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基于Pro/E布局控制的电子设备结构快速设计技术研究

2015-12-05缪小冬王大林张建斌

航天控制 2015年4期
关键词:印制板机箱样板

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.)

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