creo自顶向下设计方法 - 图文

CREO自顶向下设计方法TOP-down

一、方法介绍

设计思路：在产品开发的前期按照产品的功能要求，预先定义产品架构并考虑组件与零件、零件与零件之间的约束和定位关系，在完成方案和结构设计之后进行详细设计。其设计方法分为两种：一种是骨架Top-down设计方法；另一种是主控模型Top-down设计方法。骨架Top-down设计方法如图1所示，先在装配特征树的最上端建立顶级骨架，然后在各组件下建立次级骨架，参照次级骨架进行零部件设计。该方法可以通过控制不同层级的骨架对相应的零件进行更改，但不利于数据重用。主控模型Top-down设计方法（如图2所示）是将顶级骨架从整个装配关系中剥离出来，然后在各组件下建立次级骨架，零件设计参照次级骨架，但在数据重用时各组件互不干涉。底盘产品在开发过程中模型共享现象较多，因此，宜采用主控模型Top-down设计方法。

图2主控模型Top-down设计方法中组件1和组件2是相互独立的组件。鉴于此特点，在本次示例中采用模块化设计思路。根据模块划分的原则：模块间的依赖程度要尽量小，模块内部的关联要尽可能多；再依据底盘的功能分布，将底盘划分为5个模块（如图3）。这几个模块在底盘的位置相对固定、功能相对集中，因此，各模块可以作为一个独立的组件进行开发。采用主控模型结合模块化设计思想，底盘主控模型的结构框图如图4所示。在此框图中，顶级骨架独立于装配产品，在各模块下建立二级骨架，其必要设计信息参照顶级骨架。

Top-down的设计流程包括设计意图定义、产品结构定义、骨架模型定义、设计信息发布、部件详细设计。在底盘的开发中，首先根据底盘的基本参数建立骨架即三维总布置，其次建立分模块内部系统骨架布置方案，最后进行详细的部件设计。采用PTC公司的CREO软件和Windchill系统搭建协同设计环境，需先在Windchill系统建立各个模块的工作文件夹，然后在本地建立对应工作区并与之关联。具体的开发流程如图5所示，三维总布置包括整车主要参数的拟定、布局和骨架的建立。Windchill是全球功能最大的PLM软件，涉及图文档管理、产品结构管理、生命周期管理、工作流程管理、工程变更管理等全部产品生命周期领域。可与CREO等多种主流设计软件进行无缝集成。

二、设计原则及开发过程 2.1设计原则

2.1.1参照说明原则。对于复杂装配产品，Top-down方法的关键点是正确使用参照原则。如果前期设计参照混乱，将造成后期数据修改困难。本次开发过程遵循的参照原则：第一，对于较复杂的设计首先建立骨架，在零件设计时，其关键尺寸只参照骨架；第二，零件之间无关的配合处尽量不直接参照，以减少零件之间网状父子关系；第三，当零件之间存在参照时，其主次关系要明确，尽量不产生循环参照。

2.1.2数据重用原则。数据重用对于变型设计非常重要，同时也可避免数据库中同样零件的重复仿制而浪费空间资源。示例中为方便变型设计，主要使用两点方法：第一，骨架作为一个独立于装配树外的部件，然后各模块的设计必要信息分别参照此部件；第二，在进行产品改型时，可在基本模型的基础上进行变更。然后将需要变更的零件重新命名。 2.2 开发过程 2.2.1 布局定义

布局图是建立尺寸、参数和关系的载体。布局图通常在CAD中完成，然后导入CREO的记事本模块中建立关键参数。根据整车总布置的输入数据，如总长、总宽、总高、轴距等基本参数草绘出底盘的外廓形状。在这些基本数据的基础上，初步完善底盘的空间划定。如图6所示。

布局的体现形式主要有：利用草绘功能大致表达布置的总体信息；利用注释功能标注总体控制参数；利用关系式来建立或者控制设计参数。本例设计中主要使用草绘和注释功能。 2.2.2 装配定义

