自頂向下設(shè)計(jì)

自頂向下(Top-down)設(shè)計(jì)方法目前，很多人在利用三維軟件進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先設(shè)計(jì)好各個(gè)零部件，然后在組件模式下將這些零部件通過匹配、對(duì)齊、插入、相切等約束進(jìn)行裝配。如果在裝配過程中發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象或者某些零部件根本安裝不上去等等，這時(shí)需要對(duì)零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與裝配，而在裝配過程中存在很多父子關(guān)系，當(dāng)修改完某些零件后，會(huì)發(fā)現(xiàn)以這些零件的點(diǎn)、線、面為基準(zhǔn)的其它零件裝配不上去，缺失裝配基準(zhǔn)，這樣會(huì)造成蝴蝶效應(yīng)，更嚴(yán)重的是有時(shí)候還必須從頭開始進(jìn)行裝配，大大延長了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)效率。這是一種傳統(tǒng)的自底向上的設(shè)計(jì)方法，由于事先沒有一個(gè)很好的規(guī)劃，沒有一個(gè)全局的考慮，修改起來特別麻煩，重復(fù)工作量大，造成人力和時(shí)間的浪費(fèi)，這對(duì)產(chǎn)品快速推出市場有很大的影響。為了縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，吸音板自動(dòng)生產(chǎn)線布料機(jī)的設(shè)計(jì)采用了與之相反的一種設(shè)計(jì)方法即自頂向下的設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)尤其是新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，是將產(chǎn)品市場需求映像成產(chǎn)品功能要求、并將產(chǎn)品功能要求映像成幾何結(jié)構(gòu)的過程。要實(shí)現(xiàn)該過程，首先要分析產(chǎn)品的功能要求，先設(shè)計(jì)出初步方案及裝配結(jié)構(gòu)草圖，得到產(chǎn)品的功能概念模型，再對(duì)功能概念模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)計(jì)算，確定每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，將概念模型映像成裝配體模型，通過裝配體模型傳遞設(shè)計(jì)信息，然后各設(shè)計(jì)小組在此裝配體模型的統(tǒng)一控制下，并行地完成各子裝配體及零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品分析，返回修改不滿意之處，直至得到滿足功能要求的產(chǎn)品。即要經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品分析等階段，是一自頂向下的設(shè)計(jì)過程［8］，如圖3.1所示。圖3.1自頂向下設(shè)計(jì)流程Fig.3.1Top-downdesignprocess從圖3.1可以看出自頂向下設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)中首先從整體和全局入手，通過裝配體模型自頂向下地傳遞總體設(shè)計(jì)信息，然后在統(tǒng)一模型的約束下對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在整個(gè)過程中，可隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。在概念設(shè)計(jì)階段，通過修改裝配體概念模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)方案的修改，且這種改變會(huì)通過特征的變動(dòng)和傳播，實(shí)現(xiàn)自頂向下的層層傳播和變動(dòng)，從而改變裝配體的整體結(jié)構(gòu)形狀。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)各零件的修改，實(shí)現(xiàn)裝配體局部結(jié)構(gòu)形狀的改變。與自底向上相比，自頂向下設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)人員的思維過程。設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，最初考慮的是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能，最后才考慮實(shí)現(xiàn)這些功能的幾何結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)從抽象到具體的漸進(jìn)過程。（2）便于實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)計(jì)小組之間的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，即概念設(shè)計(jì)階段，就將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖、主要功能、關(guān)鍵約束、配合關(guān)系等重要信息確定下來，在進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，這些重要信息也同時(shí)分配各設(shè)計(jì)小組，這樣，各設(shè)計(jì)小組在此統(tǒng)一控制下，才能很地的配合，并行地完成各子裝配體和零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。（3）在產(chǎn)品的中心層面上集中地建立重要的設(shè)計(jì)信息，設(shè)計(jì)師的思維面便于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。