基于線框骨架的自上而下機箱設(shè)計方法研究

霍躍慶， 姜紅明， 焦曉艷

（西安航空計算技術(shù)研究所，西安710119）

1 自下而上的設(shè)計方法存在的問題

在傳統(tǒng)的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通常先明確需求及設(shè)計接口，之后從零件開始設(shè)計，該過程為自下向上的設(shè)計方法。實際設(shè)計過程中隨著總體需求的調(diào)整，零部件設(shè)計方案也需要不斷進(jìn)行調(diào)整。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來說，通過手動修正各項設(shè)計數(shù)據(jù)，很難保證所有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)都能被正確修正，因此在通常的機箱方案變更設(shè)計過程中，為了防止上述問題發(fā)生，將機箱的重要參數(shù)提取為可調(diào)整參數(shù)，從而實現(xiàn)對機箱的調(diào)整。

對于這類參數(shù)化設(shè)計方法來說，在合理的參數(shù)變化范圍內(nèi)，能夠快速地實現(xiàn)對機箱結(jié)構(gòu)的調(diào)整，有效提高設(shè)計效率。但是自下而上的設(shè)計方法存在很大的局限性，這是因為建模過程中各類特征存在前后關(guān)聯(lián)性，各項參數(shù)只能在有限的范圍內(nèi)改變其大小，極可能存在參數(shù)調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致建模失敗的問題；因此這類參數(shù)化建模不能對各類特征進(jìn)行增減，在方案變化較大時將不能適用。

圖1 順序建模結(jié)構(gòu)

如圖1所示，若特征B取消，則在其基礎(chǔ)上順序建模的后續(xù)特征將無參考基準(zhǔn)，將導(dǎo)致模型建模失敗；若特征E參數(shù)調(diào)整過大，將導(dǎo)致其與相鄰特征發(fā)生干涉，也極可能會導(dǎo)致建模失敗。

2 混合設(shè)計方法

為解決模型中各類特征的順序建模限制，采用基于特征的混合設(shè)計方法，在Catia軟件中可通過創(chuàng)建多個獨立的零件幾何體并控制其裝配狀態(tài)來實現(xiàn)。該設(shè)計方法的理念為：對于一個零件來說，其中的每一個細(xì)節(jié)特征都可以視為一個子零件，即使是其中的孔、筋等特征，都可以作為一個獨立的子零件存在，各個零件幾何體可以理解為各個不同的子零件特征集，通過控制子零件在零件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，來控制位置關(guān)系，在所有零件特征創(chuàng)建為子零件后，對各子零件進(jìn)行裝配布爾運算，即可得到零件的最終模型。

為實現(xiàn)對零件各特征的取舍，可在子零件的裝配過程中，控制子零件是否被裝配到零件主體中，對于被舍棄的子零件（特征），則將其激活狀態(tài)調(diào)整為“取消激活”即可。如圖2所示，各特征之間互相獨立，零件的最終狀態(tài)依據(jù)于各特征的最后取舍，在參數(shù)調(diào)整過程中，由于各特征之間是布爾運算關(guān)系，即使參數(shù)調(diào)整過大導(dǎo)致特征間互相干涉，也可以根據(jù)布爾運算條件得到預(yù)期的建模結(jié)果。

圖2 混合建模結(jié)構(gòu)

3 線框骨架

混合設(shè)計方法的應(yīng)用，目的是為了解決復(fù)雜零部件件的參數(shù)化設(shè)計過程中順序建模的局限性，對于包含多個零部件的機箱來說，在傳統(tǒng)的自下向上的設(shè)計方法基礎(chǔ)上實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，需要在建模開始便知道模型的最終狀態(tài)，并在建模過程中實現(xiàn)對各尺寸的分配與協(xié)調(diào)，違背了機箱設(shè)計中從粗到細(xì)的自然過程，不利于設(shè)計方案的后續(xù)調(diào)整。

圖3 機箱線框骨架

因此，在參數(shù)化建模過程中，基于自頂向下的設(shè)計非常必要，尤其是利用混合設(shè)計時，共用坐標(biāo)系及外部參數(shù)將大幅提高參數(shù)化建模效率。

自頂向下設(shè)計方法中，通常先確定機箱的外部接口，如外廓尺寸、安裝接口、功能分區(qū)等基礎(chǔ)參數(shù)，在Catia軟件環(huán)境中，可以用線框來搭建基于上述參數(shù)的骨架，作為后續(xù)細(xì)化設(shè)計的參考基準(zhǔn)，如圖3所示。

圖4 機箱主要參數(shù)

