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基于“顶层基本骨架(TBS)”模型的CAD创新设计方法 |
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作者：同济大学 齐从谦 丁鸿杰 |
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介绍了基于参数化技术的自顶向下设计过程和实施方法，提出了以“顶层基本骨架”——TBS模型作为自顶向下设计时信息传递纽带的思想，并以三维参数设计软件Pro/ENGINEER为平台，结合产品设计实例，实现了以“顶层基本骨架”为核心自顶向下的零件设计和模具设计过程。该设计思想和方法支持并行工程及工作组之间的协同设计和相关设计。
1 参数化技术与TBS模型
1.1 参数化技术与自顶向下设计
在CAD中，参数化技术是采用参数预定义的方法建立图形的集合约束集，指定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，然后以人机交互方式修改参数尺寸，通过参数化尺寸驱动实现对设计结果的修改。参数化设计过程中，参数与设计对象的控制尺寸有明显的对应关系，并具有全局相关性。参数化设计不同于传统的设计，它储存了设计的整个过程，能设计出一族而非单一的在形状和功能上具有相似性的产品模型。正是有了这种参数化建模技术，才使得数据的改变在不同层次（如：不同的子装配系统和不同的零件）之间的传递变得唯一和即时。这样，才有了真正意义上的“自顶向下”设计，及以这种设计为基础的并行设计，后者是团队设计的基础。图1描述了这种“自顶向下”设计方法的工作流程。 
图1 自顶向下的设计流程
1.2 “顶层基本骨架”概念的提出
自顶向下设计是首先从产品的顶层开始，通过在装配中建立零件来完成整个产品设计的方法，这种设计方法在产品的概念设计环节尤为重要[1~3]。为此，我们在产品设计的最初阶段，按照该产品的最基本功能和要求，在设计顶层构筑一个“基本骨架”，称之为“顶层基本骨架”（Top Basic Skeleton——TBS），随后的设计过程基本上都是在该“顶层基本骨架”的基础上进行复制、修改、细化、完善并最终完成整个设计的过程。
传统的装配是零件之间的互相贴合，定位或者对齐。而在自顶向下设计中的装配则是子装配及零件都装配在同一基准即顶层基本骨架（它包括基准点、线、面；空间的点、线、面或者是产品的点、轮廓线、轮廓面等）上，最后用这个可以不断变更、发展的顶层基本骨架来控制整个产品的设计（包括设计的变更）。
1.3 TBS的主要功能
1.3.1管理
顶层基本骨架可以被用来管理大型的装配设计，允许设计者仅仅调出顶层装配的的基本骨架到内存中，来控制整个产品的设计及其更改。顶层基本骨架包含了重要的设计基准，如：基座的位置，产品的外形、子装配、零件、及设计参数（如：最重要的尺寸所需要的空间要求）。可以在顶层对基本骨架进行更改，而这些更改将会被传递到其下的所有子系统中。
1.3.2 组织
顶层基本骨架可以增强零件在装配中的相互关联和依赖性。这些存在于实际装配之中的相互关联和依赖关系可以很好地在最初的总体布局中被捕获并抽取出来，构成顶层基本骨架，为子装配和零件所享用。在稍后举出的手机产品和模具的设计实例中，将体现出这种组织上的“关联性”：手机的按钮是由面板上的孔所定位，两者的形状和位置都由面板所控制。于是，当面板的形状和它上面的孔的位置改变时，按钮的形状和位置会跟着作相应的变更。
1.3.3 共享数据
一个有组织的装配骨架允许信息在不同层次间能够被共享，如果在某一层发生改变，那麽和它相关联的装配和零件都能够获得这种最新的改变。这种好处是使得团队合作成为可能，在这个团队中有不同的子团体和个体，他们分别在进行不同的子装配和零件设计，由于这种数据的共享和在内存中存在的唯一性，使得一个复杂的装配设计在早期就可以分解成不同的、简单的子装配和零件，进而分配给不同的子团体和个人。从而体现出“顶层基本骨架”设计思想对并行工程的支持。
1.3.4 变更的传递
可以用顶层基本骨架来控制变更。产品的变更结果是在零件中产生而在产品的顶层实施。具体方法是：在装配的顶层通过对捕捉到的设计意图进行更改，再通过参数设计的关联性将这种变更传递给下一级子装配或零件以及相应的模具，直至反映到NC加工的程序编制中。
以顶层基本骨架作为信息传递纽带，实现自顶向下设计的工作原理如图2所示。
图2 以TBS 为核心的自顶向下设计工作原理
2 “TBS”的建模方法
2.1 构建“骨架模型”
顶层基本骨架的最初构思是受到二维设计中2D Layout的启发，即在产品设计的最初阶段，按照该产品的最基本功能和要求，在顶层构筑一个骨架模型，用来定义一个装配体的基本功能要求、基本结构和全局参数及参数之间的顺序依赖关系，其零部件可以是一个概念上的三维图形或参数草图，然后建立参数、尺寸之间的关系和零部件自动定位所需的全局基准。
骨架模型是一个组件式的框架，它定义各组件设计的框架、空间要求、界面及其它几何、物理属性，是“顶层基本骨架”的重要组成部分，但骨架模型并不顾及组件的具体尺寸和细节。在构筑骨架模型时，更注重在最初的产品总体布局中捕获和抽取各子装配和零件间的相互关联性和依赖性。在设计后期，使用置换功能，用一个个具有实际功能形状的复杂零部件替换原始三维草图中的简单图形，从而实现自顶向下设计的全过程。
