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基于Creo的自顶向下设计方法在电子仪器结构设计中的应用

发布者:Tony 发布时间:2017-11-2 阅读:465

介绍了Creo环境下的自顶向下设计方法,通过某型电子仪器的设计过程,展示了自顶向下设计方法在电子设备结构设计中的应用。对于系列化产品的开发,通过修改骨架模型,利用零部件与顶层骨架模型的数据关联,能够有效提高设计效率。

引言

    出于市场多样化及我所项目种类多、批量小特点的考虑,传统先设计零件,再逐步装配的设计方法,由于其数据不具有关联性、设计修改不便、多次修改容易引起干涉等诸多弊端,已不能够满足需求。本文所介绍的自顶向下设计(Top-Down Design)方法以设计结果为导向,从整体的概念设计出发,按照产品的层次结构逐级细化,最终落实到每个细小零件的设计,设计过程遵循人的思维方式,随着设计师的设计意图由粗入精,产品也实现由抽象到具体的转变。设计中以骨架模型为数据传递载体,数据关联性强,修改方便。

1 自顶向下设计方法(Top-Down Design)

    与传统自底向上的设计方法相比,自顶向下设计方法设计思维上有着本质的区别。传统从零件设计、装配,最后完成整机设计的方法,设计过程中零部件之间只存在简单的装配关系,不存在设计参数的关联,产品结构比较复杂时,容易出现互相干涉的情况。零件装配操作繁琐,经过多次反复修改才能得到满意的结果,设计效率低下。自顶向下设计是一种以概念设计为起点,逐步细化的产品设计方法。产品设计是一个逐步细化的渐进过程,一般包括概念设计、布局设计、层次结构设计、详细设计等,首先从产品的外形出发对整体进行结构建模,然后根据零部件之间的配合关系拆画出各级零部件的模型,最终完成产品设计。二者相比,自顶向下的设计方法优势明显:

    (1)该设计方法符合产品开发过程和设计者的构思过程,设计中首先考虑产品要实现的功能和最终的外形,其次根据功能和外形构建结构要素,有利于把握结构和功能的协调统一。

    (2)设计修改方便,顶层设计信息与底层零件存在数据关联,顶层设计发生变更时可自动传递给底层零件。

    (3)便于多子系统并行设计。顶层骨架模型和各子骨架模型集成了产品的关键约束、连接关系,各子系统的设计信息均由本层骨架模型传递,便于团队协作和资源优化配置。

    (4)便于实现产品系列化设计。同系列产品往往风格一致,结构类似。完成基本型产品的设计后,通过修改其顶层骨架模型,可以实现同类产品的快速设计。

    Creo 软件为产品设计提供了一个整体化、关联性的设计平台,可以完美实现自顶向下的设计。

2 某型电子仪器的设计过程

2.1 某型电子仪器的外形设计

    根据设计要求,仪器外形尺寸为426mm(宽)伊221.5mm (高)伊160mm(深),选用10.4寸液晶屏幕。设计初期,根据外形尺寸及前、后面板特征分布要求确定关键尺寸和位置,给出外形的初步模型。然后按照硬件初步布局要求,由外观设计工程师确定仪器外观模型。

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    图1 硬件布局及产品外观

2.2 骨架模型建立

    根据设计要求,仪器结构由前、后壳、内部硬件等组成。分考虑机箱的可靠性、环境适应性及可维修性等方面的需求,确定机箱内部的大体框架结构。考虑到内部电路板及电源的散热及电磁屏蔽需求,对风道进行合理的规划,选择合适的风机进行风冷散热。对电源及电路板上有电磁屏蔽需求的部分加装金属壳体进行隔离,以免造成干扰。整机结构层次如图2 所示。

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    图2 整机结构层次

骨架模型用来表达设计意图,是一个3D 的参数化布局,包含了整机主要的尺寸参数和零部件的位置及空间设计信息,一般由基准点、基准面、坐标系、曲面等组成。根据整机的结构层次规划,把各级装配中需要用到的曲面、曲线等外形信息及基准面、坐标系等位置信息作为共享数据纳入到骨架模型中。鉴于整机结构不是特别复杂,建模数据量不是太大,本例只建立整机骨架模型,所有零部件都以该骨架模型为参照。

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    图3 整机骨架模型

2.3 整机结构详细建模

    整机建模中两种方法最为常用,一是发布几何+复制几何的方法,二是合并/继承的方法。两种方法均能实现骨架模型到零部件的数据共享,但特点及应用场合略有不同。发布几何是跟复制几何配合使用的,发布几何可以将骨架模型中的几个几何特征收集起来,作为一个整体提供给目标零件进行共享。复制几何是使用在目标零件上的,可以把骨架模型中发布的几何复制到零件中来,作为建模的参照和基础。合并继承可以把骨架模型中所有的几何特征复制过来,但不能单独选择某个特征。

    本例中大部分曲面造型主要体现在前壳、后壳、把手三大模块,该三部分的外形、安装位置均由骨架模型控制,详细设计中通过合并继承把骨架模型复制过来作为设计参照及曲面采集的数据源。而其余按键、旋钮、探头接口等的详细设计中,通过复制几何从骨架模型中把各自的位置及形状特征复制出来,作为局部造型的基础。设计结果如图4所示。

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    图4 5U高、配置10.4寸方屏便携式整机

3 自顶向下设计在系列化中的应用

    产品开发中,若每种产品都单独研发,同类产品之间不统一规划、互相借鉴,不仅费时费力,设计效率低,而且类似的产品不能做成同样的风格,无法形成自己的品牌。同类产品,一般来说原理和硬件结构类似,外观风格一致。我所同类课题,往往有系列化需求,不同型号整机,除了技术指标上的不同,区别主要体现在整机结构形式、外形尺寸、屏幕大小等方面。系列化产品的开发中,可以通过修改基型产品骨架模型,实现同类产品的快速设计。

    如同图5、6 为我所在图4 整机基础上开发的两款产品,该三款产品外形相似,细节处却各有不同。图5与图4 相比选用了更大的屏幕(12.1 寸宽屏),选用了不同造型的把手。图6 机头沿用了图4 的风格,高度增加了1U,屏幕也换成了更大的12.1 寸方屏,整机形式由便携式改成了台式机。图5 整机在图4骨架模型的基础上,通过修改屏幕、按键及把手的特征信息,形成新的骨架模型,设计过程继承了大部分已有信息,大幅提高了设计效率。图6整机在图4骨架模型的基础上,通过修改前壳外形尺寸、按键及屏幕特征,形成自己的骨架模型,详细设计中,只从骨架模型中共享前壳特征,机箱外形及内部结构配合前壳外形,根据相关标准进行单独设计,形成全新的台式机产品。以上两例产品的开发中,通过采用自顶向下的设计方法,不仅最大限度实现了数据共享,形成了类似的设计风格,而且极大地提高了设计效率,缩短了开发周期,充分体现了自顶向下设计方法在系列化产品开发中的优势。

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4 结束语

    基于Creo的自顶向下设计方法已在企业得到了广泛应用,软件提供的建模工具和多种数据共享方法,能够很好的满足产品开发需求。我所相似产品之间借用、互相组装等数据共享现象很常见,系列化要求较多,通过修改骨架模型实现系列化产品设计的方法,不仅能够明显提高设计效率,而且能够保证系列产品的相同风格,对产品开发及品牌塑造有重要意义。