装配结构不仅列出了系统的组成元件，而且定义了系统的层次关系。在创建几何模型前定义装配结构可以把产品设计任务分配给设计小组，但是整个产品的结构随着设计进度的开展后续进行补充。

根据模块划分的原则建立的装配树如7图所示，此方案的特点是各个模块必要的设计信息均来自一级骨架，同时各个模块间相互独立，可有效地减少循环参照，方便各模块在不同车型间的借用。

2.2.3 骨架建立

骨架即产品的三维布置图，主要表达各个系统的空间需求和安装位置。建立骨架所用的一般是基准特征，比如基准点、坐标系、基准平面、草绘线。由于底盘属于复杂装配体，为了方便后期修改或者变型设计，考虑将骨架分为两级。第一级骨架包含底盘总布置信息。这些基本尺寸主要用基准平面体现；第二级骨架主要表达各模块内部分系统部件的位置信息，例如发动机的定位、车桥的定位等，主要以坐标系体现。第二级骨架的必要设计信息参照第一级骨架（见图4和图8）。上述骨架方案的优点：第一级骨架包含的仅是一些空间尺寸等基本信息，对于特定的车型，总布置确定之后，这些基本信息几乎不会变更；第二级骨架包含的是各模块内分系统的位置信息，随着设计进度的开展，分系统的位置可能会根据设计的需要做出实时调整。将二级骨架的完善和维护权限分配给各设计小组，这样二级骨架的修改比较方便。

2.2.4 信息传递

Top-down设计本质上就是数据传递和管理的过程。设计信息由上而下逐个层次传递，包括布局图到一级骨架；一级骨架到二级骨架；二级骨架到各模块内部零部件。单向传递路径可保证设计意图的一致性。布局图到一级骨架的信息通过声明记事本传递，而一级骨架到二级骨架和二级骨架和二级骨架到各模块内部零件的信息传递是通过发布几何和复制几何实现。如图9所示。

2.2.5 详细设计

详细设计即建立产品数模和工程图的过程。经过布局定义、骨架建立、装配定义、信息传递之后就是基于发布的设计信息进行详细的分模块建模。在设计过程中，各模块负责小组只需专注于本模块内部的设计。当各个模块内部设计完成以后，则底盘的总装配模型也随机自动完成。如图10所示。

CREO中TOP-DOWN设计相关工具应用概念

一、两种重要的文件类型

1. 记事本：PROE时叫“布局”，升级CREO以后名称改为“记事本”。是CREO的TOP-DOWN设计中顶层设计几何参数的重要集合与图形表示文件，其中包涵整机所有的重要的几何参数以及整机简图参数标注表示。文件后缀名为“.lay”。可以直接理解为整机参数数据包。 2.骨架：CREO三维建模中一种特殊的零件类型文件。其中包含各种重要的基准面、基准点、基准轴、基准坐标系，以及相关的面组几何信息。主要作用分为两种，其一为承载位置关系（如整机骨架），其二是承载相关系统的具体设计（如铲斗骨架，工作装置骨架，平台骨架等）。

二、五种参数传递工具

使用CREO的“缆”模块对电器系统线束进行快速的原理图驱动自动三维布线设计。包括：电器元件设计建模标准（元器件、接插件、端子、焊点等）、布线网络设计、自动布线、束设计、三维线束制造展平设计、线束展平工程图设计等； 2 基于Pro/E的自顶向下的设计过程 2.1 产品的方案设计

在产品设计初期，用简单的2D线条来描述零组件的位置和装配关系，以明确设计意图，Pro/E中提供了一个叫“布局”的模块，专门用来实现这个功能。在布局中可以定义关键的设计参数，并为这些参数建立关系，再将这些参数与零件中的参数尺寸连接(或关联)，便可利用“布局’来控制多个零件的尺寸。根据布局图，使用者可进一步进行细部的3D零件设计。

2.2 定义产品结构

定义产品结构可帮助设计人员组织规划装配设计，便于管理和分配任务到项目组成员，有利于设计者之间进行更好的沟通。Pro/E允许创建不含任何零件的子装配或不含任何几何特征的空零件，己经存在的子装配或零件也可以添加到产品结构中。 2.3 骨架模型