同時(shí)把零部件當(dāng)成產(chǎn)品系統(tǒng)的零件來考慮，便于全新產(chǎn)品的開發(fā)和開展標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)工作。（4）為實(shí)現(xiàn)DFA、DFM等提供了條件。前期階段確定的產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)架自頂向下地傳遞總體設(shè)計(jì)信息，在后續(xù)設(shè)計(jì)中就可根據(jù)前期階段的設(shè)計(jì)意圖、約束要求等進(jìn)行可性評(píng)價(jià)。在自頂向下設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品定義、形成功能概念模型、功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這三步已經(jīng)在第二章系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法求出，接下來關(guān)鍵是形成參數(shù)化裝配體概念模型。在設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候，最先想到的不是單個(gè)零件的形狀，而是整個(gè)產(chǎn)品的形狀和它要完成的功能任務(wù)。伴隨著設(shè)計(jì)的深入，整體的形狀空間逐漸劃分，同時(shí)功能也逐漸分解，直到最后不必分解為時(shí)，再進(jìn)行零件的造型設(shè)計(jì)，這種面向裝配的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品在邏輯結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出多層次性，最后設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品裝配模型的層次關(guān)系如圖3.2所示。Fig.3.2Hierarchicalrelationshipsofassemblymodel為了表達(dá)裝配體多層次性的特性并實(shí)現(xiàn)自頂向下控制，建立一反映裝配結(jié)構(gòu)樹的主干結(jié)構(gòu)的骨架模型，它主要是由一些基準(zhǔn)表示，如基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線、基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系等。骨架模型用來確定子裝配體、零件在空間的靜止位置或運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)位置、它們之間的裝配約束關(guān)系及一些重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，而不涉及各零件具體的結(jié)構(gòu)形狀。它相當(dāng)于位于裝配體頂層的控制產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)及功能的概念的一“空零件”，也是裝配體的一副沒有肌肉的主骨架，它由一系列基準(zhǔn)特征組成，并包含有若干設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)式，這些基準(zhǔn)特征是以系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)為參照，通過添加參數(shù)關(guān)系式等約束條件而得到的，以便利用這些基準(zhǔn)特征來將子裝配體、零件進(jìn)行空間定位，或利用基準(zhǔn)特征來控制產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)形狀。如果產(chǎn)品比較復(fù)雜，各子裝配體中同樣與構(gòu)建主骨架模型相同的方法構(gòu)建各自的骨架模型，形成子骨架模型，通過子骨架模型來確定子裝配體各零件的空間位置及裝配約束關(guān)系。設(shè)計(jì)完成后，通過改變產(chǎn)品的主骨架模型來改變產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)方案，來實(shí)現(xiàn)裝配體整體結(jié)構(gòu)的改變，通過改變子骨架模型可以實(shí)現(xiàn)子裝配體局部結(jié)構(gòu)的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)及分層組織與管理。在建立骨架模型時(shí)首先聲明各個(gè)子裝配或者零件的空間位置和體積，設(shè)定全局性的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)將被裝配中的子裝配和零件所使用。當(dāng)這些總體參數(shù)在隨后的設(shè)計(jì)中逐步確定并發(fā)生改變時(shí)，各個(gè)零件和子裝配將隨之改變，這樣就有利于不同的設(shè)計(jì)人員共同設(shè)計(jì)，加快了設(shè)計(jì)過程，便于變型設(shè)計(jì)［9］。利用骨架模型建立裝配模型不僅可以支持零件的抽象描述和設(shè)計(jì)，還有許多其它的優(yōu)點(diǎn)：除裝配體外，每一個(gè)子裝配體都有一個(gè)骨架模型，用來在三維設(shè)計(jì)空間確定每一個(gè)子裝配體的空間位置和大小，部件與部件之間的關(guān)系以及簡單的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，即骨架模型可層層嵌套，從而可將復(fù)雜產(chǎn)品層層分解，降低建模的難度。產(chǎn)品骨架模型SM用來代表一個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，是用來幫助處理大型組件的重要工具。零件可直接與骨架進(jìn)行裝配，而不是直接與其配合件裝配。同時(shí)可利用骨架進(jìn)行機(jī)械模擬與測試，使零件設(shè)計(jì)及修改組件變得簡單容易。骨架模型可用來分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、規(guī)劃基本的空間設(shè)計(jì)需求、決定重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，也可