基于Top-Down設(shè)計方法的安檢設(shè)備端接臺參數(shù)化建模設(shè)計

■ 文/ 公安部第一研究所 韓秀華 項名珠 李蒙 黃琳

1 引言

X射線安檢設(shè)備作為維護公共安全的重要工具，廣泛應(yīng)用于機場、火車站、地鐵等大型公共場合。隨著安檢形勢日益嚴峻以及客戶需求變化，對安檢設(shè)備端接臺定制化設(shè)計越來越多，推動著產(chǎn)品向多樣化發(fā)展。基于此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨新的問題，一方面，為了縮短周期，提高質(zhì)量和降低成本，要求產(chǎn)品設(shè)計最大限度地朝標準化、系列化、通用化方向發(fā)展；另一方面，為滿足不同的市場需求，大批量、少品種的設(shè)計與生產(chǎn)方式正逐漸被小批量、多品種規(guī)格設(shè)計與生產(chǎn)方式所取代。當(dāng)前安檢設(shè)備平滑臺產(chǎn)品普遍采用自底向上傳統(tǒng)開發(fā)模式，難以滿足上述兩方面的要求，為了縮短設(shè)計周期，降低成本，快速響應(yīng)市場，提高企業(yè)競爭力，迫切需要采用新的產(chǎn)品設(shè)計方法。本文采用Top-Down的設(shè)計方法，以某型安檢設(shè)備平滑臺為研究對象，對Top-Down設(shè)計方法進行系統(tǒng)闡述。

2 Top-Down設(shè)計方法

Top-Down是一種從總體設(shè)計到局部設(shè)計的過程和方法。在產(chǎn)品開發(fā)的前期按照產(chǎn)品的功能要求，預(yù)先定義產(chǎn)品架構(gòu)并考慮組件與零件、零件與零件之間的約束和定位關(guān)系，在組件裝配模型樹最上端建立頂級骨架，然后建立繼承頂層骨架的次級骨架，圍繞本層級骨架，展開零件的系統(tǒng)設(shè)計和細節(jié)設(shè)計，并通過更改相應(yīng)的骨架控制不同層級零部件尺寸和裝配關(guān)系。Top-Down的設(shè)計流程包括設(shè)計意圖定義、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定義、骨架模型定義、設(shè)計信息發(fā)布、部件詳細設(shè)計及工程圖。設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 Top-Down設(shè)計流程

與傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計方法相比，Top-Down設(shè)計方式具有如下優(yōu)點：

（1）符合產(chǎn)品設(shè)計流程和設(shè)計人員的構(gòu)思過程。設(shè)計產(chǎn)品時，首先考慮產(chǎn)品應(yīng)實現(xiàn)的功能，然后才構(gòu)建實現(xiàn)這些功能的幾何結(jié)構(gòu)要素，有利于從整體上把握產(chǎn)品功能和幾何結(jié)構(gòu)要素的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，產(chǎn)品的設(shè)計進程是一個從抽象到具體的漸進過程。

（2）便于實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的協(xié)同，實現(xiàn)并行設(shè)計和模塊化設(shè)計。在產(chǎn)品的最初設(shè)計階段即概念設(shè)計階段，就將產(chǎn)品的主要功能、關(guān)鍵約束、裝配關(guān)系等重要信息確定下來，在進行設(shè)計任務(wù)分配時，這些關(guān)鍵約束和裝配關(guān)系等要素也同時分配給各子系統(tǒng)，這樣，各子系統(tǒng)才能很好地配合和協(xié)作，避免發(fā)生沖突，從而實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)資源和人員的優(yōu)化配置。

（3）易于實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化設(shè)計。在完成基型產(chǎn)品的設(shè)計后，基于產(chǎn)品全局的總體模型的參數(shù)化驅(qū)動修改，可以實現(xiàn)派生產(chǎn)品的快速生成，完成同系列、不同規(guī)格產(chǎn)品的“批量”設(shè)計。