骨架模型作为产品装配的三维空间规划，用来帮助处理大型组件的重要工具。它可以用来分析产品的设计、规划基本的空间设计需求、决定重要的长度，也可定出产品中各零组件的位置关系，并利用骨架进行装配。除此之外，通过修改骨架模型还可以驱动零件的运动，来检测零件间是否存在干涉。 2.4 传递设计信息

顶层的设计信息，如重要的安装位置和空间位置需求等，可以通过布局中的声明将信息传递到子装配(或子骨架)和零件中。这样每个子装配都包含与该子装配的相关信息，从而使每个子装配的设计团队可以相对独立的进行设计工作。子骨架的信息也可以通过复制几何特征功能将自身的信息传递到下一级的子骨架或零件中，信息就这样一级一级的传递下去。 2.5 零件的详细设计

在后续设计中，可以直接在装配体中进行零件设计，设计时可以运用use edge或relation等方法建立与装配体的依赖关系，以确定必要的外部参考关系。也可以在组件中修改现有的零件，设计时可以利用复制、阵列进行零组件的复制，或以合并及切除来设计配合件。 2.6 设计自动化

程序设计是自动化产品设计的一项重要工具，用户可以通过编程或建立一些必要的关系式来控制零件和装配件的设计，通过程序可以控制零件特征的出现与否、尺寸的大小、装配件中零件的出现与否及零件的个数等，当零件或组件的程序设计完成后，以后在读取该零件或组件时，其各种变化情况即可利用问答的方式得到不同的几何形状，达到产品的设计要求，方便地设计一系列产品。

2.7 设计的变更

当完成零组件的设计后，Pro/E系统即可依据布局图的规划，将所有零组件自动装配在一起，而后当进行产品设计变更时，若设计变更的部位仅涉及单个零件，则可直接在3D零件上进行变更;若设计变更涉及多个零件的相对位置或整个组件的布局规划时，则可在布局上进行必要的修改。当布局变动后，则组件也会自动更新，这种由布局图驱动产品自动装配及更新的功能使产品设计者能着眼于整体产品结构的规划与更新，而不只是单一零件的设计与零件间的装配关系。 3、自顶向下设计实例

减速器是常见的变速装置，其用途十分广泛，下面结合Pro/E对钻杆动力钳装置中的减速器进行设计，表述Pro/E的自顶向下设计系统的工作流程。减速器主要由箱体、输入轴、传动轴、传动部件、拨叉及附件等子装配体组成。

首先进行布局图设计，布局中的二维结构图可以直接在Pro/E的布局模块中绘制也可以在二维软件CAD中绘制，然后导入到布局模块中。布局图中集中体现了各子装配及零部件的装配关系，如图1所示。

图1 减速器布局图

在布局中可以定义关键参数，关键参数可以作为主控参数来控制与其相关零件的尺寸，比如这里把输入轴的轴径作为关键尺寸，并用它来控制齿轮的安装孔径和轴承的内径。同

时在布局中还可以建立关系式来建立约束，比如实例中输入轴与传动轴的间距和齿轮之间存在关系zhoujian_len=m×(z1+z2)/2(zhoujian_len表示轴间距，m、z分别表示齿轮的模数与齿数)。

这里一张布局图并不能完全把整个装置的位置和装配关系完全表达清楚，这时可以再插入表达下一级子装配的布局图，如图2所示就是表达传动轴这一级子装配的布局图。

图2 子装配布局图

布局建立完毕后就开始定义产品的结构，产品的结构包含了一系列的子装配和元件，在定义设计时，许多的子装配将会被决定，包括子装配、子装配骨架、零件等。 产品定义结束后，将布局中定义的关键参数等信息声明放置到各子装配中，各子装配的团队根据传递下来的信息进行各自的设计，而各个团队之间并没有联系，这就实现了设计的并行，提高设计效率。

