ＴＯＰ－ＤＯＷＮ Ｄｅｓｉｇｎ在紡織機械設計中的應用研究

［摘 要］Pro/E中的Top-down Design就是利用骨架模型來傳達設計意圖及設計架構，并且管理零件與零件之間的外部參考，骨架模型內可以包含基準面、基準軸、基準點、曲面、曲線等，本文通過輥筒設計研究Top-down Design在紡織機械設計中的應用。

［關鍵詞］Pro/E TOP-DOWN 紡織機械 輥筒設計

［中圖分類號］TS190 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1009－5489(2008)09－0260－03

Pro/E是目前機械行業設計方面具有代表性的高端三維設計軟件，它包含了產品設計、裝配、分析仿真、工藝與制造等眾多模塊，現在國內也已廣泛應用于機械、汽車、輕工、家電、航空和船舶等領域。基于Pro/E的TOP-DOWN DESIGN(自頂向下設計)是紡織機械產品設計的一種先進手段和方式，Top—Down Design的設計思想是在產品整機設計階段的最初就定位在產品系統構成的最高層面來考慮產品的總體設計和功能設計。該方法是從產品構成的最頂層開始把組成整機的部件作為系統的一個零件來考慮，并根據其在產品中的相互位置關系所起的作用和實現的功能等建立產品構成的二維布局(布局文件)，進行方案設計，確定產品控制的關鍵參數；利用三維skeleton圖形通過給定設計約束條件、關鍵的設計參數等設計信息，集中地捕捉產品整機設計意圖，自上而下地傳遞所給設計信息展開產品的整個設計過程。同時，建立子組件結構骨架模型，進行二級組件結構的三維規劃；最后，按產品結構展開設計，建立各部分與總布局中參數的數學關系。利用此種方式進行的產品設計可以通過參數的傳遞來傳達產品的整體設計意圖，保證設計信息的連貫性、正確性和統一性。下面通過紡織機械中常用的輥筒設計為例簡述TOP-DOWN的設計理念。

TOP-DOWN的設計理念

一、設計信息的建立

產品的規劃設計是從布局方案圖開始的。利用Pro/E的布局文件草圖設計設計師在布局文件中勾勒出產品總體設計的結構草圖。利用草圖上所創建的注釋文字和尺寸標注更清晰地表達設計思路。布局模型中最關鍵和重要的部分是參數表。參數是控制產品設計結果的重要手段和方法，是所設計產品參數化、系列化程度的關鍵。

TOP-DOWN Design過程中設計信息的建立就是建立布局布局圖(方案草圖)，建立參數表格。它完成傳統設計中的草繪設計圖以及整機核心設計信息的建立如位置、尺寸關系式、功能性部件的設計分析等。具體方法如下：

1.在Pro/E中新建立布局文件。作為自頂向下設計流程的第一步，在創建元件和組件之前，可以通過布局記錄設計標準和規范。

2.在所建立布局文件中繪制方案圖，簡述所設計產品的參數控制區域及布局，并依據設計要求標注需要控制的關鍵設計參數。

3.建立參數表格，列出所設計產品在此階段需要控制的所有參數，并賦予他們正確的值。

4.依據所設計產品參數化要求，按設計需要建立參數之間的數學模型關系，以滿足產品參數的驅動。

5.聲明布局

將所做的參數布局聲明，達到參數共享的目的，使布局中的設計信息及參數模型能夠傳遞到元件和子組件中，關聯到相應的產品模型，為接下來的設計工作提供設計依據和參照。

二、建立構成產品的各零部件的主從關系裝配體

創建空的組件模型和不含任何零件的子裝配的空的下級組件和不含任何特征的零件模型。

三、根據布局建立產品結構的骨架模型

產品結構建立完成后，就需要進行具體組件模型的設計，首先組件模型，并創建相應的骨架模型。骨架模型只由空間點、線和基準面等無質量特性的特征構成，用以預先定義機構的空間構成布局。在組件中須先用Declare命令使設計與前面已完成的布局文件建立聯系，之后才可以在組件以及下級的設計中使用規劃建立的參數，并服從規劃中為參數定義的系列關系。

