自顶向下设计

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1、自顶向下(Top-down )设计方法目前，很多人在利用三维软件进行机械产品设计时，首先设计好各个零部件，然后在组 件模式下将这些零部件通过匹配、对齐、插入、相切等约束进行装配。如果在装配过程中发 现干涉现象或者某些零部件根本安装不上去等等，这时需要对零部件进行重新设计与装配， 而在装配过程中存在很多父子关系，当修改完某些零件后，会发现以这些零件的点、线、面 为基准的其它零件装配不上去，缺失装配基准，这样会造成蝴蝶效应，更严重的是有时候还 必须从头开始进行装配，大大延长了设计周期，降低了设计效率。这是一种传统的自底向上 的设计方法，由于事先没有一个很好的规划，没有一个全局的考虑，修改起来特别麻

2、烦，重 复工作量大，造成人力和时间的浪费，这对产品快速推出市场有很大的影响。为了缩短设计 周期，提高设计效率，吸音板自动生产线布料机的设计采用了与之相反的一种设计方法即自 顶向下的设计方法。产品的设计尤其是新产品的开发设计是一个复杂的过程，是将产品市场需求映像成产品 功能要求、并将产品功能要求映像成几何结构的过程。要实现该过程，首先要分析产品的功 能要求，先设计出初步方案及装配结构草图，得到产品的功能概念模型，再对功能概念模型 进行分析，设计计算，确定每个设计参数，将概念模型映像成装配体模型，通过装配体模型 传递设计信息，然后各设计小组在此装配体模型的统一控制下，并行地完成各子装配体及零 部件

3、的详细设计，最后对设计产品分析，返回修改不满意之处，直至得到满足功能要求的产 品。即要经过概念设计、功能结构设计、产品详细设计及产品分析等阶段，是一自顶向下的 设计过程8，如图 3.1 所示。图 3.1 自顶向下设计流程Fig.3.1 Top-down design process从图 3.1 可以看出自顶向下设计方法强调在设计中首先从整体和全局入手，通过装配体 模型自顶向下地传递总体设计信息，然后在统一模型的约束下对各个部分进行详细设计。在 整个过程中，可随时对设计进行修改。在概念设计阶段，通过修改装配体概念模型，实现对 产品整体设计方案的修改，且这种改变会通过特征的变动和传播，实现自顶向下

4、的层层传播 和变动，从而改变装配体的整体结构形状。在详细设计阶段，通过对各零件的修改，实现装 配体局部结构形状的改变。与自底向上相比，自顶向下设计方法具有以下优点：（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）便于实现各个设计小组之间的协同，实现并行设计。在产品设计的最初阶段，即 概念设计阶段，就将产品的设计意图、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，这些重要信息也同时分配各设计小组，这样，各设计小组在此统一控制 下，才能很地的配合，并

5、行地完成各子装配体和零部件的详细设计。（3）在产品的中心层面上集中地建立重要的设计信息，设计师的思维面便于产品结构 的优化。同时把零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。（4）为实现 DFA、DFM 等提供了条件。前期阶段确定的产品系统构架自顶向下地传递总 体设计信息，在后续设计中就可根据前期阶段的设计意图、约束要求等进行可性评价。在自顶向下设计中，产品定义、形成功能概念模型、功能结构设计这三步已经在第二章 系统化设计方法求出，接下来关键是形成参数化装配体概念模型。在设计一个产品的时候，最先想到的不是单个零件的形状，而是整个产品的形状和它要 完成的功能任务

6、。伴随着设计的深入，整体的形状空间逐渐划分，同时功能也逐渐分解，直 到最后不必分解为时，再进行零件的造型设计，这种面向装配的设计方法设计出来的产品在 逻辑结构上呈现出多层次性，最后设计出来的产品装配模型的层次关系如图3.2 所示。Fig.3.2 Hierarchical relationships of assembly model为了表达装配体多层次性的特性并实现自顶向下控制，建立一反映装配结构树的主干结 构的骨架模型，它主要是由一些基准表示，如基准点、基准轴、基准曲线、基准面、坐标系等。骨架模型用来确定子装配体、零件在空间的静止位置或运动时的相对位置、它们之间的 装配约束关系及一些重要的设

7、计参数，而不涉及各零件具体的结构形状。它相当于位于装配 体顶层的控制产品整体结构及功能的概念的一“空零件”，也是装配体的一副没有肌肉的主 骨架，它由一系列基准特征组成，并包含有若干设计参数表达式，这些基准特征是以系统默 认坐标系统为参照，通过添加参数关系式等约束条件而得到的，以便利用这些基准特征来将 子装配体、零件进行空间定位，或利用基准特征来控制产品的几何结构形状。如果产品比较 复杂，各子装配体中同样与构建主骨架模型相同的方法构建各自的骨架模型，形成子骨架模 型，通过子骨架模型来确定子装配体各零件的空间位置及装配约束关系。设计完成后，通过 改变产品的主骨架模型来改变产品的总体设计方案，来实现

8、装配体整体结构的改变，通过改 变子骨架模型可以实现子装配体局部结构的改变，从而实现对产品自顶向下设计及分层组织 与管理。在建立骨架模型时首先声明各个子装配或者零件的空间位置和体积，设定全局性的关键 参数，这些参数将被装配中的子装配和零件所使用。当这些总体参数在随后的设计中逐步确 定并发生改变时，各个零件和子装配将随之改变，这样就有利于不同的设计人员共同设计， 加快了设计过程，便于变型设计9。利用骨架模型建立装配模型不仅可以支持零件的抽象描 述和设计，还有许多其它的优点：(1) 除装配体外，每一个子装配体都有一个骨架模型，用来在三维设计空间确定每一 个子装配体的空间位置和大小，部件与部件之间的关

9、系以及简单的机构运动模型，即骨架模 型可层层嵌套，从而可将复杂产品层层分解，降低建模的难度。(2) 产品骨架模型SM用来代表一个产品的结构，是用来帮助处理大型组件的重要工具。 零件可直接与骨架进行装配，而不是直接与其配合件装配。同时可利用骨架进行机械模拟与 测试，使零件设计及修改组件变得简单容易。(3) 骨架模型可用来分析产品的设计、规划基本的空间设计需求、决定重要的设计参 数，也可用来确定产品中各零件的配合位置。一旦创建好骨架模型，它也可成为产品的构架， 各零件可通过骨架来自动装配，而不是零件间的相互装配，因此可以减少装配中零件间的父 子关系，且这些方式易于在组件中替换和隐藏装配零件。(4) 骨架模型也可以控制零件的移动，用来检测零件之间的间隙及是否干涉。