安帥偉

摘 要：介紹了Pro/E環(huán)境下的自頂向下設(shè)計(jì)方法，通過某型電子儀器的設(shè)計(jì)過程，展示了自頂向下設(shè)計(jì)方法在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。對于系列化產(chǎn)品的開發(fā)，通過修改骨架模型，利用零部件與頂層骨架模型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：Pro/E；自頂向下；系列化；骨架模型

中圖分類號：F407.63 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0122-02

引言

出于市場多樣化及我所項(xiàng)目種類多、批量小特點(diǎn)的考慮，傳統(tǒng)先設(shè)計(jì)零件，再逐步裝配的設(shè)計(jì)方法，由于其數(shù)據(jù)不具有關(guān)聯(lián)性、設(shè)計(jì)修改不便、多次修改容易引起干涉等諸多弊端，已不能夠滿足需求。本文所介紹的自頂向下設(shè)計(jì)（Top-Dowm Design）方法以設(shè)計(jì)結(jié)果為導(dǎo)向，從整體的概念設(shè)計(jì)出發(fā)，按照產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)逐級細(xì)化，最終落實(shí)到每個細(xì)小零件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程遵循人的思維方式，隨著設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖由粗入精，產(chǎn)品也實(shí)現(xiàn)由抽象到具體的轉(zhuǎn)變。設(shè)計(jì)中以骨架模型為數(shù)據(jù)傳遞載體，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，修改方便。

1 自頂向下設(shè)計(jì)方法（Top-Dowm Design）

與傳統(tǒng)自底向上的設(shè)計(jì)方法相比，自頂向下設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)思維上有著本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)從零件設(shè)計(jì)、裝配，最后完成整機(jī)設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)過程中零部件之間只存在簡單的裝配關(guān)系，不存在設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，容易出現(xiàn)互相干涉的情況。零件裝配操作繁瑣，經(jīng)過多次反復(fù)修改才能得到滿意的結(jié)果，設(shè)計(jì)效率低下。自頂向下設(shè)計(jì)是一種以概念設(shè)計(jì)為起點(diǎn)，逐步細(xì)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個逐步細(xì)化的漸進(jìn)過程，一般包括概念設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等，首先從產(chǎn)品的外形出發(fā)對整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，然后根據(jù)零部件之間的配合關(guān)系拆畫出各級零部件的模型，最終完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。二者相比，自頂向下的設(shè)計(jì)方法優(yōu)勢明顯：

（1）該設(shè)計(jì)方法符合產(chǎn)品開發(fā)過程和設(shè)計(jì)者的構(gòu)思過程，設(shè)計(jì)中首先考慮產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能和最終的外形，其次根據(jù)功能和外形構(gòu)建結(jié)構(gòu)要素，有利于把握結(jié)構(gòu)和功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（2）設(shè)計(jì)修改方便，頂層設(shè)計(jì)信息與底層零件存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，頂層設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)可自動傳遞給底層零件。

（3）便于多子系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)。頂層骨架模型和各子骨架模型集成了產(chǎn)品的關(guān)鍵約束、連接關(guān)系，各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信息均由本層骨架模型傳遞，便于團(tuán)隊(duì)協(xié)作和資源優(yōu)化配置。

（4）便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)。同系列產(chǎn)品往往風(fēng)格一致，結(jié)構(gòu)類似。完成基本型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)后，通過修改其頂層骨架模型，可以實(shí)現(xiàn)同類產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。

Pro/ENGINEER軟件為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一個整體化、關(guān)聯(lián)性的設(shè)計(jì)平臺，可以完美實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì)。

2 某型電子儀器的設(shè)計(jì)過程

2.1 某型電子儀器的外形設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，儀器外形尺寸為426mm（寬）×221.5mm（高）×160mm（深），選用10.4寸液晶屏幕。設(shè)計(jì)初期，根據(jù)外形尺寸及前、后面板特征分布要求確定關(guān)鍵尺寸和位置，給出外形的初步模型。然后按照硬件初步布局要求，由外觀設(shè)計(jì)工程師確定儀器外觀模型。

2.2 骨架模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，儀器結(jié)構(gòu)由前、后殼、內(nèi)部硬件等組成。充分考慮機(jī)箱的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性及可維修性等方面的需求，確定機(jī)箱內(nèi)部的大體框架結(jié)構(gòu)?？紤]到內(nèi)部電路板及電源的散熱及電磁屏蔽需求，對風(fēng)道進(jìn)行合理的規(guī)劃，選擇合適的風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷散熱。對電源及電路板上有電磁屏蔽需求的部分加裝金屬殼體進(jìn)行隔離，以免造成干擾。整機(jī)結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