骨架模型是一個組件式的框架，它定義各個組件設計的框架、空間要求、界面及其他幾何物理屬性。就是利用創建點、線和曲面等特征，或者利用軸線、坐標系、基準平面對所在組件的結構、空間布局，甚至細節形狀進行空間布局和尺寸規劃設計。組件的展開設計將依照骨架模型為基礎展開。如果說布局草圖是對產品設計整體理念的構思和規劃，即概念的設計，Skeleton模型就是對所在組件的整體空間配置的規劃，這是一種對組件三維結構的規劃，可以說是Top—down設計思想在各級組件設計中的體現。

(1)建立 skeleton的part文件。

(2)聲明布局布局，接收布局中的參數。

(3)依據設計要求，建立設計輥筒所需的基準面、基準軸、坐標系和曲面等參數。在其他紡織機械產品設計中，也可以根據2_D布局圖，用曲面建立各零部件的雛形。

(4)使用所聲明布局中的參數，將核心設計信息命名為2_D布局一致的變量名以建立2_D布局到3_D布局的信息傳遞通道。

四、建立三維建模和工程出圖

(1)在產品組件及零部件的設計過程中，使用以上布局文件聲明的參數布局及各級骨架模型中的發布幾何，在建立三維模型時使用復制幾何、復制參照到零件進行建模，以保證模型數據的正確性。

(2)三維建模完成后進行標準件的裝配，自動產生結構樹和數量。

(3)二維出圖依據零件建模尺寸進行自動或手動標注，具有關聯關系。

(4)繪制符合規定的二維工程圖。

五、TOP-DOWN與傳統設計思想的比較和分析

從上文所述可以看出，在設計理念上，TOP-DOWN的設計思想和傳統的設計理念存在著較大的差異。其設計理念及架構，我們通過下圖作分析對比。

從圖中我們可以看到傳統的設計思路在設計過程中，不能實現信息的共享，最初的設計模型也不能充分的在設計過程中得到體現，并且會存在很多重復工作。而TOP-DOWN的設計思想能夠實現設計信息的復制、共享與傳遞，設計信息改變整個系統將會自動更新。通過比較我們可以發現TOP-DOWN的設計過程中由于參數化設計的貫穿始終，使設計中的重復性減少，錯誤減少，工作效率得到了提高。

六、結論及其展望

Pro/E中的Top-down Design，就是利用骨架模型來傳達設計意圖及設計架構給設計人員，并且管理零件與零件之間的外部參考。骨架模型內可以包含基準面、基準軸、基準點、曲面、曲線等。它可以用來定義產品的外觀，零件的大小，相互關系，空間需求、運動狀況等等，并減少不必要的外部參考。

Top-down Design是一種科學高效的機械設計方法，它是從產品的功能規劃、概念設計開始，從產品設計的頂層控制把握設計意圖，在各級子組件中方便可靠地傳遞總設計師的設計信息，實現了信息共享。利用此種方法，還可以從設計之初即確定產品各級組、部件的裝配關系，模擬實現各部分之間的運動關系，并在產品零部件模型建立的同時，即完成產品的裝配，簡化了裝配設計流程。通過參數化模型的建立，實現了所設計產品的參數化、數字化、系列化和智能化，為企業提供高效、高質的產品研發體系，推動和促進企業的發展。

［參考文獻］

［1］周運金：《基于Pro／E的兩種自頂向下的設計方法》，《機械設計與制造》2007年3月。

［2］田蘊：《基于TOP-TOWN數字化裝配模式的產品設計》，《機械設計與制造》2007年2月。

［3］咸斌：《基于關聯技術的自頂向下設計技術的應用研究》，《機械設計與制造》2005年7月。

［4］易際明：《支持TOP-DOWN DESIGN的內燃機參數化建模》，《中國制造業信息化》2004年3月。

［5］吳海華：《自頂向下的裝配設計系統研究及實現》，《現代制造工程》2004年1月。