基于Pro/E布局控制的電子設備結構快速設計技術研究

繆小冬 劉 兵 王大林 張建斌

北京航天自動控制研究所，北京100854

在短期內設計出滿足客戶個性化要求、質量可靠和性能優良的產品，是企業在激烈的市場競爭中占據有利地位的關鍵?？焖僭O計技術是當前市場在產品多樣化、系列化、需求多變的形勢下提出并發展起來的?？焖僭O計，又稱快速響應設計，是一種以縮短產品開發周期，提高產品設計質量為目的的現代設計方法［1］。

電子設備是將各種電子元器件、組件、模塊和機械零部件合理組裝成有機整體，使其免受各種復雜環境影響和干擾，確保電氣性能正常。因此，電子設備結構設計是研制電子設備的一個重要環節，它對保證電子設備的及時交付、安全和穩定起著重要的作用。

本文以某箭載電子設備為例，研究快速設計方法在電子設備結構設計上的應用，這對推動電子設備結構設計技術發展，提高電子設備適應性，縮短研發周期和減輕設計人員負擔等方面具有重要意義和應用前景。

1 電子設備傳統設計方法的特點

某箭載插板式電子設備如圖1 所示，主要由機箱、印制板模塊、蓋板和減振支腳組成?；谀K化的設計思想，機箱中的每塊印制板模塊具有獨立的電氣功能，外形尺寸統一。印制板模塊沿機箱插槽對接到位后，通過楔形鎖緊裝置固定在機箱插槽中。維護時，可在現場將印制板模塊取出，換上另一標準模塊，系統可立即恢復工作。印制板模塊外形尺寸、印制板模塊數量和印制板模塊間距是該設備成型必備的3個輸入條件。

雖然該設備基本實現了模塊化，便于維護，但在設計過程中尤其是方案設計階段也暴露出以下一些不足:1)當印制板模塊外形尺寸、模塊數量和模塊間距中的任意一個輸入條件更改時，結構設計人員就需要在三維建模軟件中對模型一步一步手動更改、調整，直到得到符合設計要求的產品為止。如果輸入條件多次更改，結構設計人員就要多次重復勞動，導致設計效率低;2)基于三維建模軟件有嚴格建模的層次關系，如果對模型更改不恰當，軟件就會報錯。這對于結構設計人員來說，首要工作就是熟練軟件操作和理解模型的建模關系。有時改的會顧此失彼，導致生產中暴露出設計缺陷，一些零部件報廢;3)該設備整機標準化、通用化程度偏低，結構設計人員接到該類型設備的設計任務時，都會按照自己的習慣重新建模設計、出圖。

這些不足也是目前電子設備結構設計中存在的共性問題，其使得重復性工作量大，效率低，設計質量得不到保證，模型設計、修改占了整個設計工作的大部分時間，導致產品開發周期長，設計創新時間不足。

2 電子設備結構快速設計技術實現方法

在眾多的三維建模軟件中，Pro/E 是應用較廣泛的軟件之一，該軟件重點強調參數化設計理念，即用戶可以運用強大的數學運算方式，建立各尺寸參數間的關系式，使模型自動計算出相應的外形。當某一設計參數改變后，相應的三維模型、二維工程圖等都會隨之而變，實現參數化驅動［2］。參數化設計能方便地修改圖形，并能將以往產品設計的經驗和知識繼承下來，設計者可以把時間、精力集中于更具有創造性的概念和整體設計中，提高設計的精度和效率。因此，參數化設計是實現產品快速設計的有效手段之一。

圖1 插板式電子設備

Pro/E 主要有2 種途徑實現參數化設計:

1)基于Pro/E 二次開發工具的參數化設計，如Pro/Toolkit 等。

二次開發工具Pro/Toolkit 將繁瑣的建模過程轉化為幾個變量的輸入，快速生成新的實體模型。但是它們只能編制出參數輸入對話框，其開發交互界面的功能很弱，往往要借助第三方開發工具來實現，并且要求有較高的編程能力，這對結構設計人員來說，既難懂又比較費時間。

2)基于Pro/E 布局文件的參數化設計。

Pro/E 布局(Layout)文件，是一種在“布局”模式下創建的以概念方式記錄和注釋零件和組件的二維草繪，含有用于建立尺寸和位置的參數和關系。它不是精確比例的繪圖，而且與實際的三維模型幾何不相關。因此，布局文件的核心功能是創建統一的尺寸變量表，然后在零件和組件環境中引用布局文件變量表中的尺寸變量，來定義其各個特征的尺寸大小和位置等。因此，基于布局尺寸變量控制零件和組件的生成，能夠實現參數化設計。

本文研究的電子設備結構快速設計技術，采用了基于Pro/E 布局文件控制的參數化設計方法，即將建好的三維模型樣板和工程圖樣板引用布局文件，通過更改布局文件尺寸變量表中的變量，更新再生出產品新的三維模型和工程圖，如圖2 所示。

圖2 布局文件實現產品快速設計過程

3 電子設備結構快速設計技術開發實現

3.1 建立布局文件

根據上文箭載電子設備的構成，可見此類電子設備設計由印制板模塊設計、機箱設計和配套零件設計組成，設計流程見圖3。首先進行印制板模塊設計，然后根據機箱內印制板模塊的數量和位置，進行機箱設計。機箱設計主要分為機箱外形設計和機箱內部設計2 部分。待機箱設計完成后，可對其配套零件進行設計，如減振支架、阻尼圈、機箱蓋板和密封圈。

