自顶向下设计-机械设计

一般的机械设计采用的是自下而上的方法。首先，工程人员仔细研究掌握各部件的性能和局限，在这基础上设计出由它们组成的大一点的部件，反复试验后再往上走一层，如此逐步地完成整个设计任务。 一、Top-Down设计法概述

一般的机械设计采用的是自下而上的方法。首先，工程人员仔细研究掌握各部件的性能和局限，在这基础上设计出由它们组成的大一点的部件，反复试验后再往上走一层，如此逐步地完成整个设计任务。但如果产品系统复杂程度大大增加，产品具有专业面广、设计更改频繁及各专业间关系密切等特点时，在产品设计过程中，往往存在着外形与结构、结构与系统等三维模型之间的相互影响、相互依赖。自下而上的设计方法在效率及控制设计错误时往往无法满足需要。 自顶向下设计就是从产品的顶层开始，通过在装配中建立零件来完成整个产品设计的方法。自顶向下的产品设计是从产品功能要求出发，选用一系列的零件去实现产品的功能。其设计的主要过程是：先设计出初步方案及其装配结构草图，建立约束驱动的产品模型;再通过设计计算，确定每个设计参数，进行零件的详细设计，通过几何约束求解将零件装配成产品;最后对设计方案进行分析，返回修改不满意之处，直到得到满足功能要求的产品(图1)。

图1

二、在装配体中新建零件

单击“新零件”(装配体工具栏)，或依次单击“插入”→“零部件”→“新零件”(图2)。

选取一个平面作为新零件的基准平面，即可开始在装配体中为新零件建模。可使用“编辑零部件”命令结束零件编辑状态，或新建的零件将以虚拟零部件的方式保存在装配体文件内部，如果需要将新零件保存成硬盘上的单独文件，可在FeatureManager设计树上右键点击新零件，选择保存至外部(图3)。

三、基于装配体的关联设计方式及装配关系分析 1.用装配约束建立关联设计

在装配环境中，新设计零件是直接用创建新零件命令生成的零件，之后再利用装配约束操作，建立起需要的装配关系来牵动零件的尺寸，达到符合设计需要的目标。这种方法适用于设计参数尚不太清楚，只是能够确认几何结构和装配关系的条件。例如齿轮箱壳体上的定位孔设计、大多数联轴器的设计和间支架设计等(图4)。需要注意的是：零件上准备按装配关系确定尺寸的特征，就不能施加尺寸约束。

图4

2.用布局投影建立设计关联

在装配环境特征草图中，利用已有的布局草图的轮廓，使用转换实体引用命

令，可在此基础上创建本零件的草图，进而创建其结构特征。这种方法适用于设计构思已经比较清楚，并能够确认装配关系和轮廓关系的条件。 (1)直接的装配条件。

这种装配关系所依据的参数，是在装配尚未进行之前，就已经被确定了的;而这种确定常常是基于比装配更原始的设计构思(例如，根据刚度要求而确定的一根轴的直径)。其设计参数常常是在上一级设计中产生和确认的，作为这一级设计的原始参数，而且一般不能由进行这一级设计的工程师改变。像这样参数实例还有：车床尾座中心高、齿轮的齿形参数和组合机多轴箱的轴距等。其结果应是极其稳定，思路也是十分清晰。但是不方便表达尚未确定数据的结构设计，不太适合用于新产品创成设计。

这类装配条件所形成的几何特征应该作为关联设计中的约束条件，应作为转换实体应用，使得设计意图单向传递到关联零件。而不应建立如尺寸约束类的双向关联关系，避免在设计变更时重要设计参数发生意料外的改变。

(2)间接的装配条件。这种装配关系所依据的参数，必须在装配关系确定之后，才可能被确定下来，如轴上某段的长度。这种参数的求解过程常常是在装配中，由多个零件根据装配关系形成某种尺寸链，最后在“封闭环”位置上产生和确认。作为这一个装配关系的衍生参数，一般要由设计工程师确定。这样参数实例还有：轴承安装结构、连杆中心距和壳体的最终形状等。