骨架模型用來表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，是一個3D的參數(shù)化布局，包含了整機(jī)主要的尺寸參數(shù)和零部件的位置及空間設(shè)計(jì)信息，一般由基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系、曲面等組成。根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)層次規(guī)劃，把各級裝配中需要用到的曲面、曲線等外形信息及基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系等位置信息作為共享數(shù)據(jù)納入到骨架模型中。鑒于整機(jī)結(jié)構(gòu)不是特別復(fù)雜，建模數(shù)據(jù)量不是太大，本例只建立整機(jī)骨架模型，所有零部件都以該骨架模型為參照。

2.3 整機(jī)結(jié)構(gòu)詳細(xì)建模

整機(jī)建模中兩種方法最為常用，一是發(fā)布幾何+復(fù)制幾何的方法，二是合并/繼承的方法。兩種方法均能實(shí)現(xiàn)骨架模型到零部件的數(shù)據(jù)共享，但特點(diǎn)及應(yīng)用場合略有不同。發(fā)布幾何是跟復(fù)制幾何配合使用的，發(fā)布幾何可以將骨架模型中的幾個幾何特征收集起來，作為一個整體提供給目標(biāo)零件進(jìn)行共享。復(fù)制幾何是使用在目標(biāo)零件上的，可以把骨架模型中發(fā)布的幾何復(fù)制到零件中來，作為建模的參照和基礎(chǔ)。合并繼承可以把骨架模型中所有的幾何特征復(fù)制過來，但不能單獨(dú)選擇某個特征。

本例中大部分曲面造型主要體現(xiàn)在前殼、后殼、把手三大模塊，該三部分的外形、安裝位置均由骨架模型控制，詳細(xì)設(shè)計(jì)中通過合并繼承把骨架模型復(fù)制過來作為設(shè)計(jì)參照及曲面采集的數(shù)據(jù)源。而其余按鍵、旋鈕、探頭接口等的詳細(xì)設(shè)計(jì)中，通過復(fù)制幾何從骨架模型中把各自的位置及形狀特征復(fù)制出來，作為局部造型的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

3 自頂向下設(shè)計(jì)在系列化中的應(yīng)用

產(chǎn)品開發(fā)中，若每種產(chǎn)品都單獨(dú)研發(fā)，同類產(chǎn)品之間不統(tǒng)一規(guī)劃、互相借鑒，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，設(shè)計(jì)效率低，而且類似的產(chǎn)品不能做成同樣的風(fēng)格，無法形成自己的品牌。同類產(chǎn)品，一般來說原理和硬件結(jié)構(gòu)類似，外觀風(fēng)格一致。我所同類課題，往往有系列化需求，不同型號整機(jī)，除了技術(shù)指標(biāo)上的不同，區(qū)別主要體現(xiàn)在整機(jī)結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸、屏幕大小等方面。系列化產(chǎn)品的開發(fā)中，可以通過修改基型產(chǎn)品骨架模型，實(shí)現(xiàn)同類產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。

如同圖5、6為我所在圖4整機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的兩款產(chǎn)品，該三款產(chǎn)品外形相似，細(xì)節(jié)處卻各有不同。圖5與圖4相比選用了更大的屏幕（12.1寸寬屏），選用了不同造型的把手。圖6機(jī)頭沿用了圖4的風(fēng)格，高度增加了1U，屏幕也換成了更大的12.1寸方屏，整機(jī)形式由便攜式改成了臺式機(jī)。圖5整機(jī)在圖4骨架模型的基礎(chǔ)上，通過修改屏幕、按鍵及把手的特征信息，形成新的骨架模型，設(shè)計(jì)過程繼承了大部分已有信息，大幅提高了設(shè)計(jì)效率。圖6整機(jī)在圖4骨架模型的基礎(chǔ)上，通過修改前殼外形尺寸、按鍵及屏幕特征，形成自己的骨架模型，詳細(xì)設(shè)計(jì)中，只從骨架模型中共享前殼特征，機(jī)箱外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)配合前殼外形，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，形成全新的臺式機(jī)產(chǎn)品。以上兩例產(chǎn)品的開發(fā)中，通過采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，不僅最大限度實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，形成了類似的設(shè)計(jì)風(fēng)格，而且極大地提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了開發(fā)周期，充分體現(xiàn)了自頂向下設(shè)計(jì)方法在系列化產(chǎn)品開發(fā)中的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

基于Pro/E的自頂向下設(shè)計(jì)方法已在企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，軟件提供的建模工具和多種數(shù)據(jù)共享方法，能夠很好的滿足產(chǎn)品開發(fā)需求。我所相似產(chǎn)品之間借用、互相組裝等數(shù)據(jù)共享現(xiàn)象很常見，系列化要求較多，通過修改骨架模型實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法，不僅能夠明顯提高設(shè)計(jì)效率，而且能夠保證系列產(chǎn)品的相同風(fēng)格，對產(chǎn)品開發(fā)及品牌塑造有重要意義。

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