基于Pro/E布局控制的电子设备结构快速设计技术研究

缪小冬 刘 兵 王大林 张建斌

北京航天自动控制研究所，北京100854

在短期内设计出满足客户个性化要求、质量可靠和性能优良的产品，是企业在激烈的市场竞争中占据有利地位的关键。快速设计技术是当前市场在产品多样化、系列化、需求多变的形势下提出并发展起来的。快速设计，又称快速响应设计，是一种以缩短产品开发周期，提高产品设计质量为目的的现代设计方法［1］。

电子设备是将各种电子元器件、组件、模块和机械零部件合理组装成有机整体，使其免受各种复杂环境影响和干扰，确保电气性能正常。因此，电子设备结构设计是研制电子设备的一个重要环节，它对保证电子设备的及时交付、安全和稳定起着重要的作用。

本文以某箭载电子设备为例，研究快速设计方法在电子设备结构设计上的应用，这对推动电子设备结构设计技术发展，提高电子设备适应性，缩短研发周期和减轻设计人员负担等方面具有重要意义和应用前景。

1 电子设备传统设计方法的特点

某箭载插板式电子设备如图1 所示，主要由机箱、印制板模块、盖板和减振支脚组成。基于模块化的设计思想，机箱中的每块印制板模块具有独立的电气功能，外形尺寸统一。印制板模块沿机箱插槽对接到位后，通过楔形锁紧装置固定在机箱插槽中。维护时，可在现场将印制板模块取出，换上另一标准模块，系统可立即恢复工作。印制板模块外形尺寸、印制板模块数量和印制板模块间距是该设备成型必备的3个输入条件。

虽然该设备基本实现了模块化，便于维护，但在设计过程中尤其是方案设计阶段也暴露出以下一些不足:1)当印制板模块外形尺寸、模块数量和模块间距中的任意一个输入条件更改时，结构设计人员就需要在三维建模软件中对模型一步一步手动更改、调整，直到得到符合设计要求的产品为止。如果输入条件多次更改，结构设计人员就要多次重复劳动，导致设计效率低;2)基于三维建模软件有严格建模的层次关系，如果对模型更改不恰当，软件就会报错。这对于结构设计人员来说，首要工作就是熟练软件操作和理解模型的建模关系。有时改的会顾此失彼，导致生产中暴露出设计缺陷，一些零部件报废;3)该设备整机标准化、通用化程度偏低，结构设计人员接到该类型设备的设计任务时，都会按照自己的习惯重新建模设计、出图。

这些不足也是目前电子设备结构设计中存在的共性问题，其使得重复性工作量大，效率低，设计质量得不到保证，模型设计、修改占了整个设计工作的大部分时间，导致产品开发周期长，设计创新时间不足。

2 电子设备结构快速设计技术实现方法

在众多的三维建模软件中，Pro/E 是应用较广泛的软件之一，该软件重点强调参数化设计理念，即用户可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使模型自动计算出相应的外形。当某一设计参数改变后，相应的三维模型、二维工程图等都会随之而变，实现参数化驱动［2］。参数化设计能方便地修改图形，并能将以往产品设计的经验和知识继承下来，设计者可以把时间、精力集中于更具有创造性的概念和整体设计中，提高设计的精度和效率。因此，参数化设计是实现产品快速设计的有效手段之一。

图1 插板式电子设备

Pro/E 主要有2 种途径实现参数化设计:

1)基于Pro/E 二次开发工具的参数化设计，如Pro/Toolkit 等。

二次开发工具Pro/Toolkit 将繁琐的建模过程转化为几个变量的输入，快速生成新的实体模型。但是它们只能编制出参数输入对话框，其开发交互界面的功能很弱，往往要借助第三方开发工具来实现，并且要求有较高的编程能力，这对结构设计人员来说，既难懂又比较费时间。

2)基于Pro/E 布局文件的参数化设计。

Pro/E 布局(Layout)文件，是一种在“布局”模式下创建的以概念方式记录和注释零件和组件的二维草绘，含有用于建立尺寸和位置的参数和关系。它不是精确比例的绘图，而且与实际的三维模型几何不相关。因此，布局文件的核心功能是创建统一的尺寸变量表，然后在零件和组件环境中引用布局文件变量表中的尺寸变量，来定义其各个特征的尺寸大小和位置等。因此，基于布局尺寸变量控制零件和组件的生成，能够实现参数化设计。

本文研究的电子设备结构快速设计技术，采用了基于Pro/E 布局文件控制的参数化设计方法，即将建好的三维模型样板和工程图样板引用布局文件，通过更改布局文件尺寸变量表中的变量，更新再生出产品新的三维模型和工程图，如图2 所示。

图2 布局文件实现产品快速设计过程

3 电子设备结构快速设计技术开发实现

3.1 建立布局文件

根据上文箭载电子设备的构成，可见此类电子设备设计由印制板模块设计、机箱设计和配套零件设计组成，设计流程见图3。首先进行印制板模块设计，然后根据机箱内印制板模块的数量和位置，进行机箱设计。机箱设计主要分为机箱外形设计和机箱内部设计2 部分。待机箱设计完成后，可对其配套零件进行设计，如减振支架、阻尼圈、机箱盖板和密封圈。

