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1、自顶向下设计方法一、自顶向下设计方法简介 1.自顶向下设计的概念 （1）自顶向下设计是首先从产品的顶层开始来考虑 产品的总体设计和功能性设计，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 （2）按自顶向下的方法设计时,设计师首先对所设 计的系统要有一个全面的理解.然后从顶层开始,连续 地逐层向下分解,起到系统的所有模块都小到便于掌 握为止. （3）意义：将复杂的大问题分解为相对简单的小问 题，找出每个问题的关键及重点所在，然后用精确 的思维定性、定量地去描述问题。其核心本质是“分 解“。 （4）对比： 自顶向下设计法从装配体中开始设计工作， 通过使
2、用一个零件的几何体来帮助定义另一个 零件，或生成组装零件后才添加的加工特征。自下而上设计法是比较传统的方法。在自 下而上设计中，先生成零件并将之插入装配体 ，然后根据设计要求配合零件。2.自顶向下设计的工作流程3.自顶向下设计过程的三维模型机构自顶向下设计过程的三维模型分为六层： 功能 层、 概念设计层、 装配层、 零件层、 特征层和B- rep （Boundary representation）层。功能层概念设计层装配层零件层特征层B-rep层进行产品功能规格的管理进行抽象结构布局和抽象结构表达进行零件和装配约束关系的配置管理进行特征管理和零件属性的管理对模型形状特征和工程特征信息进行表达进
3、行三维模型几何信息的表达4.自顶向下设计的特点(1)在产品设计的中心层面上集中地建立重要的设计信息，拓 展设计师的思维面，便于产品结构的优化。(2)把部件当成产品系统的零件来考虑，便于全新产品的开发 和开展标准化模块设计工作。(3)捕捉设计意图，建立设计约束，在产品系统构架上自顶向 下地传递总体设计信息，方便进行后续零部件的详细设计 和整机模型的参数化驱动修改。5.自顶向下设计过程的优点: （1）符合产品设计过程和设计人员的思维过程。设 计产品时，最初考虑的是产品应实现的功能，最 后才考虑实现这些功能的几何结构，所以产品的 设计过程是一个从抽象到具体的渐进过程。 （2）便于实现多个子系统的协同
4、，实现并行设计。 在产品设计的最初阶段，即概念设计阶段，就将 产品的主要功能、关键约束、配合关系等重要信 息确定下来，在进行任务分配时，这些关键约束 也同时分配给各子系统，这样，各子系统才能很 好地配合，避免发生冲突。 （3）为DFx(DFA,DFM)等提供了条件。能将前期阶 段的关键约束传递到后续设计阶段，在后续设计 中就可根据前期设计的约束要求进行可行性评 价。从而实现面向装配的设计(DFA)和面向制造的 设计(DFM)。6.自顶向下设计方法存在的主要问题2012/4/188(5)缺乏一个将CAD ,CAPP ,CAM 有效地集成起来,进 行并行设计的系统框架(2)前缺少一个实现概念设计阶
5、段的功能模型到参数 化 设计阶段的结构模型的转化的有效方法(3)前缺少一个在对零件尺寸、位置进行调整时,保持 装配模型中的工程约束和尺寸约束的有效方法。(4)当前的装配顺序规划方法都很难达到高效、快速的 要求(1)缺少一个支持产品自顶向下设计的CAD系统7.自顶向下设计方法的发展方向2012/4/189（1）研究产品装配模型的表达方法，建立具有从概念 模型到参数化模型再到详细模型演化能力，支持产品 Top-Down设计，能在并行设计中使CAD,CAPP,CAM 进行信息交换的装配模型。（2）分析产品概念模型中的语义信息与参数化模型中 的结构信息间的对应关系，找出一种实现概念模型到参 数化模型演
6、化的有效推理方法，实现功能到结构的转 换。（3）分析零件的结构与装配特点，建立产品零件装配 特征分类编码表，并找出多个特征同时参与匹配时，求 解产品零件装配位置的解析方法。2012/4/1810（4）分析工程约束、尺寸约束在参数化结构模型转化 到详细模型过程中的作用，建立工程约束转化成尺寸 约束的方法，以及在模型修改、优化时保持参数化装 配模型尺寸一致性的方法，为参数化装配模型到详细 模型的演化提供约束保证。（5）研究模型中零件的力传递和位置，限定功能在装 配顺序规划中的作用，建立一个基于零件功能的装配 顺序规划方法，并与己有的装配规划方法相结合，以 达到较好的效果。自顶向下的设计方法能有效的
7、把握产品的设计意图。利用 布局草图描绘产品的功能结构和雏形轮廓，三维骨架模型体 现装配模型的层次关系、装配关系。同时于在各个子装配体 之间迅速可靠的传递设计信息，达到信息共享的目的。参数 化设计方法中的参数关系式不仅体现了设计参数之间的约束 和依存关系，还体现了设计人员的设计意图，并大大提高了 模型的生成和修改的速度。把这两种方法有效的结合起来， 可简化产品的设计过程，最大限度地发挥设计人员的设计潜 力，提高产品的设计准确性，有利于产品的创新设计、优化 设计，还有利于实施并行设计和协同设计，提高设计的效率 和质量。2012/4/1811二、自顶向下设计方法的实际应用：轴承 专用数控车床三维数字
