在三維設(shè)計軟件Pro/Engineer 平臺上，結(jié)合物料抓取機械手設(shè)計實例，研究了采用“運動骨架”技術(shù)實現(xiàn)運動機構(gòu)自頂向下裝配設(shè)計的過程。與自底向上設(shè)計方法相比，自頂向下的設(shè)計方法著眼于產(chǎn)品設(shè)計意圖，更容易實現(xiàn)對產(chǎn)品的修改和重建，非常適用于新產(chǎn)品研發(fā)或需要頻繁修改的產(chǎn)品設(shè)計中。而“運動骨架”技術(shù)的應(yīng)用使得在設(shè)計之初就能模擬研發(fā)產(chǎn)品的運動，對研發(fā)產(chǎn)品能否滿足設(shè)計要求提供了更加快速與直觀地判斷依據(jù)。

　　傳統(tǒng)的產(chǎn)品裝配設(shè)計方法大多以組成概念模型的零件為基礎(chǔ)，先進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)建生成幾何模型，然后在零件幾何模型的基礎(chǔ)上搭建裝配模型。這種方法通常稱為自底向上的裝配設(shè)計。設(shè)計之初，設(shè)計人員只能憑借經(jīng)驗或使用一些簡單方法來判定產(chǎn)品是否滿足設(shè)計要求，待所有零部件設(shè)計完成并裝配在一起，才可以進行整機產(chǎn)品的校驗。然而，產(chǎn)品設(shè)計是一個反復(fù)修改和優(yōu)化的過程。初次設(shè)計一般達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這使得傳統(tǒng)的產(chǎn)品裝配設(shè)計方法存在以下缺陷：

　�、贌o法預(yù)知產(chǎn)品裝配性能，往往到了最終的校驗階段才能發(fā)現(xiàn)之前設(shè)計的不合理之處;

　�、诹悴考�之間缺少關(guān)聯(lián)性，因不能實現(xiàn)相關(guān)零部件的聯(lián)動修改，造成裝配模型再生失敗;

　�、墼O(shè)計層次不清晰，設(shè)計信息無法實現(xiàn)從頂層到下游的傳遞、繼承和共享。

　　這些問題在運動機構(gòu)的設(shè)計中更為突出。因為運動機構(gòu)的設(shè)計還要求實現(xiàn)構(gòu)件之間的相對運動，設(shè)計過程更為復(fù)雜繁瑣。為此，運動機構(gòu)的設(shè)計一般采用與自底向上相對應(yīng)的另一種設(shè)計方法，叫做自頂向下的裝配設(shè)計。

1、自頂向下的裝配設(shè)計方法

　　所謂“自頂向下的裝配設(shè)計方法”就是指在應(yīng)用3D 設(shè)計軟件進行產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計人員首先專注于產(chǎn)品的總體設(shè)計和功能性設(shè)計，然后進行總體細化和功能分解，進而完成整個產(chǎn)品設(shè)計的方法。

　　這種設(shè)計方法一般經(jīng)過概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和詳細設(shè)計三個階段。概念設(shè)計階段，根據(jù)產(chǎn)品的總體設(shè)計意圖，確定產(chǎn)品的主要功能、關(guān)鍵約束和裝配關(guān)系等重要信息。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，把確定下來的重要信息用相應(yīng)的基本元素(點、線、面等)簡單表示，繪制出產(chǎn)品的骨架模型。詳細設(shè)計階段，圍繞設(shè)計信息完成零部件的設(shè)計任務(wù)，在進行任務(wù)分配時，零部件設(shè)計所需的信息由設(shè)計人員從骨架模型分配到各個子系統(tǒng)中。

　　自頂向下的裝配設(shè)計是一個從抽象到具體的漸進過程，符合產(chǎn)品實際設(shè)計過程，而且通過搭建骨架模型增強了零部件之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了設(shè)計信息的傳遞與共享。