2.2 复制“几何参照”和“基准参照”
通过“复制”机制实现骨架模型在三维空间中的映射。复制的重点是：基准点、线、面；空间的点、线、面或者是产品的点、轮廓线、轮廓面等。包括：
1. 内部复制几何参照 对于主装配的“顶层基本骨架”而言，其几何参照的复制在系统内部产生。
2. 外部复制几何参照 对于子装配的“顶层基本骨架”而言，其几何参照的复制在系统之间或零件之间产生。
3. 基准参照的复制 构建“顶层基本骨架”时，点、线、面及坐标系等的复制。
通过在系统内部或系统之间复制几何参照，可以在整个装配或子装配内建立统一的设计标准，并且为传递大量信息提供一个简单易行的方法。
2.3 顶层基本骨架的内涵
从产品的空间结构上来看，按照上述方法所建立的产品“顶层基本骨架”能够代表产品模型的主要空间位置和空间形状，能够基本反映构成产品的各个子模块之间的拓扑关系、以及其主要运动功能；从其自身的不断发展以及它与后续设计的继承和相关关系上来看，它是整个产品自顶向下设计展开过程中的核心，是各个子装配之间相互联系的中间桥梁和纽带，这才是“顶层基本骨架”思想的真正内涵。
仿效顶层基本骨架的“复制几何参照”，每个设计组均可在其子组件中创建骨架模型。这样不需访问顶层组件即可在其个人的子组件内进行操作。又由于每个组的骨架都是通过复制来自顶层的参照而生成的，所以每个设计者都使用同样的设计标准，将始终保持相关性3。因此，“顶层基本骨架”的设计思想又可以延伸到产品的子装配模型以及产品模具的设计中去。
3 以TBS模型为核心的自顶向下设计步骤
本节将通过一个具体产品——“手机外壳总成”的设计实例来进一步展示上述基于“顶层基本骨架”的自顶向下设计思想。设计平台是参数化设计软件Pro/ENGINEER。设计步骤如下（参见图3）：
（1） 先建立手机产品的顶层基本骨架，它包括基准面、点、轴、坐标系及产品的轮廓面，上下盖分型面、电池门形状的控制面和控制手机按钮的投影线等。
（2） 将产品的顶层基本骨架与只含坐标系CSO及基准面DTM1，DTM2，DTM3的手机上盖件装配在一起（注意：这时手机上盖件不含其它任何几何形状），然后将顶层基本骨架合并至手机上盖零件，此时手机上盖零件即含有顶层基本骨架模型。
（3） 由手机上盖零件“参考复制”出两个完全相同的零件，其中一个作为手机下盖及电池盖的雏形零件，另一个再和一个只含坐标系CSO及基准面DTM1，DTM2，DTM3的零件装配作为手机按钮的子装配件，然后再以相同的方法在子装配中构造这一级装配的顶层基本骨架，并以相同参考复制的形式复制出15个零件分别作为按钮的各个零件（按钮1，按钮2，按钮3…等）的雏形。这里要特别强调的是：参考复制和普通复制在内涵上是不一样的，参考复制能够继承“父子”关系；而普通复制只是一般意义上的拷贝。
（4） 接着是非常重要的一步，就是将所得到的所有这些零件（有些可以是只含有一个坐标系的空零件）和子装配件以坐标系重合的形式装配在一起，然后再在装配关系中对个别零件或子装配件并行地展开具体细节设计。如果略过这一步，即在装配之前就对零件做具体设计，完成后再组成装配件，那麽就又回到了传统设计中，这种设计不能在上下层以及平行零件之间传递设计变更。
（5） 零件细节设计完成后不需再做额外的装配，因为这些零件及子装配件都是在装配关系中完成的，且拥有共同的基准和顶层骨架，因此，它们在发展的同时首先是配合的。
( 6 ) 模具设计。模具设计是基于零件的，因此也就继承了零件所享有的所有关系。
( 7 ) 最后，如要进行产品的设计变更，可以直接在顶层基本骨架中完成所有主要的设计更改，然后借助于装配关系所建立的零部件之间的约束关系，实现设计的更改。因为在它下层的其它零件或子装配件都是由其衍生而来，含有它的模型。这时，参数化技术就起作用了：由于尺寸的驱动和父子关系的继承，顶层骨架的变更会完全反映到每个相关零件及模具上，从而达到了以一个主模型来控制产品的设计和变更的目的，实现了具有真正创新意义的自顶向下设计。
从手机外壳零件到模具的全部设计流程如图3所示。 
图3 基于TBS 的手机外壳及模具设计过程
4 结论
在自顶向下的参数化设计中，“顶层基本骨架”——TBS模型的引入能够实现从产品到模具整个设计过程中信息的传递、共享、继承和变更；这种创新性的设计思想和方法不仅支持团队间的并行设计和相关设计，而且为有一定设计经验的技术人员提供了基于参数化技术的自顶向下设计方法：以TBS模型作为自顶向下设计过程中信息传递的纽带，在产品的上游设计阶段，它可以作为产品的整体结构功能框架，然后以参考复制和设计变更的方式生成各子装配和具体零件的细节设计，它们之间的相关性由传递和继承得以体现，这种设计思想可以一直延续到后期的模具设计和NC加工。这样就实现了真正意义上的从CAD到CAM的信息集成，大大地提高了产品设计的效率和质量。
《中国机械与金属》(end)
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(8/19/2006) |
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