繆小冬 劉 兵 王大林 張建斌

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

在短期內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足客戶個(gè)性化要求、質(zhì)量可靠和性能優(yōu)良的產(chǎn)品，是企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位的關(guān)鍵?？焖僭O(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前市場(chǎng)在產(chǎn)品多樣化、系列化、需求多變的形勢(shì)下提出并發(fā)展起來的?？焖僭O(shè)計(jì)，又稱快速響應(yīng)設(shè)計(jì)，是一種以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量為目的的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［1］。

電子設(shè)備是將各種電子元器件、組件、模塊和機(jī)械零部件合理組裝成有機(jī)整體，使其免受各種復(fù)雜環(huán)境影響和干擾，確保電氣性能正常。因此，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是研制電子設(shè)備的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它對(duì)保證電子設(shè)備的及時(shí)交付、安全和穩(wěn)定起著重要的作用。

本文以某箭載電子設(shè)備為例，研究快速設(shè)計(jì)方法在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，這對(duì)推動(dòng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展，提高電子設(shè)備適應(yīng)性，縮短研發(fā)周期和減輕設(shè)計(jì)人員負(fù)擔(dān)等方面具有重要意義和應(yīng)用前景。

1 電子設(shè)備傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)

某箭載插板式電子設(shè)備如圖1 所示，主要由機(jī)箱、印制板模塊、蓋板和減振支腳組成。基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，機(jī)箱中的每塊印制板模塊具有獨(dú)立的電氣功能，外形尺寸統(tǒng)一。印制板模塊沿機(jī)箱插槽對(duì)接到位后，通過楔形鎖緊裝置固定在機(jī)箱插槽中。維護(hù)時(shí)，可在現(xiàn)場(chǎng)將印制板模塊取出，換上另一標(biāo)準(zhǔn)模塊，系統(tǒng)可立即恢復(fù)工作。印制板模塊外形尺寸、印制板模塊數(shù)量和印制板模塊間距是該設(shè)備成型必備的3個(gè)輸入條件。

雖然該設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了模塊化，便于維護(hù)，但在設(shè)計(jì)過程中尤其是方案設(shè)計(jì)階段也暴露出以下一些不足:1)當(dāng)印制板模塊外形尺寸、模塊數(shù)量和模塊間距中的任意一個(gè)輸入條件更改時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就需要在三維建模軟件中對(duì)模型一步一步手動(dòng)更改、調(diào)整，直到得到符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品為止。如果輸入條件多次更改，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就要多次重復(fù)勞動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低;2)基于三維建模軟件有嚴(yán)格建模的層次關(guān)系，如果對(duì)模型更改不恰當(dāng)，軟件就會(huì)報(bào)錯(cuò)。這對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說，首要工作就是熟練軟件操作和理解模型的建模關(guān)系。有時(shí)改的會(huì)顧此失彼，導(dǎo)致生產(chǎn)中暴露出設(shè)計(jì)缺陷，一些零部件報(bào)廢;3)該設(shè)備整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度偏低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員接到該類型設(shè)備的設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，都會(huì)按照自己的習(xí)慣重新建模設(shè)計(jì)、出圖。

這些不足也是目前電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的共性問題，其使得重復(fù)性工作量大，效率低，設(shè)計(jì)質(zhì)量得不到保證，模型設(shè)計(jì)、修改占了整個(gè)設(shè)計(jì)工作的大部分時(shí)間，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新時(shí)間不足。

2 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

在眾多的三維建模軟件中，Pro/E 是應(yīng)用較廣泛的軟件之一，該軟件重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，即用戶可以運(yùn)用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式，建立各尺寸參數(shù)間的關(guān)系式，使模型自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的外形。當(dāng)某一設(shè)計(jì)參數(shù)改變后，相應(yīng)的三維模型、二維工程圖等都會(huì)隨之而變，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)［2］。參數(shù)化設(shè)計(jì)能方便地修改圖形，并能將以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)繼承下來，設(shè)計(jì)者可以把時(shí)間、精力集中于更具有創(chuàng)造性的概念和整體設(shè)計(jì)中，提高設(shè)計(jì)的精度和效率。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的有效手段之一。

圖1 插板式電子設(shè)備

Pro/E 主要有2 種途徑實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì):

