Pro/E自頂向下方法在現代機械產品設計中的應用

王　博，劉　旭，劉清濤

(1.西安航空學院 機械學院，西安　710077； 2.長安大學， 西安　710064)

Pro/E自頂向下方法在現代機械產品設計中的應用

王博1，劉旭1，劉清濤2

(1.西安航空學院 機械學院，西安710077； 2.長安大學， 西安710064)

摘要：闡述了自頂向下設計方法的基本原理，并對兩種自頂向下設計方法的特點進行比較，說明主控零件法優勢更為明顯。以一款直板手機為例，運用Pro/E三維設計軟件，采用主控零件法對具體產品的設計流程和設計變更進行了詳細講解。結果表明：應用自頂向下的設計方法更容易實現對產品的修改和重建，非常適合現代機械產品設計多變的要求，對于提高產品的設計效率和設計質量具有一定的參考意義。

關鍵詞：自頂向下；主控；骨架；Pro/E

目前大多數機械產品在設計時都采用傳統的自底向上設計方法，即工程設計人員首先仔細研究單個零件的結構和功能，設計出零件圖，然后在此基礎上根據裝配關系將零件裝配成部件，部件經過試驗證明合格后再進行上一層的裝配，如此逐步地完成整個產品的設計[1]。這種設計方法適應于一些比較成熟的產品設計，產品的結構在設計過程中不會做大的改動，可以獲得比較高的設計效率。但是，這種方法的缺點也非常明顯，如在設計時缺乏對產品全局性的考慮，不但不符合設計過程中工程師的正常思維模式，而且各零件之間容易產生干涉或者不匹配的現象，并且當產品的設計要求有所變化時，已經裝配好的各零件不能自動產生相應的變化，導致工程師不得不花費大量的時間對產品的三維模型進行修改和重建。現代的機械產品大多都是小批量、多規格，在設計過程中要經常做改動，因此采用這種方法已經嚴重影響到產品的設計質量和設計效率。

運用Pro/E軟件，采用自頂向下的設計方法，在設計時從全局和整體入手，先勾畫出產品的整體結構關系，然后在總體設計方案的約束下對各個零部件進行詳細設計[2]，不但符合產品設計過程中設計者的思維過程，而且在設計過程中可以邊設計、邊修改，不會出現許多繁冗的重復性工作，對于縮短產品的開發周期和改善設計質量具有重要的參考價值。

1自頂向下設計方法的基本概念

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

圖1　Top-down設計和Bottom-up設計思路比較

2兩種自頂向下設計方法的比較

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

2.1　頂層基本骨架法

頂層基本骨架法是根據一個產品各零件之間的關系，創建一個特殊的零件模型，即頂層骨架[4]，利用這個模型來規范和總覽全局，也可以認為它是一個產品的三維布局圖，集中存貯著產品中零件的裝配信息。在進行產品設計時，首先根據產品中零件的布局規劃創建一個頂層骨架，再創建承載頂層骨架設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設計。設計思想如圖2所示。

2.2　主控零件設計法

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

圖2　頂層基本骨架法設計思路

圖3　主控零件設計法設計思路

通過比較可以看出，相對頂層基本骨架法而言，主控零件設計法的建模體制共用數據更少，參照關系更簡單，工程師之間的數據共享更容易實現，設計意圖易于溝通，同時工藝設計直觀性好，可以實現并行工程，能實現造型與結構的一體化設計。

3直板手機的自頂向下設計

3.1　手機結構分析

如圖4所示，該手機的結構部分分為四大塊，分別是“上蓋”、“下蓋”、“電池蓋”和“按鍵”。

圖4　產品外觀

3.2　創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，它是根據市場的需求，由工業工程師繪制的產品整機的外觀效果圖，在得到客戶確認后，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。在頂級組件下創建一個主控模型Master-mobile_skel.prt。單擊[插入]下拉菜單，選擇[元件]→[創建]，彈出[元件創建]對話框，選擇[骨架模型]后再選[復制現有]，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中導入IGES格式的線框圖。單擊[插入]下拉菜單，選擇[共享數據]→[自文件]，選擇處理好的DXF檔案，將線框導入Pro/E軟件中，如圖7所示。

3) 以導入后的線框圖為參考進行描線，先將整機的長、寬、高的線條描出，用來控制整機尺寸，再描拆件線和零部件的細節線，然后再由線建面，逐步生成主控零件的三維模型，最后創建各零件的分型面。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節特征都做出來。首先創建一個僅含缺省坐標系PRT-CSYS-DEF及缺省基準面RIGHT、TOP和FRONT的手機上蓋零件[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)到手機上蓋零件上。此時手機上蓋零件即含有主控零件的幾何模型。以手機上蓋復制1個相同的零件作為手機下蓋的雛型零件，即手機下蓋零件具有主控零件的幾何模型。對上下蓋零件進行切割(cut)、抽殼(shell) 等操作得到手機上、下蓋零件。其余零件可按照此方法進行拆件。零件圖如圖9所示。

圖9　零件圖

3.4　產品的設計變更

在設計過程中產品的結構需要經常變更。在變更時，單擊Pro/E中的[插入]下拉菜單，選擇[共享數據]→[自文件]，[重新加載]新的IGES格式的主控零件到原來的圖檔中，再根據具體需要對產品的裝配位置和相關尺寸進行重新規劃和修改，然后打開原來已經拆分好的零件，在零件文件中導入新的IGES格式的主控零件，點擊[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動產品的裝配圖發生更新。整個過程如圖10所示。

圖10　設計變更流程

4結束語

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

參考文獻：

[1]周運金.基于Pro/E的兩種自頂向下的設計方法[J].機械設計與制造，2007(3):80-82.

[2]欒陽.基于Pro/E的手機結構數字化設計[J].制造業自動化，2011，30(10):107-110.

[3]梁蔓安，彭金勇，徐武彬.散裝水泥罐體自頂向下整體參數化設計[J].制造業自動化，2011，30(3):145-147.

[4]郭志英，李吉泉，侯俊霞，等.注塑新產品開發中的設計驗證[J].工程設計學報，2010，17(1):241-245.

[5]劉愛華.產品裝配結構技術的實現及應用[J].機械設計，2006，23(1):16-19.

[6]羅志平，沈永剛.TOP-DOWN方法在PRO/E產品設計中的應用[J].上海工程技術大學學報，2005，19(3):234-238.

[7]柯常忠，謝少波.基于參數化技術的自頂向下設計[J].中國制造業信息化，2007，36(3):50-56.

[8]馮方，潘慧，胡國軍.基于PRO/E主控零件的產品設計[J].機械設計，2011，28(6):12-14.

[9]劉文劍，金天國.產品自頂向下設計的研究現狀及發展方向[J].計算機集成制造系統，2002，8(1):1-7.

(責任編輯劉舸)

收稿日期：2015-03-22

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305042)

作者簡介：王博(1983—)，男，碩士，主要從事現代機械設計理論、方法與技術研究。

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

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：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自頂向下方法在現代機械產品設計中的應用[J].重慶理工大學學報：自然科學版，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.