由于平滑臺產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成一致性好，僅外形尺寸、接口形式和地腳種類等選項存在差異，可進行參數(shù)化設(shè)計提高效率。在平滑臺的開發(fā)中，首先根據(jù)平滑臺的基本參數(shù)建立骨架即三維總布置，其次建立分模塊內(nèi)部系統(tǒng)骨架布置方案，最后進行詳細的部件設(shè)計。本文平滑臺模型創(chuàng)建采用PTC公司的Pro/E Wildfire 3.0軟件和Windchill系統(tǒng)搭建協(xié)同設(shè)計環(huán)境，具體的開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 開發(fā)流程圖

為方便平滑臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)快速化設(shè)計，本研究將滑臺組件、支腿組件、定義為一級組件，將跳輥、連接板定義為一級零件，一級組件下又包含各自的組成零件。這些一級組件及一級零件在平滑臺的位置相對固定、功能相對集中，因此，各組成部分可以作為一個獨立內(nèi)容進行單獨開發(fā)。采用Top-Down設(shè)計方法，依據(jù)各零部件組成結(jié)構(gòu)，平滑臺Top-Down結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 Top-Down結(jié)構(gòu)框圖

3 設(shè)計原則及開發(fā)過程

3.1 設(shè)計原則

（1）參照說明原則。對于復(fù)雜裝配產(chǎn)品，Top-Down方法的關(guān)鍵點是正確使用參照原則。如果前期設(shè)計參照混亂，將造成后期數(shù)據(jù)修改困難。本次開發(fā)過程遵循的參照原則：第一，對于較復(fù)雜的設(shè)計首先建立骨架，在零件設(shè)計時，其關(guān)鍵尺寸只參照骨架；第二，零件之間無關(guān)的配合處盡量不直接參照，以減少零件之間網(wǎng)狀父子關(guān)系；第三，當(dāng)零件之間存在參照時，其主次關(guān)系要明確，盡量不產(chǎn)生循環(huán)參照。

（2）數(shù)據(jù)重用原則。數(shù)據(jù)重用對于變型設(shè)計非常重要，同時也可避免數(shù)據(jù)庫中同樣零件的重復(fù)放置而浪費空間資源。本次平滑臺開發(fā)中為方便變型設(shè)計，主要使用兩點方法：第一，骨架作為一個獨立的零件，然后各模塊的設(shè)計必要信息分別參照此部件；第二，在進行產(chǎn)品改型時，可在基本模型的基礎(chǔ)上進行變更，然后將需要變更的零件重新命名。

3.2 開發(fā)過程

3.2.1 裝配定義

裝配體中各子系統(tǒng)及其部件之間的關(guān)系構(gòu)成了裝配關(guān)系樹。在建立模型之前，需要先建立好平滑臺總裝配的特征樹。總裝配樹的根節(jié)點為所要建立的平滑臺文件，各子系統(tǒng)為樹型結(jié)構(gòu)的1級子節(jié)點，對于復(fù)雜的總成可能還有2級甚至3級子節(jié)點。父節(jié)點與子節(jié)點之間的關(guān)系由相關(guān)參數(shù)表示，這些參數(shù)包括配合參數(shù)和安裝定位參數(shù)。裝配特征樹不僅列出了系統(tǒng)的組成元件，同時定義了它們的層次關(guān)系。由本文擬定的設(shè)計思路可知，平滑臺以下包含的一級組件有滑臺組件、支腿組件，一級零件有跳輥、連接板，二級組件則是各系統(tǒng)的零件。另外，地腳、緊固件等零件屬于通用零件，在建模完成后直接裝配。完成的總裝配特征樹見圖4。

圖4 總裝配特征樹

3.2.2 骨架建立

建立骨架所用的一般是基準特征，比如基準點、坐標系、基準平面、草繪線。為了方便平滑臺快速化設(shè)計，考慮將骨架分為兩級：頂級骨架和次級骨架。頂級骨架包含總布置信息（如長寬高尺寸）和裝配位置信息，是實體模型設(shè)計意圖的體現(xiàn)，用于建立尺寸、位置參數(shù)及相互關(guān)系，以便對三維模型進行數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)管理。本研究將平滑臺控制參數(shù)體現(xiàn)在頂級固件零件中，將每一個關(guān)鍵控制參數(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的參變量，并賦予初始值，根據(jù)實際需要對這些相關(guān)參數(shù)建立關(guān)系式，然后將這些參數(shù)與零件中的尺寸相關(guān)聯(lián)，從而達到利用頂級骨架控制子組件和零件相關(guān)尺寸的目的。關(guān)鍵參數(shù)定義后可以以數(shù)據(jù)表格的形式體現(xiàn)出來，如表1所示。方便對各參數(shù)重新賦值，完成頂級骨架創(chuàng)建，如圖5所示。