圖3 箭載電子設備設計流程

因此，布局文件中分成印制板模塊設計區、機箱外形設計區、機箱內部設計區和配套零件設計區，見圖4 所示。利用尺寸標注工具對每個零件進行尺寸標注，所標注尺寸即為尺寸變量，并通過建立變量表將所有尺寸變量清晰地羅列出來。在變量表中，可直接修改變量對應的數值。所有尺寸變量的意義也在布局文件中進行了表述，便于使用者直接查閱。

3.2 創建三維模型和二維工程圖樣板

以Pro/E 為開發平臺，創建電子設備中各個零部件及整機裝配件的三維模型樣板，并根據三維模型樣板生成二維工程圖樣板，如圖5 所示。由所有零部件構成的電子設備整機裝配的三維模型樣板，如圖6 所示。

圖4 電子設備的部分布局文件

圖5 電子設備機箱的三維模型樣板

圖6 電子設備整機的三維模型樣板

3.3 創建模型樣板與布局文件的關聯性

在三維模型和二維工程圖樣板文件創建后，需要將它們與布局文件進行關聯。

1)建立參數傳遞關系

在Pro/E 的三維模型樣板中，先從菜單管理器的“文件(F)”選擇“聲明布局”的操作項，然后從彈出的列表中選擇3.1 中所建的布局文件。

通過此操作，建立了三維模型樣板與布局文件間的參數傳遞關系。

2)建立尺寸關聯

聲明完布局文件后，可在菜單管理器“工具(T)”的“關系”界面中，直接將布局文件中的尺寸變量賦值給模型的尺寸參數。賦值語句示例如下:

/* 定義印制板AP1 長度D19

D19 =長_AP1

其中，D19 表示印制板AP1 三維模型中的長度參數;長_AP1 為布局文件中印制板AP1 長度的尺寸變量。

3.4 完成模型樣板的參數化詳細設計

對模型樣板進行參數化詳細設計，可結合上文中的布局文件，通過Pro/Program 開發語言編程實現。Pro/Program 是Pro/E 中產品自動化設計的一項輔助工具，用戶可以通過非常簡單的程序語言來控制特征的出現、尺寸大小和組件的出現及位置等。

鑒于篇幅所限，下面僅列出了程序中的小部分內容作為示例。以下的程序主要說明的是整機三維模型樣板中，印制板AP2 位置確定方法與印制板AP2 作為組件是否出現的方法。

VERSION 5.0

REVNUM 791

組件ZHENGJI 的列表

……

RELATIONS

……

/* 定義印制板AP2 的位置

D12 =前邊距+間距1_2

D6 =AP2_上邊距

……

END RELATIONS

……

/* 定義印制板AP2 板作為組件是否出現在整機中

程序中的長_AP2、寬_AP2 和厚_AP2 為布局文件中印制板AP2 長度、寬度與厚度的尺寸變量。

完成模型樣板的參數化詳細設計后，就實現了基于Pro/E 布局文件控制的電子設備結構快速設計技術。

3.5 應用實例

以往在任務需求確定后，一個完整的插板式電子設備三維模型建模工作所花時間大概為3周。而使用該技術后，設計師根據任務需求，直接修改布局文件中的尺寸變量，即可快速生成所需要的設備整機模型，不需要再重復建模，一個完整詳細的單機模型建模工作所花時間最多只要3d，可以節約85%的設計時間，有效保證了對客戶需求的快速響應。

圖6 為電子設備整機的三維模型樣板，內部包含了12個印制板模塊。當任務需求中只有6個印制板模塊時，設計師在布局文件中只需將布局文件中關于印制板AP7 ～AP12 的任一變量(長、寬與厚度)賦值為0，整機模型中可快速去除印制板AP7 ～AP12 以及與其有關的特征，生成所需的整機模型，如圖7 所示。

圖7 快速更新后的整機三維模型

4 結語

基于Pro/E 布局控制的電子設備結構快速設計技術，使產品設計快速、可靠，減少重復建模時間，縮短了產品設計周期，提高了產品設計效率。促進了電子設備結構設計的標準化、通用化和系列化。該技術相對比較簡易，界面友好，操作簡單，更容易被設計人員接受，實用性更強。

［1］宗馳. 復雜機械產品快速響應設計集成系統研究［D］.武漢:武漢大學，2010. (Zong Chi. Research on Rapid Responsible Integrated System of Complex Mechanical Product ［D］. Wuhan:Wuhan University，2010.)

［2］孫明. 基于Pro/E 布局控制的橡膠模參數化設計［J］.模具制造，2013，(8):66-69. (Sun Ming. Parametric Design of Rubber Mold Based on the Control of Pro/E Layout File［J］. Die ＆ Mould Manufacture，2013，(8):66-69.)

［3］陳世榮.基于Pro/Program 的電源機箱參數化快速設計［J］. 電子機械工程，2010，26(5):61-64. (Chen Shirong. Rapid Design of Parameterized Powerbox Based on Pro/Program ［J］. Electro-Mechanical Engineering，2010，26(5):10-15.)

［4］曾巍.電子設備整機參數化方法和快速建模技術研究［D］.西安:西安電子科技大學，2012. (Zeng Wei.Research on Whole Product Parameter Method and Rapid Modeling Technique of Electronic Equipments［D］.Xian:Xidian University，2012.)