在进行各零件的详细设计时，利用传递下来的信息作为控制尺寸来设计具体部件，还有一些标准件可直接在标准图库中调入。齿轮是减速器中的重要零件，这里对齿轮直接进行参数化建模，并用程序加以控制，使其更改更加方便。

设计完成后利用三维模型对关键部件进行强度计算、运动仿真、动力学仿真等来检验产品的质量。如发现问题则应更改有问题的零部件，然后再进行检验直道产品合格。例如在对本例的输入轴进行强度校核时，如果发现轴的强度不够，就应该加大这根轴的直径。由于轴的直径已在布局中定义为关键参数，并通通声明将关键参数传递到各个零件中，并把它作为控制尺寸，所以与轴配合的齿轮孔径及轴承的内径都随之变化，而不需要对它们进行修改，这就减少了大量的更改时间。图3为传动轴装配图，图4为设计完成后的减速器三维模型。

图3 传动轴子装配

图4 减速器三维模型 4 结语

Pro/E是一个功能强大的参数化建模软件，利用其进行自顶向下的参数化设计可以从产品设计初期就控制产品的整体设计目标和性能状况。在设计过程中可以根据各种因素或需要对设计进行调整，从而提高设计效率，并减少因设计原因造成的更改或返工，显著减低研制成本、缩短研制周期、提高竞争力。

CREO自顶向下设计实例

目前，随着CAD/CAM/CAE一体化集成解决方案的快速发展，传统的自底向上设计方法已经不能满足人们对于产品开发效率的要求。特别是汽车设计时，大多需要在原有产品的基础上根据市场需求进行局部换型和调整、重组，适应性和灵活性较强。若运用传统的设计方法，各系统都是孤立的设计，可能导致后期总装各部件时出现严重的干涉现象。采用自顶向下的设计方法能较好地解决该问题，体现了协同设计和并行工程的优势。本文采用Top-down设计方法对赛车进行参数化设计，并在原有的骨架模型图上进行改型设计。 1、基于Creo的Top-down参数化设计

自顶向下是一种从总体设计到局部设计的过程和方法。它首先确定总体思路、设计总体布局，然后设计零部件，从而完成一个完整的设计。

为实现符合设计思路的三维设计，本文采用Creo软件，考虑了规范的模型管理，以实现模型间的信息传递和结构控制，完成自顶向下的三维设计。具体来讲就是根据概念设计布局，然后建立装配结构树，再建立总骨架模型，发布几何到子组件，最后进行详细的设计。设计流程如图1所示。

图1 Top-down设计流程

FSAE赛车为自主研发，赛车的主体结构、整车配置情况、空间布置等设计较成熟，外观如图2所示。为方便赛车的结构优化，实现快速的结构修改，本文提出自顶向下的设计方法。本研究将车架、前悬挂、后悬挂、转向系、制动系定义为一级组件。这些一级组件下面又包含各自的组成零件。具体设计流程如图3所示。

图2 自主研发的FSAE系列赛车

2、FSAE赛车Top-down参数化设计的实施方案

赛车总布置设计时首先确定原点坐标系。以横向通过前轮中心的竖直平面为X平面，以左右对称面为Y平面，以地平面为Z平面，然后确定轴距、轮距和发动机输出点。由于发动机是外购件，属于成熟体，只需要它的输出位置、安装位置以及整体的大致外观，因此采用收缩包络外部几何的方式获取，通过在发动机的输出点建立坐标系来控制发动机在整车中的布置位置，同时用该坐标系与差速器链轮进行位置匹配。另外，关系到赛车操纵稳定性能的所有参数都是本次设计的控制要点。为了方便今后在adams中对运动学分析的优化结果进行实时改进，需要在adams中仿真分析出各项的最优参数，直接赋予相应的零件模型。

