基于Pro/E的物料抓取機(jī)械手的自頂向下裝配設(shè)計(jì)
在三維設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer 平臺(tái)上，結(jié)合物料抓取機(jī)械手設(shè)計(jì)實(shí)例，研究了采用“運(yùn)動(dòng)骨架”技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自頂向下裝配設(shè)計(jì)的過程。與自底向上設(shè)計(jì)方法相比，自頂向下的設(shè)計(jì)方法著眼于產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖，更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)中。而“運(yùn)動(dòng)骨架”技術(shù)的應(yīng)用使得在設(shè)計(jì)之初就能模擬研發(fā)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)，對(duì)研發(fā)產(chǎn)品能否滿足設(shè)計(jì)要求提供了更加快速與直觀地判斷依據(jù)。
傳統(tǒng)的產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)方法大多以組成概念模型的零件為基礎(chǔ)，先進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，創(chuàng)建生成幾何模型，然后在零件幾何模型的基礎(chǔ)上搭建裝配模型。這種方法通常稱為自底向上的裝配設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員只能憑借經(jīng)驗(yàn)或使用一些簡單方法來判定產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)要求，待所有零部件設(shè)計(jì)完成并裝配在一起，才可以進(jìn)行整機(jī)產(chǎn)品的校驗(yàn)。然而，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)修改和優(yōu)化的過程。初次設(shè)計(jì)一般達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這使得傳統(tǒng)的產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)方法存在以下缺陷：
①無法預(yù)知產(chǎn)品裝配性能，往往到了最終的校驗(yàn)階段才能發(fā)現(xiàn)之前設(shè)計(jì)的不合理之處;
�、诹悴考g缺少關(guān)聯(lián)性，因不能實(shí)現(xiàn)相關(guān)零部件的聯(lián)動(dòng)修改，造成裝配模型再生失敗;
③設(shè)計(jì)層次不清晰，設(shè)計(jì)信息無法實(shí)現(xiàn)從頂層到下游的傳遞、繼承和共享。
這些問題在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中更為突出。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還要求實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)過程更為復(fù)雜繁瑣。為此，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般采用與自底向上相對(duì)應(yīng)的另一種設(shè)計(jì)方法，叫做自頂向下的裝配設(shè)計(jì)。
1、自頂向下的裝配設(shè)計(jì)方法
所謂“自頂向下的裝配設(shè)計(jì)方法”就是指在應(yīng)用3D 設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員首先專注于產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)和功能性設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行總體細(xì)化和功能分解，進(jìn)而完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法。
這種設(shè)計(jì)方法一般經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。概念設(shè)計(jì)階段，根據(jù)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，把確定下來的重要信息用相應(yīng)的基本元素(點(diǎn)、線、面等)簡單表示，繪制出產(chǎn)品的骨架模型。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，圍繞設(shè)計(jì)信息完成零部件的設(shè)計(jì)任務(wù)，在進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，零部件設(shè)計(jì)所需的信息由設(shè)計(jì)人員從骨架模型分配到各個(gè)子系統(tǒng)中。
自頂向下的裝配設(shè)計(jì)是一個(gè)從抽象到具體的漸進(jìn)過程，符合產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)過程，而且通過搭建骨架模型增強(qiáng)了零部件之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)信息的傳遞與共享。
2、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自頂向下的具體實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同于其他模塊設(shè)計(jì)，不僅有空間位置和裝配關(guān)系的要求，還要能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的特定運(yùn)動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)人員總希望在進(jìn)行零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，就能驗(yàn)證當(dāng)前機(jī)構(gòu)是否已滿足運(yùn)動(dòng)要求。PTC 公司在Pro/E 野火3.0 版本中專門做了該功能模塊的開發(fā)，把骨架模型細(xì)分為兩種類型，即標(biāo)準(zhǔn)骨架和運(yùn)動(dòng)骨架。標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、曲線和曲面等組成。運(yùn)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，還定義了那些用來表示構(gòu)件運(yùn)動(dòng)特征組成元素的連接方式，使之可以模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。所以，從裝配的角度來看運(yùn)動(dòng)骨架是一個(gè)特殊的組件，從機(jī)構(gòu)的角度來看運(yùn)動(dòng)骨架又是一個(gè)特殊的機(jī)構(gòu)。
運(yùn)動(dòng)骨架包含了設(shè)計(jì)骨架和主體骨架兩部分。在運(yùn)動(dòng)骨架中，由控制各元件之間關(guān)系的組成元素構(gòu)造的骨架稱為設(shè)計(jì)骨架。設(shè)計(jì)骨架實(shí)質(zhì)上就是運(yùn)動(dòng)骨架這個(gè)特殊組件中的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)骨架中，用來表示某一構(gòu)件特征(包括運(yùn)動(dòng)特征和形狀特征)的組成元素被定義為一個(gè)主體。當(dāng)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(xù)零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)的參照。
應(yīng)用“運(yùn)動(dòng)骨架”技術(shù)可以方便快速地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自頂向下設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程可視具體情況略微調(diào)整，一般設(shè)計(jì)步驟如下：
(1)確定機(jī)構(gòu)的總體布局及運(yùn)動(dòng)形式;
(2)創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的組件文件;
(3)在組件文件下創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)骨架子組件文件;
(4)在運(yùn)動(dòng)骨架子組件文件下創(chuàng)建設(shè)計(jì)骨架，即利用點(diǎn)、線、面定義產(chǎn)品框架和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)骨架子組件文件下創(chuàng)建主體骨架，選取設(shè)計(jì)骨架中代表構(gòu)件運(yùn)動(dòng)特征的組成元素為主體并定義它與其他構(gòu)件的連接方式，定義完成后可查看機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，檢驗(yàn)是否滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)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(gòu)件形狀特征的組成元素，完成運(yùn)動(dòng)骨架模型的設(shè)計(jì);
(7)在組件文件下創(chuàng)建零件文件，每一個(gè)零件文件都對(duì)應(yīng)一個(gè)需要設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)。
4、結(jié)語
本文基于Pro/E 平臺(tái)，以物料抓取機(jī)械手為例詳細(xì)介紹運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自頂向下的設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明，采用“運(yùn)動(dòng)骨架”技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自頂向下的設(shè)計(jì)不僅符合工程設(shè)計(jì)思維，還能在設(shè)計(jì)之初查看機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，避免了重復(fù)的設(shè)計(jì)修改，為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了寶貴時(shí)間。
