自頂向下設(shè)計方法在雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

陳晶晶

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽合肥 ，230011）

1 概念和技術(shù)特點

1.1 概念

在現(xiàn)階段的通用設(shè)計理論體系中，將產(chǎn)品設(shè)計描述為“是一種從抽象逐步細(xì)化到具體的過程，是一種從頂層逐步向底層實現(xiàn)分解、細(xì)化、求解和具體化的過程[1]”。自頂向下設(shè)計方法指的是在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，通過建立頂層的設(shè)計規(guī)劃，并將頂層設(shè)計規(guī)劃逐步向下級分解、傳遞作為設(shè)計準(zhǔn)則的一種設(shè)計方法。

1.2 技術(shù)特點

1.2.1 符合設(shè)計師的思維過程

在采用自頂向下設(shè)計方法進行產(chǎn)品設(shè)計時，設(shè)計師首先要考慮設(shè)計產(chǎn)品所要實現(xiàn)的功能，然后再考慮要實現(xiàn)這些功能應(yīng)當(dāng)采用的幾何結(jié)構(gòu)，使得整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程表現(xiàn)為從一個抽象過渡到具體的漸進過程，而這個過程符合設(shè)計師在設(shè)計時的思維過程。

1.2.2 能夠支持完整的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)描述

自頂向下設(shè)計方法以產(chǎn)品系統(tǒng)功能模型為立足點和基本出發(fā)點，因此對產(chǎn)品的功能行為可以做出全面、準(zhǔn)確的描述，同時支持整個產(chǎn)品設(shè)計的全過程。通過對產(chǎn)品系統(tǒng)級設(shè)計規(guī)劃進行合理的定義和分解，不僅可以確保產(chǎn)品各個零部件之間的內(nèi)在聯(lián)系，也實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計意圖的實時傳遞。

1.2.3 能夠支持產(chǎn)品多層次的抽象表達

自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計方法是一個對設(shè)計對象逐步分層、細(xì)化和具體化的求解過程。在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，設(shè)計規(guī)劃自頂層向下層逐步傳遞、細(xì)化，并以此為基礎(chǔ)加入該分系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)計規(guī)劃和約束。按照此類繼承傳遞關(guān)系，最后形成了各個層級的設(shè)計規(guī)劃和約束。在頂層的設(shè)計規(guī)劃中包含了產(chǎn)品的總體的設(shè)計要求，而底層設(shè)計規(guī)劃則包含了產(chǎn)品具體、細(xì)微的設(shè)計要求。

1.2.4 能夠支持子系統(tǒng)間的并行設(shè)計

在采用自頂向下設(shè)計方法時，它可以保證產(chǎn)品各個子系統(tǒng)之間約束條件的一致性，避免了因約束條件而可能發(fā)生的沖突，為各個分系統(tǒng)的實時并行設(shè)計打下了有利的條件。這是因為在產(chǎn)品的工程設(shè)計階段，通過自頂向下設(shè)計方法能夠?qū)a(chǎn)品的主要功能、設(shè)計約束和配合關(guān)系等重要的設(shè)計信息以顯性或者隱性的方式定義在裝配的規(guī)劃中。那么，設(shè)計師在進行設(shè)計任務(wù)分配時，這些關(guān)鍵的設(shè)計約束也可以同時分配到各個子系統(tǒng)之中；由于各個子系統(tǒng)的設(shè)計約束中已經(jīng)包含了當(dāng)前設(shè)計約束下的所需的臨界條件，因此，各個分系統(tǒng)便可以各自獨立地開展設(shè)計工作，并能夠按照統(tǒng)一的設(shè)計尺寸和接口形式定義、裝配部件。

2 在雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計中的典型應(yīng)用

雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要過程可以分為：概念設(shè)計、總體設(shè)計和工程設(shè)計等階段，不同設(shè)計階段所處理的信息內(nèi)容、類型和處理方法也不盡相同。筆者采用自頂向下設(shè)計方法完成某型號雷達的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計，設(shè)主要設(shè)計過程可以分為以下6個環(huán)節(jié)。

2.1 定義雷達結(jié)構(gòu)的總體布局

雷達結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計建立在充分消化理解產(chǎn)品戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求、確定產(chǎn)品功能和原理的基礎(chǔ)之上，形成包含產(chǎn)品總體布局和設(shè)計規(guī)劃的產(chǎn)品雛形。依據(jù)該雷達的具體功能指標(biāo)要求，深度結(jié)合以往同類型雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，選擇采用平行四邊形結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)雷達天線陣面得升舉，采用曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)天線陣面的翻轉(zhuǎn)，采用成熟的機電支撐腿作為自動調(diào)平系統(tǒng)。

2.2 明確雷達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

雷達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從邏輯上分析應(yīng)當(dāng)包含其組成部分或者子系統(tǒng)之間的嵌套關(guān)系，在內(nèi)容上包含了產(chǎn)品的層次與組成，同時包括設(shè)計團隊的人員構(gòu)成與相應(yīng)的權(quán)責(zé)，建立完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)后續(xù)設(shè)計規(guī)劃的發(fā)布與設(shè)計任務(wù)的管理的基礎(chǔ)條件。