图3 具体设计流程

2.1、赛车装配特征树

装配体中各个子系统及其部件之间的关系构成了装配关系树。在建立模型之前，需要先建立好整车总装配的特征树。总装配树的根节点为所要建立的整车文件，各子系统为树型结构的1级子节点，对于复杂的总成可能还有2级甚至3级子节点。父节点与子节点之间的关系由相关参数表示，这些参数包括配合参数和安装定位参数。装配特征树不仅列出了系统的组成元件，同时定义了它们的层次关系。由本文拟定的设计思路可知，整车以下包含的一级组件有车架、前后悬挂、转向系、制动系、传动系，二级组件则是各系统的零件。后悬挂子装配特征树如图4所示。另外，车轮、发动机、差速器属于成熟体，在建模完成后直接装配。完成的总装配特征树见图5。

图4 后悬挂子装配特征树

图5 总装配特征树

2.2 建立布局

在产品设计初期，使用Creo中的布局功能，用简单的2D草绘工具绘制草绘图，以此描述零件和子组件之间的位置和装配关系，明确设计的意图。整车布局如图6所示。在布局中能定义关键的设计参数，并且为这些相关参数建立关系式，然后将这些参数与零件中的尺寸相互关联，便可以利用布局控制子组件和零件的相关尺寸。

整车布局是实体模型设计意图的体现，用于建立尺寸、位置参数及其相互关系，以便对三维模型进行数据传递和数据管理。本研究将整车参数控制点体现于布局中，再将关键控制参数标注出来，每标注一处即创建一个参变量，并对其赋予初始值。根据实际需要对这些相关参数建立关系式，然后将这些参数与零件中的尺寸相互关联，从而达到利用布局控制子组件和零件的相关尺寸的目的。关键参数定义完成后将其以数据表格的形式体现出来，如表1所示。这样可以很方便地对各参数重新赋值，完成对整车的布局。

图6 整车布局

2.3 建立骨架模型

Top-down设计利用骨架模型来表示装配设计的重要元素。建立骨架模型所使用的几何特征优先顺序为点、线、面、实体。对于赛车而言，其主体结构属桁架结构，因此采用线作为骨架模型的基础特征。赛车分为如下几大部分：车架、转向系、传动系统、制动系统、悬挂系统，其中前4个部分采用一级骨架。悬挂系统由导向机构、减震组件两大部分组成，采用二级骨架。设计的整车主骨架如图7所示，主要表达的信息是前后悬挂在X方向的布置、发动机空间划定、前环和主环的位置及外形、转向器和制动踏板的位置等。

图7 整车主骨架 表1 参数表

2.4 设计信息传递

传递设计信息是为了实现数据共享。Top-down设计的过程其实就是一个数据传递和数据管理的过程。实现数据共享在Creo中有许多方法，本文主要采用发布几何和复制几何的方法。通过在上层的设计中选择复制点、曲线和面等参考基准，然后将其发布，这样下层的设计通过复制几何就能得到适当的参考信息。在整车骨架模型建立好之后，即可发布几何。在顶层骨架模型中，选择>>。发布几何如图8所示。

图8 发布几何

2.5 建立模型

各子系统建模的必要参考信息均来自于骨架，因此在建立各子系统的数据模型前需要复制骨架中的发布几何。这里运用“复制几何”命令，调入各子系统所对应的发布几何即可。然后将发布几何作为基础参考信息建立模型。图9～13为几大总成完成后的模型。最终的整车总装模型如图14所示。

图9 后悬挂总成

图10 前悬挂总成

图11 转向总成

图12 差速器总成

图13 车架

2.6 产品系列化改型设计

完成整车的设计后，Creo即可依据骨架模型的规划进行变更、改型。当设计变更涉及多个零件的相对位置或整个组件的骨架模型时，可在骨架模型上进行必要的修改。当骨架或者布局变动后，组件也会自动再生。同一系列的产品，一般只在尺寸规格上存在差异。修改布局中的主控参数，使用总骨架点与子系统骨架点的“再生”命令，将布局中的参数传递到底层数据模型中，根据变化后的骨架特征和实际需求，在骨架中修改其他细节特征，检查模型修改不合理的地方，即可完成产品的改型设计。改进后的参数如表2所示。初始整车模型与改进后的整车模型如图15、16所示。

表2 改进后的参数表

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