基于线框骨架的自上而下机箱设计方法研究

霍跃庆， 姜红明， 焦晓艳

（西安航空计算技术研究所，西安710119）

1 自下而上的设计方法存在的问题

在传统的电子设备机箱结构设计过程中，通常先明确需求及设计接口，之后从零件开始设计，该过程为自下向上的设计方法。实际设计过程中随着总体需求的调整，零部件设计方案也需要不断进行调整。对于复杂的结构来说，通过手动修正各项设计数据，很难保证所有关联的数据都能被正确修正，因此在通常的机箱方案变更设计过程中，为了防止上述问题发生，将机箱的重要参数提取为可调整参数，从而实现对机箱的调整。

对于这类参数化设计方法来说，在合理的参数变化范围内，能够快速地实现对机箱结构的调整，有效提高设计效率。但是自下而上的设计方法存在很大的局限性，这是因为建模过程中各类特征存在前后关联性，各项参数只能在有限的范围内改变其大小，极可能存在参数调整不当导致建模失败的问题；因此这类参数化建模不能对各类特征进行增减，在方案变化较大时将不能适用。

图1 顺序建模结构

如图1所示，若特征B取消，则在其基础上顺序建模的后续特征将无参考基准，将导致模型建模失败；若特征E参数调整过大，将导致其与相邻特征发生干涉，也极可能会导致建模失败。

2 混合设计方法

为解决模型中各类特征的顺序建模限制，采用基于特征的混合设计方法，在Catia软件中可通过创建多个独立的零件几何体并控制其装配状态来实现。该设计方法的理念为：对于一个零件来说，其中的每一个细节特征都可以视为一个子零件，即使是其中的孔、筋等特征，都可以作为一个独立的子零件存在，各个零件几何体可以理解为各个不同的子零件特征集，通过控制子零件在零件坐标系中的坐标位置，来控制位置关系，在所有零件特征创建为子零件后，对各子零件进行装配布尔运算，即可得到零件的最终模型。

为实现对零件各特征的取舍，可在子零件的装配过程中，控制子零件是否被装配到零件主体中，对于被舍弃的子零件（特征），则将其激活状态调整为“取消激活”即可。如图2所示，各特征之间互相独立，零件的最终状态依据于各特征的最后取舍，在参数调整过程中，由于各特征之间是布尔运算关系，即使参数调整过大导致特征间互相干涉，也可以根据布尔运算条件得到预期的建模结果。

图2 混合建模结构

3 线框骨架

混合设计方法的应用，目的是为了解决复杂零部件件的参数化设计过程中顺序建模的局限性，对于包含多个零部件的机箱来说，在传统的自下向上的设计方法基础上实现参数化设计，需要在建模开始便知道模型的最终状态，并在建模过程中实现对各尺寸的分配与协调，违背了机箱设计中从粗到细的自然过程，不利于设计方案的后续调整。

图3 机箱线框骨架

因此，在参数化建模过程中，基于自顶向下的设计非常必要，尤其是利用混合设计时，共用坐标系及外部参数将大幅提高参数化建模效率。

自顶向下设计方法中，通常先确定机箱的外部接口，如外廓尺寸、安装接口、功能分区等基础参数，在Catia软件环境中，可以用线框来搭建基于上述参数的骨架，作为后续细化设计的参考基准，如图3所示。

图4 机箱主要参数

图3中的线框骨架，包括了机箱的前后紧定定位、机箱外部轮廓、模块功能分区等，通过对其添加参数关联，并在后续的零部件设计过程中，引用这些线框，达到参数化设计的目标。

在Catia中建立机箱的主要参数如图4所示。

4 详细设计

在线框骨架的基础上，调用相应参数建立各零件的建模基准平面，并在基准平面上开始零件的混合设计。

如图5所示，基于XY平面及底盖板厚度参数建立零件（侧板）的基准平面，并进行凸台拉伸，得到侧板的主体特征如图6所示。

为实现特征的独立性，实现混合设计，在添加后续特征时建立新的几何体，并将新的几何体定义为工作对象，建立后续特征的草图并进行凹槽操作，得到独立的几何体2，如图7所示。

在几何体2中，由于其与几何体1的独立性，凹槽未在零件几何主体上发生作用，图7中显示的结果为两个几何体重叠，独立存在，为后续几何特征的无序添加提供了固定的参考，在此基础上继续添加其他几何特征，以完成零件各特征的创建，结果如图8所示。

图5 侧板基准面及几何主体草图

图6 侧板主体特征

图7 凹槽特征

图8 特征未装配前的零件模型（着色模式）

通过图8着色模式可以看到，即使模型已建立所有主要特征，在未将特征装配前，模型以所有特征的最大包络面显示。

在机箱的线框骨架中，包含了多功能模块的分区，因此在添加模块相关导轨槽特征时，应用这些分区界线，即可实现导轨槽与分区的关联设计，如图9所示。

完成所有特征建模后，根据各特征之间的关系，将子特征逐步装配到主体特征上，即得到零件的最终参数化模型。特征树在特征装配前后结构如图10～图11所示。

基于同样方法在统一坐标系下创建机箱的其他零部件，即实现基于Catia的自上而下机箱混合设计。

图9 导轨槽草图与分区界线尺寸关联

图10 特征未装配前特征树结构

图11 特征装配后特征树结构

5 结语

在传统电子设备结构设计过程中，受CAD应用技术的发展限制，基于自上而下的设计方法很难实现，设计人员花费大量的精力在从总体到零部件的分解，再从零部件组装到总体的反复过程中，耗费大量的人力资源，并且不断的反复设计过程间接增大了机箱的设计质量风险。基于自上而下的设计过程遵循机箱设计从粗到细、由简到繁的自然过程，简化并直观显示了机箱设计中的分解步骤，并且实现了设计过程与机箱相关文档在不同阶段同步推进。

线框骨架及混合设计的综合运用，有效解决了建模过程中的顺序建模限制问题，为自上而下设计方法提供了实施平台。不过实现基于线框骨架的自上而下设计方法，需要综合考虑线框骨架的复杂度及混合建模过程中尺寸计算复杂度，线框骨架越详细，则混合建模时可参考的线条越多，相关的尺寸计算量随之降低，但是线框骨架越详细，将导致之后的方案调整限制越多。在开始机箱设计前综合考虑多方影响因素，在线框骨架的详细度与混合建模尺寸计算量之间取得平衡，将能取得事半功倍的效果。

［参考文献］

［1］于哲峰.机翼几何外形的CATIA参数化建模实现方法［J］.飞机设计，2010（3）：27-30.

［2］孟立辉.某型发动机架的CATIA参数化设计［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2010（6）：48-50.