2.3 建立雷達骨架模型

雷達骨架模型也被稱為主體模型，是一種用以描述和驅(qū)動整個產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)特征和組成的三維立體設(shè)計規(guī)劃，同時也是發(fā)布、傳遞設(shè)計信息的載體。雷達骨架模型主要包括兩個部分：雷達頂層結(jié)構(gòu)骨架模型以及各分系統(tǒng)骨架模型。雷達頂層骨架建立模型后，各個分系統(tǒng)的骨架模型可以以復(fù)制幾何的方法直接或間接從頂層的骨架中通過繼承獲取，并在此基礎(chǔ)上建立父子關(guān)聯(lián)關(guān)系，確保數(shù)據(jù)自頂向下的一致性和實時更新。

2.4 發(fā)布設(shè)計意圖和詳細(xì)設(shè)計

各個分系統(tǒng)與底層系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)共享或者數(shù)據(jù)發(fā)布等途徑從上層的設(shè)計規(guī)劃中獲取設(shè)計意圖，可將其作為該分系統(tǒng)的設(shè)計邊界條件，分系統(tǒng)的設(shè)計人員可以獨立根據(jù)各自的設(shè)計要求開展自身的設(shè)計工作。在進行詳細(xì)設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)盡可能將骨架零件中已經(jīng)設(shè)定的設(shè)計信息基準(zhǔn)依附在骨架模型的點、線、面上。對于分系統(tǒng)間的裝配接口，不同分系統(tǒng)的設(shè)計人員在建立模型時均要將建?；鶞?zhǔn)定義在模型中的接口部分基準(zhǔn)線之上，這樣做不僅可以保證分系統(tǒng)模型間裝配的準(zhǔn)確性，同時頂層主設(shè)計師一旦需要改變此裝配接口的位置和尺寸大小時，也只需要改變頂層骨架零件，而子系統(tǒng)的模型可以實現(xiàn)同步更新。

2.5 完善頂層的裝配

各個子系統(tǒng)在詳細(xì)設(shè)計完成后重新提交給頂層的裝配環(huán)境中，并形成總裝配模型。由于各個分系統(tǒng)的位置均對應(yīng)同一個骨架模型，因此它們具有相同的參照體系，使得各個分系統(tǒng)之間不需要定義裝配關(guān)系便可以實現(xiàn)零部件之間的精確定位。頂層的總設(shè)計師可以通過調(diào)整骨架模型的參數(shù)、位置等因素來控制或者調(diào)整產(chǎn)品的外形和姿態(tài)。

2.6 調(diào)整零件父子關(guān)系

在自頂向下設(shè)計過程中的骨架模型不僅可以實現(xiàn)姿態(tài)控制和設(shè)計意圖的傳遞，同時也可以根據(jù)實際需要調(diào)整各個分系統(tǒng)之間父子關(guān)系。通過調(diào)整零件之間的依存關(guān)系，能減少模型在會見不必要的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得整個產(chǎn)品邏輯關(guān)系更加簡潔。

3 雷達結(jié)構(gòu)自頂向下設(shè)計采用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 骨架模型

在自頂向下設(shè)計中，骨架模型的作用包括：設(shè)計空間說明、組件接口定義和運動姿態(tài)控制等。在自頂向下設(shè)計方法中骨架模型時必需的模型之一，其中包含了零部件特征、基準(zhǔn)面、曲面、關(guān)系式、圖層和視角等重要設(shè)計信息；在產(chǎn)品裝配環(huán)境下，骨架模型是可以進行獨立修改的，而這會直接造成產(chǎn)品總裝模型的修改。為了實現(xiàn)對骨架零件和設(shè)計零件的設(shè)計意圖進行有效的管理，在構(gòu)建骨架模型時需要注意以下四點：一、骨架模型的基本信息最好采用曲線或者曲面特征進行描述；二、骨架模型實質(zhì)是一個虛擬的零件，不能用于實際的加工或裝配，也不能出現(xiàn)在工程圖中；三、在一個裝配層中，只能有一個骨架零件，不允許出現(xiàn)多個骨架零件；四、裝配環(huán)境下建立的裝配特征只對普通的零部件產(chǎn)生效力，對骨架模型不產(chǎn)生效力。

3.2 裝配結(jié)構(gòu)

在進行工程設(shè)計之前，構(gòu)建合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系有利于各設(shè)計師之間的任務(wù)分配和角色設(shè)定。利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以將每個分系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)合理的分配給相應(yīng)的設(shè)計人員，底層的設(shè)計人員只需要將設(shè)計的精力集中于某個具體的局部設(shè)計即可，而分系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人員僅僅需要關(guān)注本系統(tǒng)內(nèi)部的詳細(xì)設(shè)計。通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定義，各個零部件之間便具有了穩(wěn)定的裝配關(guān)系和裝配層次。

3.3 復(fù)制幾何技術(shù)

復(fù)制幾何技術(shù)包括內(nèi)部、外部復(fù)制幾何兩個方面。所謂的內(nèi)部復(fù)制幾何是由當(dāng)前裝配模型中的骨架模型向其他零部件之間的幾何復(fù)制；外部復(fù)制幾何是由外部骨架模型或裝配模型向本層零部件復(fù)制幾何數(shù)據(jù)。在自頂向下設(shè)計方法中，采用復(fù)制幾何的方法可將頂層設(shè)計信息逐漸 向下級傳遞，直到每個子裝配或者零部件都獲得必要的設(shè)計參照，這種設(shè)計方法實質(zhì)上是一種柔性、可靠和可更新的設(shè)計信息傳遞方法。根據(jù)設(shè)計需要，可以調(diào)整復(fù)制幾何特征與父參照的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同異步更新。

[1]咸斌.基于關(guān)聯(lián)技術(shù)的自頂向下設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用研究[J].機械設(shè)計與制造，2005，（7）：P29-31.