表1 關(guān)鍵參數(shù)表

次級骨架主要表達各子組件內(nèi)部分系統(tǒng)零件參照信息及裝配位置信息，如滑臺組件中滑板零件的參照基準和裝配坐標系等，次級骨架的必要設(shè)計信息參照于頂級骨架零件。

圖5 骨架草繪模型

3.2.3 設(shè)計信息傳遞

傳遞設(shè)計信息是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，Top-Down設(shè)計本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)傳遞和管理的過程。設(shè)計信息由上向下逐個層次傳遞，包括頂級骨架到次級骨架，次級骨架到各子組件內(nèi)部零部件的傳遞。單向傳遞路徑可保證設(shè)計意圖的一致性。本文設(shè)計信息傳遞是通過發(fā)布幾何和復(fù)制幾何實現(xiàn)，通過在上層的設(shè)計中選擇復(fù)制點、曲線和面等參考基準，然后將其發(fā)布，這樣下層的設(shè)計通過復(fù)制幾何就能得到適當(dāng)?shù)膮⒖夹畔?。信息傳遞流程如圖6所示。

圖6 信息傳遞流程圖

3.2.4 詳細設(shè)計

詳細設(shè)計即建立產(chǎn)品三維模型和工程圖的過程。經(jīng)過骨架建立、裝配定義、信息傳遞之后就是基于發(fā)布的設(shè)計信息進行詳細的分模塊建模。在設(shè)計過程中，各子系統(tǒng)建模的必要參考信息均來自于骨架，因此在建立各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型前需要復(fù)制骨架中的發(fā)布幾何。運用“復(fù)制幾何”命令，調(diào)入各子系統(tǒng)所對應(yīng)的發(fā)布幾何即可。然后將發(fā)布幾何作為基礎(chǔ)參考信息建立模型。平滑臺總裝模型如圖7所示。

圖7 平滑臺總裝模型圖

3.2.5 產(chǎn)品快速化設(shè)計

完成平滑臺的參數(shù)化設(shè)計后，Pro/E即可依據(jù)骨架模型的規(guī)劃進行變更修改。當(dāng)骨架零件做出更改后，組件也會自動再生。同一系列的產(chǎn)品，一般只在尺寸規(guī)格上存在差異。修改頂級骨架中的控制參數(shù)，使用頂級骨架與次級骨架的“再生”命令，將頂級骨架中的參數(shù)傳遞到底層數(shù)據(jù)模型中，即可完成產(chǎn)品的改型設(shè)計。改進后的參數(shù)如表2所示?？焖偕傻钠交_模型如圖8所示。

表2 快速化生成模型后關(guān)鍵參數(shù)表

圖8 快速生成的平滑臺模型（部分顯示參數(shù)）

4 結(jié)語

本文運用Top-Down設(shè)計方法開完成了平滑臺產(chǎn)品的系列化設(shè)計，實現(xiàn)了平滑臺產(chǎn)品的快速設(shè)計，減少了大量不必要的重復(fù)工作，設(shè)計修改的效率都明顯提高，有效克服了自底向上設(shè)計方法在產(chǎn)品開發(fā)過程中工作量大，效率低，改進設(shè)計困難的缺點，對其他類型的端接臺設(shè)計具有借鑒意義。

[1]韓鋒剛. 基于Top-Down設(shè)計方法的客車底盤開發(fā)技術(shù)[J].客車技術(shù)與研究，2014（,6）.

[2]劉文劍，金天國.產(chǎn)品自頂向下設(shè)計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2002,8（1）:1-7.

[3]周運金.基于Pro/E的兩種自頂向下的設(shè)計方法[J].機械設(shè)計與制造，2007（7）:80-82.