基于Pro/E的物料抓取機械手的自頂向下裝配設計

　　在三維設計軟件Pro/Engineer 平臺上，結合物料抓取機械手設計實(shí)例，研究了采用“運動(dòng)骨架”技術(shù)實(shí)現運動(dòng)機構自頂向下裝配設計的過(guò)程。與自底向上設計方法相比，自頂向下的設計方法著(zhù)眼于產(chǎn)品設計意圖，更容易實(shí)現對產(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)品設計中。而“運動(dòng)骨架”技術(shù)的應用使得在設計之初就能模擬研發(fā)產(chǎn)品的運動(dòng)，對研發(fā)產(chǎn)品能否滿(mǎn)足設計要求提供了更加快速與直觀(guān)地判斷依據。

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

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

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

　�、墼O計層次不清晰，設計信息無(wú)法實(shí)現從頂層到下游的傳遞、繼承和共享。

　　這些問(wèn)題在運動(dòng)機構的設計中更為突出。因為運動(dòng)機構的設計還要求實(shí)現構件之間的相對運動(dòng)，設計過(guò)程更為復雜繁瑣。為此，運動(dòng)機構的設計一般采用與自底向上相對應的另一種設計方法，叫做自頂向下的裝配設計。

1、自頂向下的裝配設計方法

　　所謂“自頂向下的裝配設計方法”就是指在應用3D 設計軟件進(jìn)行產(chǎn)品設計過(guò)程中，設計人員首先專(zhuān)注于產(chǎn)品的總體設計和功能性設計，然后進(jìn)行總體細化和功能分解，進(jìn)而完成整個(gè)產(chǎn)品設計的方法。

　　這種設計方法一般經(jīng)過(guò)概念設計、結構設計和詳細設計三個(gè)階段。概念設計階段，根據產(chǎn)品的總體設計意圖，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。結構設計階段，把確定下來(lái)的重要信息用相應的基本元素(點(diǎn)、線(xiàn)、面等)簡(jiǎn)單表示，繪制出產(chǎn)品的骨架模型。詳細設計階段，圍繞設計信息完成零部件的設計任務(wù)，在進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，零部件設計所需的信息由設計人員從骨架模型分配到各個(gè)子系統中。

　　自頂向下的裝配設計是一個(gè)從抽象到具體的漸進(jìn)過(guò)程，符合產(chǎn)品實(shí)際設計過(guò)程，而且通過(guò)搭建骨架模型增強了零部件之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現了設計信息的傳遞與共享。

2、運動(dòng)機構自頂向下的具體實(shí)現

　　運動(dòng)機構的設計不同于其他模塊設計，不僅有空間位置和裝配關(guān)系的要求，還要能夠實(shí)現所期望的特定運動(dòng)。因此，設計人員總希望在進(jìn)行零部件詳細設計之前，就能驗證當前機構是否已滿(mǎn)足運動(dòng)要求。PTC 公司在Pro/E 野火3.0 版本中專(zhuān)門(mén)做了該功能模塊的開(kāi)發(fā)，把骨架模型細分為兩種類(lèi)型，即標準骨架和運動(dòng)骨架。標準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)系的基準點(diǎn)、基準面、基準軸、曲線(xiàn)和曲面等組成。運動(dòng)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(lái)表示構件運動(dòng)特征組成元素的連接方式，使之可以模擬機構運動(dòng)。所以，從裝配的角度來(lái)看運動(dòng)骨架是一個(gè)特殊的組件，從機構的角度來(lái)看運動(dòng)骨架又是一個(gè)特殊的機構。

　　運動(dòng)骨架包含了設計骨架和主體骨架兩部分。在運動(dòng)骨架中，由控制各元件之間關(guān)系的組成元素構造的骨架稱(chēng)為設計骨架。設計骨架實(shí)質(zhì)上就是運動(dòng)骨架這個(gè)特殊組件中的標準骨架。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(dòng)骨架中，用來(lái)表示某一構件特征(包括運動(dòng)特征和形狀特征)的組成元素被定義為一個(gè)主體。當定義好一個(gè)主體的連接方式后，便創(chuàng )建了一個(gè)主體骨架。主體骨架可以作為后續零部件詳細設計的參照。

　　應用“運動(dòng)骨架”技術(shù)可以方便快速地實(shí)現運動(dòng)機構的自頂向下設計。設計過(guò)程可視具體情況略微調整，一般設計步驟如下：

　　(1)確定機構的總體布局及運動(dòng)形式;

　　(2)創(chuàng )建機構的組件文件;

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

　　(4)在運動(dòng)骨架子組件文件下創(chuàng )建設計骨架，即利用點(diǎn)、線(xiàn)、面定義產(chǎn)品框架和機構的運動(dòng)形式，設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(dòng)骨架子組件文件下創(chuàng )建主體骨架，選取設計骨架中代表構件運動(dòng)特征的組成元素為主體并定義它與其他構件的連接方式，定義完成后可查看機構運動(dòng)，檢驗是否滿(mǎn)足機構運動(dòng)要求;

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

　　(7)在組件文件下創(chuàng )建零件文件，每一個(gè)零件文件都對應一個(gè)需要設計的元件;

　　(8)參照主體骨架，在各個(gè)零件文件下進(jìn)行元件的詳細設計。

4、結語(yǔ)

　　本文基于Pro/E 平臺，以物料抓取機械手為例詳細介紹運動(dòng)機構自頂向下的設計方法。實(shí)踐證明，采用“運動(dòng)骨架”技術(shù)實(shí)現運動(dòng)機構自頂向下的設計不僅符合工程設計思維，還能在設計之初查看機構運動(dòng)是否滿(mǎn)足設計要求，避免了重復的設計修改，為設計人員節省了寶貴時(shí)間。