Pro/E自顶向下方法在现代机械产品设计中的应用

王　博，刘　旭，刘清涛

(1.西安航空学院 机械学院，西安　710077； 2.长安大学， 西安　710064)

Pro/E自顶向下方法在现代机械产品设计中的应用

王博1，刘旭1，刘清涛2

(1.西安航空学院 机械学院，西安710077； 2.长安大学， 西安710064)

摘要：阐述了自顶向下设计方法的基本原理，并对两种自顶向下设计方法的特点进行比较，说明主控零件法优势更为明显。以一款直板手机为例，运用Pro/E三维设计软件，采用主控零件法对具体产品的设计流程和设计变更进行了详细讲解。结果表明：应用自顶向下的设计方法更容易实现对产品的修改和重建，非常适合现代机械产品设计多变的要求，对于提高产品的设计效率和设计质量具有一定的参考意义。

关键词：自顶向下；主控；骨架；Pro/E

目前大多数机械产品在设计时都采用传统的自底向上设计方法，即工程设计人员首先仔细研究单个零件的结构和功能，设计出零件图，然后在此基础上根据装配关系将零件装配成部件，部件经过试验证明合格后再进行上一层的装配，如此逐步地完成整个产品的设计[1]。这种设计方法适应于一些比较成熟的产品设计，产品的结构在设计过程中不会做大的改动，可以获得比较高的设计效率。但是，这种方法的缺点也非常明显，如在设计时缺乏对产品全局性的考虑，不但不符合设计过程中工程师的正常思维模式，而且各零件之间容易产生干涉或者不匹配的现象，并且当产品的设计要求有所变化时，已经装配好的各零件不能自动产生相应的变化，导致工程师不得不花费大量的时间对产品的三维模型进行修改和重建。现代的机械产品大多都是小批量、多规格，在设计过程中要经常做改动，因此采用这种方法已经严重影响到产品的设计质量和设计效率。

运用Pro/E软件，采用自顶向下的设计方法，在设计时从全局和整体入手，先勾画出产品的整体结构关系，然后在总体设计方案的约束下对各个零部件进行详细设计[2]，不但符合产品设计过程中设计者的思维过程，而且在设计过程中可以边设计、边修改，不会出现许多繁冗的重复性工作，对于缩短产品的开发周期和改善设计质量具有重要的参考价值。

1自顶向下设计方法的基本概念

自顶向下设计就是在产品设计阶段首先考虑产品的功能需求，然后选择合适的零件来满足产品要实现的功能，再根据所选择的零件在产品中所起的作用来进行布局装配，最后才是对零件的细化设计。该方法是一种对产品从全局进行规划的设计方法，与传统的自底向上设计方法相比，在设计思路上是先整体后零件，两种设计方法的思路比较如图1所示。由图1的对比可以看出，自底向上的设计方法缺乏对产品全局性的考虑，在设计过程中如果某个零件的参数需要修改，会使整个图档出现许多重复性的工作，设计效率低下。而采用自顶向下的设计方法可以避免这些问题的出现。

图1　Top-down设计和Bottom-up设计思路比较

2两种自顶向下设计方法的比较

产品的设计过程是一个创造性的从无到有的工作过程[3]。首先要明确产品要实现的功能，由功能需求提出设计方案。设计方案一般会有好几种，需要结合可制造性以及经济性综合对比选出最佳方案，进而对所选方案进行分解，产生总装配草图，最后再生成零件的详细信息。这其实是一个将设计信息从全局向细节传递的过程。Pro/E软件中有两种自顶向下设计方法：顶层基本骨架法和主控零件设计法。

2.1　顶层基本骨架法

顶层基本骨架法是根据一个产品各零件之间的关系，创建一个特殊的零件模型，即顶层骨架[4]，利用这个模型来规范和总览全局，也可以认为它是一个产品的三维布局图，集中存贮着产品中零件的装配信息。在进行产品设计时，首先根据产品中零件的布局规划创建一个顶层骨架，再创建承载顶层骨架设计信息的下一级骨架，然后依次传递，每一层的零件装配都以各层的骨架模型信息作为参考，最后由装配图完成对单个零件的详细设计。设计思想如图2所示。

2.2　主控零件设计法

主控零件设计法在顶层基本骨架法的基础上进行了改进，在设计中将顶层基本骨架从产品的装配模型树中单独列出，定义为主控零件；主控零件控制着整个产品的装配关系，产品模型中需要共享数据的各零件以主控零件为参照[5]，在进行数据共享时可防止发生互相干涉[6-7]。在设计时，主控零件的更改可同步反映到每一个被控零件上，确保了设计的一致性，实现产品设计的模块化和多人同时协同设计，真正体现了并行工程的思想。设计思想如图3所示。

图2　顶层基本骨架法设计思路

图3　主控零件设计法设计思路

通过比较可以看出，相对顶层基本骨架法而言，主控零件设计法的建模体制共用数据更少，参照关系更简单，工程师之间的数据共享更容易实现，设计意图易于沟通，同时工艺设计直观性好，可以实现并行工程，能实现造型与结构的一体化设计。