圖3中的線框骨架，包括了機箱的前后緊定定位、機箱外部輪廓、模塊功能分區(qū)等，通過對其添加參數(shù)關(guān)聯(lián)，并在后續(xù)的零部件設(shè)計過程中，引用這些線框，達(dá)到參數(shù)化設(shè)計的目標(biāo)。

在Catia中建立機箱的主要參數(shù)如圖4所示。

4 詳細(xì)設(shè)計

在線框骨架的基礎(chǔ)上，調(diào)用相應(yīng)參數(shù)建立各零件的建模基準(zhǔn)平面，并在基準(zhǔn)平面上開始零件的混合設(shè)計。

如圖5所示，基于XY平面及底蓋板厚度參數(shù)建立零件（側(cè)板）的基準(zhǔn)平面，并進(jìn)行凸臺拉伸，得到側(cè)板的主體特征如圖6所示。

為實現(xiàn)特征的獨立性，實現(xiàn)混合設(shè)計，在添加后續(xù)特征時建立新的幾何體，并將新的幾何體定義為工作對象，建立后續(xù)特征的草圖并進(jìn)行凹槽操作，得到獨立的幾何體2，如圖7所示。

在幾何體2中，由于其與幾何體1的獨立性，凹槽未在零件幾何主體上發(fā)生作用，圖7中顯示的結(jié)果為兩個幾何體重疊，獨立存在，為后續(xù)幾何特征的無序添加提供了固定的參考，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)添加其他幾何特征，以完成零件各特征的創(chuàng)建，結(jié)果如圖8所示。

圖5 側(cè)板基準(zhǔn)面及幾何主體草圖

圖6 側(cè)板主體特征

圖7 凹槽特征

圖8 特征未裝配前的零件模型（著色模式）

通過圖8著色模式可以看到，即使模型已建立所有主要特征，在未將特征裝配前，模型以所有特征的最大包絡(luò)面顯示。

在機箱的線框骨架中，包含了多功能模塊的分區(qū)，因此在添加模塊相關(guān)導(dǎo)軌槽特征時，應(yīng)用這些分區(qū)界線，即可實現(xiàn)導(dǎo)軌槽與分區(qū)的關(guān)聯(lián)設(shè)計，如圖9所示。

完成所有特征建模后，根據(jù)各特征之間的關(guān)系，將子特征逐步裝配到主體特征上，即得到零件的最終參數(shù)化模型。特征樹在特征裝配前后結(jié)構(gòu)如圖10～圖11所示。

基于同樣方法在統(tǒng)一坐標(biāo)系下創(chuàng)建機箱的其他零部件，即實現(xiàn)基于Catia的自上而下機箱混合設(shè)計。

圖9 導(dǎo)軌槽草圖與分區(qū)界線尺寸關(guān)聯(lián)

圖10 特征未裝配前特征樹結(jié)構(gòu)

圖11 特征裝配后特征樹結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

在傳統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，受CAD應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展限制，基于自上而下的設(shè)計方法很難實現(xiàn)，設(shè)計人員花費大量的精力在從總體到零部件的分解，再從零部件組裝到總體的反復(fù)過程中，耗費大量的人力資源，并且不斷的反復(fù)設(shè)計過程間接增大了機箱的設(shè)計質(zhì)量風(fēng)險。基于自上而下的設(shè)計過程遵循機箱設(shè)計從粗到細(xì)、由簡到繁的自然過程，簡化并直觀顯示了機箱設(shè)計中的分解步驟，并且實現(xiàn)了設(shè)計過程與機箱相關(guān)文檔在不同階段同步推進(jìn)。

線框骨架及混合設(shè)計的綜合運用，有效解決了建模過程中的順序建模限制問題，為自上而下設(shè)計方法提供了實施平臺。不過實現(xiàn)基于線框骨架的自上而下設(shè)計方法，需要綜合考慮線框骨架的復(fù)雜度及混合建模過程中尺寸計算復(fù)雜度，線框骨架越詳細(xì)，則混合建模時可參考的線條越多，相關(guān)的尺寸計算量隨之降低，但是線框骨架越詳細(xì)，將導(dǎo)致之后的方案調(diào)整限制越多。在開始機箱設(shè)計前綜合考慮多方影響因素，在線框骨架的詳細(xì)度與混合建模尺寸計算量之間取得平衡，將能取得事半功倍的效果。

［參考文獻(xiàn)］

［1］于哲峰.機翼幾何外形的CATIA參數(shù)化建模實現(xiàn)方法［J］.飛機設(shè)計，2010（3）：27-30.

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