这类方法能表达尚未确定数据的结构设计过程，适用于新产品创成设计。 四、布局草图和结构骨架

由于自顶向下设计是从产品的顶层开始，通过在装配中建立零件来完成整个产品设计的方法。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，在设计顶层构筑布局草图，用这个布局草图来充当产品的顶层结构骨架。例如各功能模块在基座上的安装位置、大型井架的结构骨架草图等。装配体中的布局草图可以不是平面图，也可以是不只一张草图(图5)。

在产品的空间结构上，布局草图能够代表产品模型的主要空间位置和空间形状，能够反应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。因此，在建立布局草图时，更应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。

以布局草图为核心的顶层结构骨架的主要功能应该包括以下几点。 1)顶层结构骨架可以被用来管理大型的装配设计，设计者仅仅修改顶层装配基本结构骨架的几何尺寸及几何约束，来控制整个产品的设计及其更改。顶层结构骨架应包含重要的设计基准，如基座的位置、产品的外形、子装配、零件及设计参数(包括最重要尺寸所需要的空间要求)。可以在顶层对结构骨架进行设计更改，而这些更改将被会传递到其下的所有子系统中。

2)顶层结构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，构成顶层结构骨架，以体现出这种组织上的“关联性”，即当我们修改了某个零件的参数之后，另外一个以这个零件为参照的零件参数也会相应的变更。 3)有组织的装配结构骨架允许信息在不同层次间共享，如果在某一层发生改变，那么和它相关联的装配和零件都能够获得这种最新的改变。其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时，由于这种数据的共享和指代的唯一性，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，从而体现出自顶向下设计思想对并行工程的支持。

4)可以用顶层结构骨架来控制变更。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，以及相应的工装。

五、装配体中的模型结构与特征管理

在装配体中由关联设计建模而成的零件模型，产品的装配模型可以分为4个层次来表示，分别为装配体层、零件层、特征层和几何层，不同层次之间通过约束进行信息的关联(图6)。建模时一定要理清各层次之间的关系，做到心中有数。

六、设计变更与修改

进行设计变更时，一定要注意装配体与零件之间的关联关系，一般而言，在哪一级模型中添加的特征就在哪一级模型中修改。

1)如果修改某一尺寸或某一几何特征，或是其他类型的设计要素，若该设计要素是在零件中建立，那么此修改可在零件模型中完成。

2)如果设计要素是在装配体模型中基于自顶向下过程建立的，与其他的零件模型或子装配体具有关联关系，修改时应当在装配体模型中，以最大限度地避免关联性错误的产生。 七、零部件间关联性管理

在装配体中，可以在零部件中生成一个参考其他零部件几何特征的关联特征，由此关联特征对其他零部件进行外部参考。如果改变了参考零部件的几何特征，则相关的关联特征也会相应改变。可在FeatureManager设计树中右键单击特征、零部件、实体或零件，然后选择“列举外部参考引用”(图7)。

1)如在零部件上锁定外部参考引用时，现有的参考引用不再更新，并且不能向该零部件添加任何新的参考引用。

2)一旦解除锁定外部参考引用，即可添加新的参考引用或编辑现有参考引用。 3)如果断开外部参考引用时，现有的外部参考引用不再更新且无法恢复，但是可添加新参考引用到零部件中。 外部参考引用规则如下。

1)零部件不能对自身进行外部参考(循环参考)。

2)不能参考零件的一个实例，在同一零件的另一实例中生成特征，即使这两个实例位于不同的配置中。

3)对于由第一个零件派生而生成的零件，不能用来替换第一个零件。

1)如在零部件上锁定外部参考引用时，现有的参考引用不再更新，并且不能向该零部件添加任何新的参考引用。

2)一旦解除锁定外部参考引用，即可添加新的参考引用或编辑现有参考引用。 3)如果断开外部参考引用时，现有的外部参考引用不再更新且无法恢复，但是可添加新参考引用到零部件中。 外部参考引用规则如下。

1)零部件不能对自身进行外部参考(循环参考)。

2)不能参考零件的一个实例，在同一零件的另一实例中生成特征，即使这两个实例位于不同的配置中。

3)对于由第一个零件派生而生成的零件，不能用来替换第一个零件。

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