2、運動機構(gòu)自頂向下的具體實現(xiàn)

　　運動機構(gòu)的設(shè)計不同于其他模塊設(shè)計，不僅有空間位置和裝配關(guān)系的要求，還要能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的特定運動。因此，設(shè)計人員總希望在進行零部件詳細設(shè)計之前，就能驗證當(dāng)前機構(gòu)是否已滿足運動要求。PTC 公司在Pro/E 野火3.0 版本中專門做了該功能模塊的開發(fā)，把骨架模型細分為兩種類型，即標(biāo)準(zhǔn)骨架和運動骨架。標(biāo)準(zhǔn)骨架在組件中以零件的形式創(chuàng)建，由一系列控制各元件之間關(guān)系的基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、曲線和曲面等組成。運動骨架在組件中以子組件的形式創(chuàng)建，除了包括控制各元件之間關(guān)系的組成元素外，還定義了那些用來表示構(gòu)件運動特征組成元素的連接方式，使之可以模擬機構(gòu)運動。所以，從裝配的角度來看運動骨架是一個特殊的組件，從機構(gòu)的角度來看運動骨架又是一個特殊的機構(gòu)。

　　運動骨架包含了設(shè)計骨架和主體骨架兩部分。在運動骨架中，由控制各元件之間關(guān)系的組成元素構(gòu)造的骨架稱為設(shè)計骨架。設(shè)計骨架實質(zhì)上就是運動骨架這個特殊組件中的標(biāo)準(zhǔn)骨架。它的作用主要是勾勒產(chǎn)品的大致形狀，確定各零部件的空間位置和裝配關(guān)系。運動骨架中，用來表示某一構(gòu)件特征(包括運動特征和形狀特征)的組成元素被定義為一個主體。當(dāng)定義好一個主體的連接方式后，便創(chuàng)建了一個主體骨架。主體骨架可以作為后續(xù)零部件詳細設(shè)計的參照。

　　應(yīng)用“運動骨架”技術(shù)可以方便快速地實現(xiàn)運動機構(gòu)的自頂向下設(shè)計。設(shè)計過程可視具體情況略微調(diào)整，一般設(shè)計步驟如下：

　　(1)確定機構(gòu)的總體布局及運動形式;

　　(2)創(chuàng)建機構(gòu)的組件文件;

　　(3)在組件文件下創(chuàng)建機構(gòu)的運動骨架子組件文件;

　　(4)在運動骨架子組件文件下創(chuàng)建設(shè)計骨架，即利用點、線、面定義產(chǎn)品框架和機構(gòu)的運動形式，設(shè)計骨架中還可以靈活地加入各元件形狀特征中重要的尺寸信息;

　　(5)在運動骨架子組件文件下創(chuàng)建主體骨架，選取設(shè)計骨架中代表構(gòu)件運動特征的組成元素為主體并定義它與其他構(gòu)件的連接方式，定義完成后可查看機構(gòu)運動，檢驗是否滿足機構(gòu)運動要求;

　　(6)編輯修改主體骨架，在每一個主體中添加代表構(gòu)件形狀特征的組成元素，完成運動骨架模型的設(shè)計;

　　(7)在組件文件下創(chuàng)建零件文件，每一個零件文件都對應(yīng)一個需要設(shè)計的元件;

　　(8)參照主體骨架，在各個零件文件下進行元件的詳細設(shè)計。

4、結(jié)語

　　本文基于Pro/E 平臺，以物料抓取機械手為例詳細介紹運動機構(gòu)自頂向下的設(shè)計方法。實踐證明，采用“運動骨架”技術(shù)實現(xiàn)運動機構(gòu)自頂向下的設(shè)計不僅符合工程設(shè)計思維，還能在設(shè)計之初查看機構(gòu)運動是否滿足設(shè)計要求，避免了重復(fù)的設(shè)計修改，為設(shè)計人員節(jié)省了寶貴時間。