图3 箭载电子设备设计流程

因此，布局文件中分成印制板模块设计区、机箱外形设计区、机箱内部设计区和配套零件设计区，见图4 所示。利用尺寸标注工具对每个零件进行尺寸标注，所标注尺寸即为尺寸变量，并通过建立变量表将所有尺寸变量清晰地罗列出来。在变量表中，可直接修改变量对应的数值。所有尺寸变量的意义也在布局文件中进行了表述，便于使用者直接查阅。

3.2 创建三维模型和二维工程图样板

以Pro/E 为开发平台，创建电子设备中各个零部件及整机装配件的三维模型样板，并根据三维模型样板生成二维工程图样板，如图5 所示。由所有零部件构成的电子设备整机装配的三维模型样板，如图6 所示。

图4 电子设备的部分布局文件

图5 电子设备机箱的三维模型样板

图6 电子设备整机的三维模型样板

3.3 创建模型样板与布局文件的关联性

在三维模型和二维工程图样板文件创建后，需要将它们与布局文件进行关联。

1)建立参数传递关系

在Pro/E 的三维模型样板中，先从菜单管理器的“文件(F)”选择“声明布局”的操作项，然后从弹出的列表中选择3.1 中所建的布局文件。

通过此操作，建立了三维模型样板与布局文件间的参数传递关系。

2)建立尺寸关联

声明完布局文件后，可在菜单管理器“工具(T)”的“关系”界面中，直接将布局文件中的尺寸变量赋值给模型的尺寸参数。赋值语句示例如下:

/* 定义印制板AP1 长度D19

D19 =长_AP1

其中，D19 表示印制板AP1 三维模型中的长度参数;长_AP1 为布局文件中印制板AP1 长度的尺寸变量。

3.4 完成模型样板的参数化详细设计

对模型样板进行参数化详细设计，可结合上文中的布局文件，通过Pro/Program 开发语言编程实现。Pro/Program 是Pro/E 中产品自动化设计的一项辅助工具，用户可以通过非常简单的程序语言来控制特征的出现、尺寸大小和组件的出现及位置等。

鉴于篇幅所限，下面仅列出了程序中的小部分内容作为示例。以下的程序主要说明的是整机三维模型样板中，印制板AP2 位置确定方法与印制板AP2 作为组件是否出现的方法。

VERSION 5.0

REVNUM 791

组件ZHENGJI 的列表

……

RELATIONS

……

/* 定义印制板AP2 的位置

D12 =前边距+间距1_2

D6 =AP2_上边距

……

END RELATIONS

……

/* 定义印制板AP2 板作为组件是否出现在整机中

程序中的长_AP2、宽_AP2 和厚_AP2 为布局文件中印制板AP2 长度、宽度与厚度的尺寸变量。

完成模型样板的参数化详细设计后，就实现了基于Pro/E 布局文件控制的电子设备结构快速设计技术。

3.5 应用实例

以往在任务需求确定后，一个完整的插板式电子设备三维模型建模工作所花时间大概为3周。而使用该技术后，设计师根据任务需求，直接修改布局文件中的尺寸变量，即可快速生成所需要的设备整机模型，不需要再重复建模，一个完整详细的单机模型建模工作所花时间最多只要3d，可以节约85%的设计时间，有效保证了对客户需求的快速响应。

图6 为电子设备整机的三维模型样板，内部包含了12个印制板模块。当任务需求中只有6个印制板模块时，设计师在布局文件中只需将布局文件中关于印制板AP7 ～AP12 的任一变量(长、宽与厚度)赋值为0，整机模型中可快速去除印制板AP7 ～AP12 以及与其有关的特征，生成所需的整机模型，如图7 所示。

图7 快速更新后的整机三维模型

4 结语

基于Pro/E 布局控制的电子设备结构快速设计技术，使产品设计快速、可靠，减少重复建模时间，缩短了产品设计周期，提高了产品设计效率。促进了电子设备结构设计的标准化、通用化和系列化。该技术相对比较简易，界面友好，操作简单，更容易被设计人员接受，实用性更强。

［1］宗驰. 复杂机械产品快速响应设计集成系统研究［D］.武汉:武汉大学，2010. (Zong Chi. Research on Rapid Responsible Integrated System of Complex Mechanical Product ［D］. Wuhan:Wuhan University，2010.)

［2］孙明. 基于Pro/E 布局控制的橡胶模参数化设计［J］.模具制造，2013，(8):66-69. (Sun Ming. Parametric Design of Rubber Mold Based on the Control of Pro/E Layout File［J］. Die ＆ Mould Manufacture，2013，(8):66-69.)

［3］陈世荣.基于Pro/Program 的电源机箱参数化快速设计［J］. 电子机械工程，2010，26(5):61-64. (Chen Shirong. Rapid Design of Parameterized Powerbox Based on Pro/Program ［J］. Electro-Mechanical Engineering，2010，26(5):10-15.)

［4］曾巍.电子设备整机参数化方法和快速建模技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2012. (Zeng Wei.Research on Whole Product Parameter Method and Rapid Modeling Technique of Electronic Equipments［D］.Xian:Xidian University，2012.)