3直板手机的自顶向下设计

3.1　手机结构分析

如图4所示，该手机的结构部分分为四大块，分别是“上盖”、“下盖”、“电池盖”和“按键”。

图4　产品外观

3.2　创建主控件零件三维模型

在工程实际中，主控零件图最初是一张布局草图，它是根据市场的需求，由工业工程师绘制的产品整机的外观效果图，在得到客户确认后，将效果图输出为IGES格式的线框图。图5为IGES格式的主控零件图。将此图导入Pro/E中，利用Pro/E中的命令生成主控零件的三维模型。具体操作过程如下:

1) 新建顶级组件mobile.asm。在顶级组件下创建一个主控模型Master-mobile_skel.prt。单击[插入]下拉菜单，选择[元件]→[创建]，弹出[元件创建]对话框，选择[骨架模型]后再选[复制现有]，然后到软件安装目录下打开[templates]目录，选择模板文件为[mmns_part_solid.prt]。如图6所示。

图5　IGES主控零件图

图6　模板

2) 在Pro/E中导入IGES格式的线框图。单击[插入]下拉菜单，选择[共享数据]→[自文件]，选择处理好的DXF档案，将线框导入Pro/E软件中，如图7所示。

3) 以导入后的线框图为参考进行描线，先将整机的长、宽、高的线条描出，用来控制整机尺寸，再描拆件线和零部件的细节线，然后再由线建面，逐步生成主控零件的三维模型，最后创建各零件的分型面。主控零件的三维模型如图8所示。

图7　导入Pro/E后的ID线框图

图8　主控零件的三维模型

3.3　拆零件

拆零件就是把零件的所有外观面包括细节特征都做出来。首先创建一个仅含缺省坐标系PRT-CSYS-DEF及缺省基准面RIGHT、TOP和FRONT的手机上盖零件[8-9]。将主控零件与电话上盖装配在一起，再将主控零件合并(merge)到手机上盖零件上。此时手机上盖零件即含有主控零件的几何模型。以手机上盖复制1个相同的零件作为手机下盖的雏型零件，即手机下盖零件具有主控零件的几何模型。对上下盖零件进行切割(cut)、抽壳(shell) 等操作得到手机上、下盖零件。其余零件可按照此方法进行拆件。零件图如图9所示。

图9　零件图

3.4　产品的设计变更

在设计过程中产品的结构需要经常变更。在变更时，单击Pro/E中的[插入]下拉菜单，选择[共享数据]→[自文件]，[重新加载]新的IGES格式的主控零件到原来的图档中，再根据具体需要对产品的装配位置和相关尺寸进行重新规划和修改，然后打开原来已经拆分好的零件，在零件文件中导入新的IGES格式的主控零件，点击[重新生成]命令，零件可自动完成图档更新。自动更新后的零件会驱动产品的装配图发生更新。整个过程如图10所示。

图10　设计变更流程

4结束语

采用主控零件自上向下设计法，完成了一款直板手机的快速设计，减少了设计过程中大量不必要的重复性工作，为设计人员节约了时间。这种设计方法已得到工程设计界的普遍认可，可为类似产品的设计提供实际参考。

参考文献：

[1]周运金.基于Pro/E的两种自顶向下的设计方法[J].机械设计与制造，2007(3):80-82.

[2]栾阳.基于Pro/E的手机结构数字化设计[J].制造业自动化，2011，30(10):107-110.

[3]梁蔓安，彭金勇，徐武彬.散装水泥罐体自顶向下整体参数化设计[J].制造业自动化，2011，30(3):145-147.

[4]郭志英，李吉泉，侯俊霞，等.注塑新产品开发中的设计验证[J].工程设计学报，2010，17(1):241-245.

[5]刘爱华.产品装配结构技术的实现及应用[J].机械设计，2006，23(1):16-19.

[6]罗志平，沈永刚.TOP-DOWN方法在PRO/E产品设计中的应用[J].上海工程技术大学学报，2005，19(3):234-238.

[7]柯常忠，谢少波.基于参数化技术的自顶向下设计[J].中国制造业信息化，2007，36(3):50-56.

[8]冯方，潘慧，胡国军.基于PRO/E主控零件的产品设计[J].机械设计，2011，28(6):12-14.

[9]刘文剑，金天国.产品自顶向下设计的研究现状及发展方向[J].计算机集成制造系统，2002，8(1):1-7.

(责任编辑刘舸)

收稿日期：2015-03-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51305042)

作者简介：王博(1983—)，男，硕士，主要从事现代机械设计理论、方法与技术研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.007

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2015)07-0040-04

Application of Top-Down Method in Modern Mechanical
Product Design Based on Pro/E

WANG Bo1, LIU Xu1, LIU Qing-tao2

(1. School of Mechanics, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China;

2. Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:On the basis of introducing the principle and advantages of top-down design method, two different top-down design methods were contrast researched. The research indicates that the top-down design method of master model is a better approach. Combined with the detailed design process of a candy bar phone under the Pro/E environment, the design process and design changes were interpreted. The result shows that top-down design method can realize the modifying and rebuilding of products more easily and is very suitable for the changing requirements of modern mechanical product design. So the method has the important valuation for improving design efficiency and quality of product.

Key words：top-down; master; skeleton; Pro/E

引用格式：王博，刘旭，刘清涛.Pro/E自顶向下方法在现代机械产品设计中的应用[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(7):40-43.

Citation format：WANG Bo, LIU Xu, LIU Qing-tao.Application of Top-Down Method in Modern Mechanical Product Design Based on Pro/E[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):40-43.