8、化设计在轴承行业中,为了提高加工精度和效率，用数控车加工轴承已是一种趋势。由于轴承材料的特殊性，要求数控车床必须具备整体结构刚性好、主轴具备低速大转矩等特性，同时还要求机床要有很好的经济性。而这些特征往往是通用数控机床所不能完会满足的。对于车削外径在200300 mm的中、大型轴承套圈，由于受卧式数控车床本身结构局限性的限制，在机床回转半径、结构刚性及装夹精度等方面已很难满足要求，需要采用特殊的倒立式结构来解决上述问题。1.机床总体机构布置机床主要由床身与立柱两大结构件组成，采用刀架固定、 主轴移动的结构配置方式。考虑被加工工件的尺寸及工艺要求，确定了如表所示的机 床主要设计参数。这些参数将成
9、为后续机床设计的主要依据。最大工件回转直径600mm最大车削直径400mm最大加T高度250mmX轴行程300mm(工作行程)+700mm(搬运行程 )Z轴行程400mm刀盘尺寸10英寸根据机床总体结构方案，将机床的概念化模型分为四个相对独立的子系统： (1) 床身子系统，包括床身、刀架盘及x轴传动系统 (2) 立柱子系统，包括立柱、主轴及z轴传动系统等 (3) x、z轴运动防护子系统，包括x及z轴防护中涉及的所有结构件及钣金件的设计 (4) 外防护子系统，包括电气控制柜、机床外罩壳等部分的钣金设计。对应于四个设计子系统，在pro/E下建立四个子装配文件，如图所示：2.总体布局设计2.总体布局
10、设计并行设计成败的关键是各子系统间的有效协调，而这必须基于整个设计的总体规划。布 局(Layout)设计是Pro/Engineer中完成设计总体规划的有效手段，通过定义布局图、设定一 系列设计参数并定义关系式等手段来完成整个设计的总体规划。确定机床的设计参数及尺寸 参数并通过布局图进行描述，是布局设计的关键。尺寸参数主要包括机床各结构件的主要尺 寸、配合尺寸及运动部件的运动范围等，这些尺寸可根据上述确定的机床主要设计参数通过 建立关系式的方式来确定。如果与设计参数没有直接的关联，则可先定一个初值，再在后续 的设计中最终确定。3.骨架模型的建立由于床身与立柱之间存在运动关系，且建立整体骨架在几何
11、上太 复杂，不便于后续的使用与管理，故采取在床身BASE_ASM与立柱 COLUMN_ASM子装配中分别构建骨架模型的方法来解决。而X、Z 轴运动防护和外防护需要基于床身与立柱的骨架来构建，故无需单独 建立骨架模型，只需通过与床身、立柱的骨架模型建立必要的关联来 实现。下图即为机床床身的骨架模型：3.骨架模型的建立首先，在整体装配模型中激活床身子装配，利用创建元件功能并选择骨架模型类型建立床身的骨架模型文件(该操作必须在子装配中还没有建立任何元件的前提下进行)。然后打开该骨架模型，先建立三个基准面，并用草绘曲线功能绘制出床身的主要轮廓。骨架的轮廓创建完成后，再使用填充功能做出轮廓面，形成的床身
12、骨架模型如前图所示。由于实体特征会影响到组合件的质量特性，在骨架模型中均不出现实体特征。同时，为了便于后续对骨架模型中各类几何图形的操作，可利用图层功能对骨架模型中的不同类图形(如:轮廓线、基准面、填充面等)进行分层管理。最后，通过声明功能，将床身骨架模型与之前的整体布局文件相关联，这样布局中的参数就会自动传递到骨架模型中。再利用关系式定义将传递过来的参数与骨架模型中的尺寸变量进行关联，完成布局与骨架模型的相关。4.骨架模型数据的传递骨架模型数据向其它相关模型传递数据时，还需通过要发布几何 与复制几何功能的应用来实现。再以床身子系统的骨架模型向床身零 件传递数据为例，首先选择必要的曲线及杂项(
13、基准面、轴等)作为参 照，建立如下图所示的床身发布几何。再进入床身零件，使用插入复 制几何功能，选择复制类型为发布几何，选取骨架模型上所对应的发 布几何后完成复制几何的定义。各设计子系统的详细设计就是其中子装配结构的确定及下属各个零件的详 细结构设计。此时，可将各设计子系统对应的子装配文件分发给设计团队中的各 成员进行并行设计。还是以床身子系统为例，以复制几何为基础，通过一系列结 构特征的定义来完成。 在构建特征时，在骨架中已确定的结构尺寸必须与骨架模型相关联。其关键 是在定义特征时，必须通过复制模型边界、参考骨架几何中的点、线面等手段来 定义。 在特征设计过程时，必须遵循先整体后局部的原则。
14、先定义具有整体性的特 征，然后再定义各局部的细节特征，以方便后续的修改与设计变更。同时，相关 或相同的特征尽量通过复制、镜像和阵列的方法来定义，以提高设计效率，同时 也提高了模型的可修改性。5.各设计子系统的详细设计6.完成总体设计由于在产品的总体没计阶段已完成了机床的总体装配模型，待各设计团队完成设计后将对应的子装配模型文件汇总到总体装配模型中后，总体装配模型就会自动更新为最新的设计。最终完成的倒立式数控车床数字化模型如下图所示：7.从实例中看自顶向下设计的优点(1)设计首先从整体布局开始，而不是直接从某个零部件设计开始；(2)零部件间的装配关系由布局控制的骨架模型确定，而不是由零部件间的装配约束关系来确定；(3)总体概念设计完成后可组织团队进行并行设计，如机床的外防护钣金件设计，就不必等机床主体部分设计完成后才能开始；(4)对主要设计参数的修改可在布局中修改即可，而无需寻找是哪个零件中的哪个特征尺寸会影响该参数，更无需担心修改后零部件间是否会出现尺寸和位置不匹配。谢谢 ！2012/4/1822
