本文介紹了借由solidworks參數化技術的自頂向下設計方法。

　　傳統的CAD技術對設計過程的支持建立在幾何建模的基礎之上，各種設計活動和制造活動信息的共享和交換基于幾何模型。人們利用其進行計算機輔助設計時大都采用自下而上的設計方法，依靠其零件實體造型功能先設計零件，然后將零件組裝成產品。隨著計算機技術的飛速發展，基于微機平臺的三維CAD軟件不斷被推出，在微型計算機已經完全實現參數化建模技術。正是有了參數化建模技術，才有了真正意義上的自頂向下的設計。這種設計增加了零件之間的關聯性，設計層次清楚，實現了設計一信息的傳遞、共享、繼承，特別適用于并行工程和協同設計。采用這種方法也極大地提高了企業對市場變化的反應速度。

　　1參數化技術和自頂向下設計

　　自頂向下設計就是從產品的頂層開始，通過在裝配中建立零件來完成整個產品設計的方法。自頂向下的產品設計是從產品功能要求出發，選用一系列的零件去實現產品的功能。其設計的主要過程是:先設計出初步方案及其裝配結構草圖，建立約束驅動的產品模型;再通過設計計算，確定每個設計參數，進行零件的詳細設計，通過幾何約束求解將零件裝配成產品;最后對設計方案進行分析，返回修改不滿意之處，直到得到滿足功能要求的產品。設計過程如圖1所示。

　　自頂向下的產品設計最初考慮的是產品應實現的功能，最后才考慮實現這些功能的幾何結構，它符合產品設計過程和設計人員的思維過程，而且它在產品設計的最初階段就將產品的主要功能、關鍵約束、配合關系等重要信息確定下來，同時分配給各子系統，這樣各子系統才能很好地配合，避免發生沖突，便于實現多個子系統的協同，實現并行設計。這種設計過程能充分利用計算機的優良性能，最大限度地發揮設計人員的設計潛力，最大限度地減少設計實施階段不必要的重復工作，使企業的人力、物力等資源得到充分的利用，大大地提高了設計效率，減少了新產品的設計、研究時間。

　　在CAD中，參數化技術是采用參數預定義的方法建立圖形的集合約束集，指定一組尺寸作為參數使其與幾何約束集相關聯，并將所有的關聯式融人到應用程序中，然后通過對話框以人機交互方式修改參數尺寸，最終由程序根據這些參數及其變化順序地執行表達式來實現設計的方法。參數化設計過程中，參數與設計對象的控制尺寸有明顯的對應關系，通過參數化尺寸驅動完成對設計結果的修改。參數化設計不同于傳統的設計，它儲存了設計的整個過程，能設計出一族而非單一的在形狀和功能上具有相似性的產品模型。正是有了這種參數化建模技術，才使得數據的改變在不同層次(如:不同的子裝配系統和不同的零件)之間的傳遞變得惟一和即時。這樣，才有了真正意義卜的自頂向下設計，及以這種設計為基礎的并行設計，后者是團隊設計的基礎。

　　2以"布局草圖為核心"的自頂向下設計

　　由于自頂向下設計是從產品的頂層開始，通過在裝配中建立零件來完成整個產品設計的方法，為此，我們在產品設計的最初階段，按照該產品的最基本的功能和要求，在設計頂層構筑布局草圖，用這個布局草圖來充當產品的頂層骨架。隨后的設計過程基本上都是在這I、基本骨架的基礎上進行復制、修改、細化和完善，最終完成整個設計的過程〕。

　　從產品的空間結構上來看，布局草圖能夠代表產品模型的主要空間位置和空間形狀，能夠反應構成產品的各個子模塊之間的拓撲關系，以及其主要運動功能;從其自身的不斷發展以及它與后續設計的繼承和相關關系上來看，它是整個產品自頂向下設計展開過程中的核心，是各個子裝配之間相互聯系的中間橋梁和紐帶。因此，在建立布局草圖時，更注重在最初的產品總體布局中捕獲和抽取各子裝配和零件間的相互關聯性和依賴性。這就是布局草圖的真正內涵。

　　傳統的裝配是零件之間的互相貼合、定位或者對齊。但是，在自頂向下設計中的裝配卻是子裝配及零件都裝配在同一基準即布局草圖(它包括基準點、線、面;空間的點、線、面或者是產品的點、輪廓線、輪廓面等)上，最后用這個可以不斷變更、發展的頂層基本骨架來控制整個產品的設計。以布局草圖為核心的頂層基本骨架的主要功能包括以下幾點。

　　a.管理。頂層基本骨架可以被用來管理大型的裝配設計，允許設計者僅僅調出頂層裝配的基本骨架到內存中，來控制整個產品的設計及其更改。頂層基本骨架包含了重要的設計基準，如:基座的位置，產品的外形，子裝配，零件及設計參數(如:最重要的尺寸所需要的空間要求)。可以在頂層對基本骨架進行更改，而這些更改將被會傳遞到其下的所有子系統中。

　　b.組織。頂層基本骨架可以增強零件在裝配中的相互關聯和依賴性。這些存在于實際裝配之中的相互關聯和依賴關系可以很好地在最初的總體布局中被捕獲并抽取出來，構成頂層基本骨架，為子裝配和零件所享用，在稍后舉出的設計實例中，將體現出這種組織上的"關聯性"，即當我們修改了某個零件的參數之后，另外的一個以這個零件為參照的零件的參數也會相應的變更。

