余零件可按照此方法進(jìn)行拆件。零件圖如圖9所示。

圖9　零件圖

3.4　產(chǎn)品的設(shè)計變更

在設(shè)計過程中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)需要經(jīng)常變更。在變更時，單擊Pro/E中的[插入]下拉菜單，選擇[共享數(shù)據(jù)]→[自文件]，[重新加載]新的IGES格式的主控零件到原來的圖檔中，再根據(jù)具體需要對產(chǎn)品的裝配位置和相關(guān)尺寸進(jìn)行重新規(guī)劃和修改，然后打開原來已經(jīng)拆分好的零件，在零件文件中導(dǎo)入新的IGES格式的主控零件，點(diǎn)擊[重新生成]命令，零件可自動完成圖檔更新。自動更新后的零件會驅(qū)動產(chǎn)品的裝配圖發(fā)生更新。整個過程如圖10所示。

圖10　設(shè)計變更流程

4結(jié)束語

采用主控零件自上向下設(shè)計法，完成了一款直板手機(jī)的快速設(shè)計，減少了設(shè)計過程中大量不必要的重復(fù)性工作，為設(shè)計人員節(jié)約了時間。這種設(shè)計方法已得到工程設(shè)計界的普遍認(rèn)可，可為類似產(chǎn)品的設(shè)計提供實際參考。

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(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2015-03-22

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51305042)

作者簡介：王博(1983—)，男，碩士，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論、方法與技術(shù)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.007

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-8425(2015)07-0040-04

Application of Top-Down Method in Modern Mechanical
Product Design Based on Pro/E

WANG Bo1, LIU Xu1, LIU Qing-tao2

(1. School of Mechanics, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China;

2. Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:On the basis of introducing the principle and advantages of top-down design method, two different top-down design methods were contrast researched. The research indicates that the top-down design method of master model is a better approach. Combined with the detailed design process of a candy bar phone under the Pro/E environment, the design process and design changes were interpreted. The result shows that top-down design method can realize the modifying and rebuilding of products more easily and is very suitable for the changing requirements of modern mechanical product design. So the method has the important valuation for improving design efficiency and quality of product.

Key words：top-down; master; skeleton; Pro/E

引用格式：王博，劉旭，劉清濤.Pro/E自頂向下方法在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(7):40-43.

Citation format：WANG Bo, LIU Xu, LIU Qing-tao.Application of Top-Down Method in Modern Mechanical Product Design Based on Pro/E[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):40-43.