基于Pro/E的自頂向下設計方法在電子儀器結構設計中的應用

安帥偉

摘 要：介紹了Pro/E環境下的自頂向下設計方法，通過某型電子儀器的設計過程，展示了自頂向下設計方法在電子設備結構設計中的應用。對于系列化產品的開發，通過修改骨架模型，利用零部件與頂層骨架模型的數據關聯，能夠有效提高設計效率。

關鍵詞：Pro/E；自頂向下；系列化；骨架模型

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

引言

出于市場多樣化及我所項目種類多、批量小特點的考慮，傳統先設計零件，再逐步裝配的設計方法，由于其數據不具有關聯性、設計修改不便、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計（Top-Dowm Design）方法以設計結果為導向，從整體的概念設計出發，按照產品的層次結構逐級細化，最終落實到每個細小零件的設計，設計過程遵循人的思維方式，隨著設計師的設計意圖由粗入精，產品也實現由抽象到具體的轉變。設計中以骨架模型為數據傳遞載體，數據關聯性強，修改方便。

1 自頂向下設計方法（Top-Dowm Design）

與傳統自底向上的設計方法相比，自頂向下設計方法在設計思維上有著本質的區別。傳統從零件設計、裝配，最后完成整機設計的方法，設計過程中零部件之間只存在簡單的裝配關系，不存在設計參數的關聯，產品結構比較復雜時，容易出現互相干涉的情況。零件裝配操作繁瑣，經過多次反復修改才能得到滿意的結果，設計效率低下。自頂向下設計是一種以概念設計為起點，逐步細化的產品設計方法。產品設計是一個逐步細化的漸進過程，一般包括概念設計、布局設計、層次結構設計、詳細設計等，首先從產品的外形出發對整體進行結構建模，然后根據零部件之間的配合關系拆畫出各級零部件的模型，最終完成產品設計。二者相比，自頂向下的設計方法優勢明顯：

（1）該設計方法符合產品開發過程和設計者的構思過程，設計中首先考慮產品要實現的功能和最終的外形，其次根據功能和外形構建結構要素，有利于把握結構和功能的協調統一。

（2）設計修改方便，頂層設計信息與底層零件存在數據關聯，頂層設計發生變更時可自動傳遞給底層零件。

（3）便于多子系統并行設計。頂層骨架模型和各子骨架模型集成了產品的關鍵約束、連接關系，各子系統的設計信息均由本層骨架模型傳遞，便于團隊協作和資源優化配置。

（4）便于實現產品系列化設計。同系列產品往往風格一致，結構類似。完成基本型產品的設計后，通過修改其頂層骨架模型，可以實現同類產品的快速設計。

Pro/ENGINEER軟件為產品設計提供了一個整體化、關聯性的設計平臺，可以完美實現自頂向下的設計。

2 某型電子儀器的設計過程

2.1 某型電子儀器的外形設計

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

2.2 骨架模型建立

根據設計要求，儀器結構由前、后殼、內部硬件等組成。充分考慮機箱的可靠性、環境適應性及可維修性等方面的需求，確定機箱內部的大體框架結構。考慮到內部電路板及電源的散熱及電磁屏蔽需求，對風道進行合理的規劃，選擇合適的風機進行風冷散熱。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行隔離，以免造成干擾。整機結構層次如圖2所示。

骨架模型用來表達設計意圖，是一個3D的參數化布局，包含了整機主要的尺寸參數和零部件的位置及空間設計信息，一般由基準點、基準面、坐標系、曲面等組成。根據整機的結構層次規劃，把各級裝配中需要用到的曲面、曲線等外形信息及基準面、坐標系等位置信息作為共享數據納入到骨架模型中。鑒于整機結構不是特別復雜，建模數據量不是太大，本例只建立整機骨架模型，所有零部件都以該骨架模型為參照。

2.3 整機結構詳細建模

整機建模中兩種方法最為常用，一是發布幾何+復制幾何的方法，二是合并/繼承的方法。兩種方法均能實現骨架模型到零部件的數據共享，但特點及應用場合略有不同。發布幾何是跟復制幾何配合使用的，發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零件進行共享。復制幾何是使用在目標零件上的，可以把骨架模型中發布的幾何復制到零件中來，作為建模的參照和基礎。合并繼承可以把骨架模型中所有的幾何特征復制過來，但不能單獨選擇某個特征。

本例中大部分曲面造型主要體現在前殼、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，詳細設計中通過合并繼承把骨架模型復制過來作為設計參照及曲面采集的數據源。而其余按鍵、旋鈕、探頭接口等的詳細設計中，通過復制幾何從骨架模型中把各自的位置及形狀特征復制出來，作為局部造型的基礎。設計結果如圖4所示。

3 自頂向下設計在系列化中的應用

產品開發中，若每種產品都單獨研發，同類產品之間不統一規劃、互相借鑒，不僅費時費力，設計效率低，而且類似的產品不能做成同樣的風格，無法形成自己的品牌。同類產品，一般來說原理和硬件結構類似，外觀風格一致。我所同類課題，往往有系列化需求，不同型號整機，除了技術指標上的不同，區別主要體現在整機結構形式、外形尺寸、屏幕大小等方面。系列化產品的開發中，可以通過修改基型產品骨架模型，實現同類產品的快速設計。

如同圖5、6為我所在圖4整機基礎上開發的兩款產品，該三款產品外形相似，細節處卻各有不同。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機頭沿用了圖4的風格，高度增加了1U，屏幕也換成了更大的12.1寸方屏，整機形式由便攜式改成了臺式機。圖5整機在圖4骨架模型的基礎上，通過修改屏幕、按鍵及把手的特征信息，形成新的骨架模型，設計過程繼承了大部分已有信息，大幅提高了設計效率。圖6整機在圖4骨架模型的基礎上，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，詳細設計中，只從骨架模型中共享前殼特征，機箱外形及內部結構配合前殼外形，根據相關標準進行單獨設計，形成全新的臺式機產品。以上兩例產品的開發中，通過采用自頂向下的設計方法，不僅最大限度實現了數據共享，形成了類似的設計風格，而且極大地提高了設計效率，縮短了開發周期，充分體現了自頂向下設計方法在系列化產品開發中的優勢。

4 結束語

基于Pro/E的自頂向下設計方法已在企業得到了廣泛應用，軟件提供的建模工具和多種數據共享方法，能夠很好的滿足產品開發需求。我所相似產品之間借用、互相組裝等數據共享現象很常見，系列化要求較多，通過修改骨架模型實現系列化產品設計的方法，不僅能夠明顯提高設計效率，而且能夠保證系列產品的相同風格，對產品開發及品牌塑造有重要意義。

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