　　c.共享數據。一個有組織的裝配骨架允許信息在不同層次間共享，如果在某一層發生改變，那么和它相關聯的裝配和零件都能夠獲得這種最新的改變。這種好處是使得團隊合作成為可能，在這個團隊中有不同的子團體和個體，他們分別在進行不同的子裝配和零件設計時，由于這種數據的共享和在內存中存在的惟一性，使得一個復雜的裝配設計在早期就可以分解成不同的、簡單的子裝配和零件，進而分配給不同的子團體和個人，從而體現出自頂向下設計思想對并行工程的支持。

　　d.變更的傳遞。可以用頂層基本骨架來控制變更。產品的變更結果是在零件中產生而在產品的頂層實施。具體方法是:在裝配的頂層通過對捕捉到的設計意圖進行更改，再通過參數設計的關聯性將這種變更傳遞給下一級子裝配或零件以及相應的模具。

　　3布局草圖的建立及其功能

　　a.確定設計意圖。所有的產品設計都有一個設計意圖，不管它是創新設計還是改良設計。總設計師最初的想法、草圖、計劃、規格及說明都可以用來構成產品的設計意圖。它可以幫助每個設計者更好地理解產品的規劃和零件的細節設計。

　　b.定義初步的產品結構。產品結構包含了一系列的零件，以及它們所繼承的設計意圖。產品結構可以這樣構成:在它里面的子裝配和零件都可以只包含一些從頂層繼承的基準和骨架或者復制的幾何參考，而不包括任何本身的幾何形狀或具體的零件;還可以把子裝配和零件在沒有任何裝配約束的情況下加人裝配之中。這樣做的好處是，這些子裝配和零件在設計的初期是不確定也不具體的，但是仍然可以在產品規劃設計時把它們加人裝配中，從而可以為并行設計作準備。

　　c.在整個裝配骨架中傳遞設計意圖。重要零件的空間位置和尺寸要求都可以作為基本信息，放在頂層基本骨架中，然后傳遞給各個子系統，每個子系統就從頂層裝配中獲得了所需要的信息，進而它們就可以在獲得的骨架中進行細節設計了，因為他們基于同一設計基準。

　　d.子裝配和零件的設計。當代表頂層裝配的骨架確定，設計基準傳遞下去之后，可以進行單個的零件設計。這里，可以采用兩種方法進行零件的詳細設計:一種方法是基于已存在的頂層基準，設計好零件再進行裝配;另一種方法是在裝配關系中建立零件模型。零件模型建立好后，管理零件之間的相互關聯性。用添加方程式的形式來控制零件與零件之間以及零件與裝配件之間的關聯性。

　　4實例應用

　　本節將通過儀器板的設計實例來進一步展示上述基于布局草圖的自頂向下設計思想。設計平臺是參數化設計軟件SolidWorks。設計步驟如下:

　　a.建立布局草圖。

　　首先，選定產品的重要參考面，由于產品的結構比較簡單，我們將SolidWorks中的上視基準面、左視基準面和前視基準面作為產品的重要基準面。然后，在上視基準面上根據各零件的形狀和相互之間的位置關系，做出布局草圖，如圖2所示。

　　b.在裝配體中加人新零件。

　　布局草圖建立之后，就可以插人到裝配的環境下，作為自頂向下設計的骨架，完成零部件的設計。我們要在裝配環境中加入新的零部件，必須給它起個名字并選取一個平面(或平坦的表面)。此平面決定了新零件的前參考平面，這名字作為新零件的文件名。創建新零件時，所選的平面/表面是活動草圖，系統進入編輯零件模式。用標準方法來創建零件，并且可以參考裝配體中的其他幾何體。當創建一個特征，想要參考其他零件中幾何體時，這個特征就是所謂的關聯特征。比如，參考一根軸的邊在另一個零件中創建一個配合孔，可以在軸和孔間創建關聯。軸的直徑變化了，那么孔的直徑也相應變化。在設計這個儀器板的時候，可以分別參考布局草圖中的矩形和圓草圖，來建立新的零件。這樣，我們就建立了一些關聯特征。在設計水平管和豎直管的時候，由于交叉管的相貫線很難單獨生成，如果以豎直管為參照面，那么生成相貫線就容易了，而且當改變豎直管的直徑后，水平管也會相應的改變。依照上述方法，可以設計出如圖3所示的儀器板。

　　c布局草圖在產品變更中的作用。

　　當產品設計完成后，可以在布局草圖中修改相關的參數，這樣就會直接反映到零部件上去。比如改變草圖上圓的半徑或者矩形的長、寬。那么，零件與之相關聯的孔徑或者長、寬就會相應地發生變化。改變草圖上零件之間的位置關系，那么儀器板上各個零件之間的位置關系也會相應發生改變。如圖4所示。

　　5結束語

　　在自頂向下的參數化設計中，以布局草圖為核心的上層骨架設計能夠實現產品整個設計過程中信息的傳遞、共享、繼承和變更;這種創新性的設計思想和方法不僅支持團隊間的并行設計和相關設計，而且為有一定設計經驗的技術人員提供了基于參數化技術的自頂向下設計方法:以布局草圖作為自頂向下設計過程中信息傳遞的紐帶，在產品的上游設計階段，它可以作為產品的整體結構功能框架，然后在裝配的環境中生成各子裝配和具體零件的細節設計，它們之間的相關吐由傳遞和繼承得以體現。