在三維設計軟件Pro/Engineer 平臺上，結合物料抓取機械手設計實例，研究了采用“運動骨架”技術實現運動機構自頂向下裝配設計的過程。與自底向上設計方法相比，自頂向下的設計方法著眼于產品設計意圖，更容易實現對產品的修改和重建，非常適用于新產品研發(fā)或需要頻繁修改的產品設計中。而“運動骨架”技術的應用使得在設計之初就能模擬研發(fā)產品的運動，對研發(fā)產品能否滿足設計要求提供了更加快速與直觀地判斷依據。

　　傳統(tǒng)的產品裝配設計方法大多以組成概念模型的零件為基礎，先進行詳細的結構設計，創(chuàng)建生成幾何模型，然后在零件幾何模型的基礎上搭建裝配模型。這種方法通常稱為自底向上的裝配設計。設計之初，設計人員只能憑借經驗或使用一些簡單方法來判定產品是否滿足設計要求，待所有零部件設計完成并裝配在一起，才可以進行整機產品的校驗。然而，產品設計是一個反復修改和優(yōu)化的過程。初次設計一般達不到設計標準。這使得傳統(tǒng)的產品裝配設計方法存在以下缺陷：

　　①無法預知產品裝配性能，往往到了最終的校驗階段才能發(fā)現之前設計的不合理之處;

　　②零部件之間缺少關聯(lián)性，因不能實現相關零部件的聯(lián)動修改，造成裝配模型再生失敗;

　　③設計層次不清晰，設計信息無法實現從頂層到下游的傳遞、繼承和共享。

　　這些問題在運動機構的設計中更為突出。因為運動機構的設計還要求實現構件之間的相對運動，設計過程更為復雜繁瑣。為此，運動機構的設計一般采用與自底向上相對應的另一種設計方法，叫做自頂向下的裝配設計。

1、自頂向下的裝配設計方法

　　所謂“自頂向下的裝配設計方法”就是指在應用3D 設計軟件進行產品設計過程中，設計人員首先專注于產品的總體設計和功能性設計，然后進行總體細化和功能分解，進而完成整個產品設計的方法。

　　這種設計方法一般經過概念設計、結構設計和詳細設計三個階段。概念設計階段，根據產品的總體設計意圖，確定產品的主要功能、關鍵約束和裝配關系等重要信息。結構設計階段，把確定下來的重要信息用相應的基本元素(點、線、面等)簡單表示，繪制出產品的骨架模型。詳細設計階段，圍繞設計信息完成零部件的設計任務，在進行任務分配時，零部件設計所需的信息由設計人員從骨架模型分配到各個子系統(tǒng)中。

　　自頂向下的裝配設計是一個從抽象到具體的漸進過程，符合產品實際設計過程，而且通過搭建骨架模型增強了零部件之間的關聯(lián)，實現了設計信息的傳遞與共享。

2、運動機構自頂向下的具體實現

　　運動機構的設計不同于其他模塊設計，不僅有空間位置和裝配關系的要求，還要能夠實現所期望的特定運動。因此，設計人員總希望在進行零部件詳細設計之前，就能驗證當前機構是否已滿足運動要求。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)，把骨架模型細分為兩種類型，即標準骨架和運動骨架。標準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系的基準點、基準面、基準軸、曲線和曲面等組成。運動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系的組成元素外，還定義了那些用來表示構件運動特征組成元素的連接方式，使之可以模擬機構運動。所以，從裝配的角度來看運動骨架是一個特殊的組件，從機構的角度來看運動骨架又是一個特殊的機構。

　　運動骨架包含了設計骨架和主體骨架兩部分。在運動骨架中，由控制各元件之間關系的組成元素構造的骨架稱為設計骨架。設計骨架實質上就是運動骨架這個特殊組件中的標準骨架。它的作用主要是勾勒產品的大致形狀，確定各零部件的空間位置和裝配關系。運動骨架中，用來表示某一構件特征(包括運動特征和形狀特征)的組成元素被定義為一個主體。當定義好一個主體的連接方式后，便創(chuàng)建了一個主體骨架。主體骨架可以作為后續(xù)零部件詳細設計的參照。

　　應用“運動骨架”技術可以方便快速地實現運動機構的自頂向下設計。設計過程可視具體情況略微調整，一般設計步驟如下：

　　(1)確定機構的總體布局及運動形式;

　　(2)創(chuàng)建機構的組件文件;

　　(3)在組件文件下創(chuàng)建機構的運動骨架子組件文件;

　　(4)在運動骨架子組件文件下創(chuàng)建設計骨架，即利用點、線、面定義產品框架和機構的運動形式，設計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)在運動骨架子組件文件下創(chuàng)建主體骨架，選取設計骨架中代表構件運動特征的組成元素為主體并定義它與其他構件的連接方式，定義完成后可查看機構運動，檢驗是否滿足機構運動要求;

　　(6)編輯修改主體骨架，在每一個主體中添加代表構件形狀特征的組成元素，完成運動骨架模型的設計;

　　(7)在組件文件下創(chuàng)建零件文件，每一個零件文件都對應一個需要設計的元件;

　　(8)參照主體骨架，在各個零件文件下進行元件的詳細設計。

4、結語

　　本文基于Pro/E 平臺，以物料抓取機械手為例詳細介紹運動機構自頂向下的設計方法。實踐證明，采用“運動骨架”技術實現運動機構自頂向下的設計不僅符合工程設計思維，還能在設計之初查看機構運動是否滿足設計要求，避免了重復的設計修改，為設計人員節(jié)省了寶貴時間。