1)基于Pro/E 二次開發(fā)工具的參數(shù)化設(shè)計(jì)，如Pro/Toolkit 等。

二次開發(fā)工具Pro/Toolkit 將繁瑣的建模過程轉(zhuǎn)化為幾個(gè)變量的輸入，快速生成新的實(shí)體模型。但是它們只能編制出參數(shù)輸入對(duì)話框，其開發(fā)交互界面的功能很弱，往往要借助第三方開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)，并且要求有較高的編程能力，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說，既難懂又比較費(fèi)時(shí)間。

2)基于Pro/E 布局文件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

Pro/E 布局(Layout)文件，是一種在“布局”模式下創(chuàng)建的以概念方式記錄和注釋零件和組件的二維草繪，含有用于建立尺寸和位置的參數(shù)和關(guān)系。它不是精確比例的繪圖，而且與實(shí)際的三維模型幾何不相關(guān)。因此，布局文件的核心功能是創(chuàng)建統(tǒng)一的尺寸變量表，然后在零件和組件環(huán)境中引用布局文件變量表中的尺寸變量，來定義其各個(gè)特征的尺寸大小和位置等。因此，基于布局尺寸變量控制零件和組件的生成，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

本文研究的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)技術(shù)，采用了基于Pro/E 布局文件控制的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，即將建好的三維模型樣板和工程圖樣板引用布局文件，通過更改布局文件尺寸變量表中的變量，更新再生出產(chǎn)品新的三維模型和工程圖，如圖2 所示。

圖2 布局文件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)過程

3 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

3.1 建立布局文件

根據(jù)上文箭載電子設(shè)備的構(gòu)成，可見此類電子設(shè)備設(shè)計(jì)由印制板模塊設(shè)計(jì)、機(jī)箱設(shè)計(jì)和配套零件設(shè)計(jì)組成，設(shè)計(jì)流程見圖3。首先進(jìn)行印制板模塊設(shè)計(jì)，然后根據(jù)機(jī)箱內(nèi)印制板模塊的數(shù)量和位置，進(jìn)行機(jī)箱設(shè)計(jì)。機(jī)箱設(shè)計(jì)主要分為機(jī)箱外形設(shè)計(jì)和機(jī)箱內(nèi)部設(shè)計(jì)2 部分。待機(jī)箱設(shè)計(jì)完成后，可對(duì)其配套零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如減振支架、阻尼圈、機(jī)箱蓋板和密封圈。

圖3 箭載電子設(shè)備設(shè)計(jì)流程

因此，布局文件中分成印制板模塊設(shè)計(jì)區(qū)、機(jī)箱外形設(shè)計(jì)區(qū)、機(jī)箱內(nèi)部設(shè)計(jì)區(qū)和配套零件設(shè)計(jì)區(qū)，見圖4 所示。利用尺寸標(biāo)注工具對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行尺寸標(biāo)注，所標(biāo)注尺寸即為尺寸變量，并通過建立變量表將所有尺寸變量清晰地羅列出來。在變量表中，可直接修改變量對(duì)應(yīng)的數(shù)值。所有尺寸變量的意義也在布局文件中進(jìn)行了表述，便于使用者直接查閱。

3.2 創(chuàng)建三維模型和二維工程圖樣板

以Pro/E 為開發(fā)平臺(tái)，創(chuàng)建電子設(shè)備中各個(gè)零部件及整機(jī)裝配件的三維模型樣板，并根據(jù)三維模型樣板生成二維工程圖樣板，如圖5 所示。由所有零部件構(gòu)成的電子設(shè)備整機(jī)裝配的三維模型樣板，如圖6 所示。

圖4 電子設(shè)備的部分布局文件

圖5 電子設(shè)備機(jī)箱的三維模型樣板

圖6 電子設(shè)備整機(jī)的三維模型樣板

3.3 創(chuàng)建模型樣板與布局文件的關(guān)聯(lián)性

在三維模型和二維工程圖樣板文件創(chuàng)建后，需要將它們與布局文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

1)建立參數(shù)傳遞關(guān)系

在Pro/E 的三維模型樣板中，先從菜單管理器的“文件(F)”選擇“聲明布局”的操作項(xiàng)，然后從彈出的列表中選擇3.1 中所建的布局文件。

通過此操作，建立了三維模型樣板與布局文件間的參數(shù)傳遞關(guān)系。

2)建立尺寸關(guān)聯(lián)

聲明完布局文件后，可在菜單管理器“工具(T)”的“關(guān)系”界面中，直接將布局文件中的尺寸變量賦值給模型的尺寸參數(shù)。賦值語句示例如下:

/* 定義印制板AP1 長(zhǎng)度D19

D19 =長(zhǎng)_AP1

其中，D19 表示印制板AP1 三維模型中的長(zhǎng)度參數(shù);長(zhǎng)_AP1 為布局文件中印制板AP1 長(zhǎng)度的尺寸變量。

3.4 完成模型樣板的參數(shù)化詳細(xì)設(shè)計(jì)

對(duì)模型樣板進(jìn)行參數(shù)化詳細(xì)設(shè)計(jì)，可結(jié)合上文中的布局文件，通過Pro/Program 開發(fā)語言編程實(shí)現(xiàn)。Pro/Program 是Pro/E 中產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)輔助工具，用戶可以通過非常簡(jiǎn)單的程序語言來控制特征的出現(xiàn)、尺寸大小和組件的出現(xiàn)及位置等。

鑒于篇幅所限，下面僅列出了程序中的小部分內(nèi)容作為示例。以下的程序主要說明的是整機(jī)三維模型樣板中，印制板AP2 位置確定方法與印制板AP2 作為組件是否出現(xiàn)的方法。

VERSION 5.0

REVNUM 791

組件ZHENGJI 的列表

……

RELATIONS

……

/* 定義印制板AP2 的位置

D12 =前邊距+間距1_2

D6 =AP2_上邊距

……

END RELATIONS

……

/* 定義印制板AP2 板作為組件是否出現(xiàn)在整機(jī)中

程序中的長(zhǎng)_AP2、寬_AP2 和厚_AP2 為布局文件中印制板AP2 長(zhǎng)度、寬度與厚度的尺寸變量。

完成模型樣板的參數(shù)化詳細(xì)設(shè)計(jì)后，就實(shí)現(xiàn)了基于Pro/E 布局文件控制的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.5 應(yīng)用實(shí)例

以往在任務(wù)需求確定后，一個(gè)完整的插板式電子設(shè)備三維模型建模工作所花時(shí)間大概為3周。而使用該技術(shù)后，設(shè)計(jì)師根據(jù)任務(wù)需求，直接修改布局文件中的尺寸變量，即可快速生成所需要的設(shè)備整機(jī)模型，不需要再重復(fù)建模，一個(gè)完整詳細(xì)的單機(jī)模型建模工作所花時(shí)間最多只要3d，可以節(jié)約85%的設(shè)計(jì)時(shí)間，有效保證了對(duì)客戶需求的快速響應(yīng)。

圖6 為電子設(shè)備整機(jī)的三維模型樣板，內(nèi)部包含了12個(gè)印制板模塊。當(dāng)任務(wù)需求中只有6個(gè)印制板模塊時(shí)，設(shè)計(jì)師在布局文件中只需將布局文件中關(guān)于印制板AP7 ～AP12 的任一變量(長(zhǎng)、寬與厚度)賦值為0，整機(jī)模型中可快速去除印制板AP7 ～AP12 以及與其有關(guān)的特征，生成所需的整機(jī)模型，如圖7 所示。

圖7 快速更新后的整機(jī)三維模型

4 結(jié)語

基于Pro/E 布局控制的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)技術(shù)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)快速、可靠，減少重復(fù)建模時(shí)間，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。促進(jìn)了電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。該技術(shù)相對(duì)比較簡(jiǎn)易，界面友好，操作簡(jiǎn)單，更容易被設(shè)計(jì)人員接受，實(shí)用性更強(qiáng)。

［1］宗馳. 復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品快速響應(yīng)設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2010. (Zong Chi. Research on Rapid Responsible Integrated System of Complex Mechanical Product ［D］. Wuhan:Wuhan University，2010.)

［2］孫明. 基于Pro/E 布局控制的橡膠模參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.模具制造，2013，(8):66-69. (Sun Ming. Parametric Design of Rubber Mold Based on the Control of Pro/E Layout File［J］. Die ＆ Mould Manufacture，2013，(8):66-69.)

［3］陳世榮.基于Pro/Program 的電源機(jī)箱參數(shù)化快速設(shè)計(jì)［J］. 電子機(jī)械工程，2010，26(5):61-64. (Chen Shirong. Rapid Design of Parameterized Powerbox Based on Pro/Program ［J］. Electro-Mechanical Engineering，2010，26(5):10-15.)

［4］曾巍.電子設(shè)備整機(jī)參數(shù)化方法和快速建模技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2012. (Zeng Wei.Research on Whole Product Parameter Method and Rapid Modeling Technique of Electronic Equipments［D］.Xian:Xidian University，2012.)