基于Pro/E的物料抓取机械手的自顶向下装配设计
在三维设计软件Pro/Engineer 平台上，结合物料抓取机械手设计实例，研究了采用“运动骨架”技术实现运动机构自顶向下装配设计的过程。与自底向上设计方法相比，自顶向下的设计方法着眼于产品设计意图，更容易实现对产品的修改和重建，非常适用于新产品研发或需要频繁修改的产品设计中。而“运动骨架”技术的应用使得在设计之初就能模拟研发产品的运动，对研发产品能否满足设计要求提供了更加快速与直观地判断依据。
传统的产品装配设计方法大多以组成概念模型的零件为基础，先进行详细的结构设计，创建生成几何模型，然后在零件几何模型的基础上搭建装配模型。这种方法通常称为自底向上的装配设计。设计之初，设计人员只能凭借经验或使用一些简单方法来判定产品是否满足设计要求，待所有零部件设计完成并装配在一起，才可以进行整机产品的校验。然而，产品设计是一个反复修改和优化的过程。初次设计一般达不到设计标准。这使得传统的产品装配设计方法存在以下缺陷：
①无法预知产品装配性能，往往到了最终的校验阶段才能发现之前设计的不合理之处;
②零部件之间缺少关联性，因不能实现相关零部件的联动修改，造成装配模型再生失败;
③设计层次不清晰，设计信息无法实现从顶层到下游的传递、继承和共享。
这些问题在运动机构的设计中更为突出。因为运动机构的设计还要求实现构件之间的相对运动，设计过程更为复杂繁琐。为此，运动机构的设计一般采用与自底向上相对应的另一种设计方法，叫做自顶向下的装配设计。
1、自顶向下的装配设计方法
所谓“自顶向下的装配设计方法”就是指在应用3D 设计软件进行产品设计过程中，设计人员首先专注于产品的总体设计和功能性设计，然后进行总体细化和功能分解，进而完成整个产品设计的方法。
这种设计方法一般经过概念设计、结构设计和详细设计三个阶段。概念设计阶段，根据产品的总体设计意图，确定产品的主要功能、关键约束和装配关系等重要信息。结构设计阶段，把确定下来的重要信息用相应的基本元素(点、线、面等)简单表示，绘制出产品的骨架模型。详细设计阶段，围绕设计信息完成零部件的设计任务，在进行任务分配时，零部件设计所需的信息由设计人员从骨架模型分配到各个子系统中。
自顶向下的装配设计是一个从抽象到具体的渐进过程，符合产品实际设计过程，而且通过搭建骨架模型增强了零部件之间的关联，实现了设计信息的传递与共享。
2、运动机构自顶向下的具体实现
运动机构的设计不同于其他模块设计，不仅有空间位置和装配关系的要求，还要能够实现所期望的特定运动。因此，设计人员总希望在进行零部件详细设计之前，就能验证当前机构是否已满足运动要求。PTC 公司在Pro/E 野火3.0 版本中专门做了该功能模块的开发，把骨架模型细分为两种类型，即标准骨架和运动骨架。标准骨架在组件中以零件的形式创建，由一系列控制各元件之间关系的基准点、基准面、基准轴、曲线和曲面等组成。运动骨架在组件中以子组件的形式创建，除了包括控制各元件之间关系的组成元素外，还定义了那些用来表示构件运动特征组成元素的连接方式，使之可以模拟机构运动。所以，从装配的角度来看运动骨架是一个特殊的组件，从机构的角度来看运动骨架又是一个特殊的机构。
运动骨架包含了设计骨架和主体骨架两部分。在运动骨架中，由控制各元件之间关系的组成元素构造的骨架称为设计骨架。设计骨架实质上就是运动骨架这个特殊组件中的标准骨架。它的作用主要是勾勒产品的大致形状，确定各零部件的空间位置和装配关系。运动骨架中，用来表示某一构件特征(包括运动特征和形状特征)的组成元素被定义为一个主体。当定义好一个主体的连接方式后，便创建了一个主体骨架。主体骨架可以作为后续零部件详细设计的参照。
应用“运动骨架”技术可以方便快速地实现运动机构的自顶向下设计。设计过程可视具体情况略微调整，一般设计步骤如下：
(1)确定机构的总体布局及运动形式;
(2)创建机构的组件文件;
(3)在组件文件下创建机构的运动骨架子组件文件;
(4)在运动骨架子组件文件下创建设计骨架，即利用点、线、面定义产品框架和机构的运动形式，设计骨架中还可以灵活地加入各元件形状特征中重要的尺寸信息;
(5)在运动骨架子组件文件下创建主体骨架，选取设计骨架中代表构件运动特征的组成元素为主体并定义它与其他构件的连接方式，定义完成后可查看机构运动，检验是否满足机构运动要求;
(6)编辑修改主体骨架，在每一个主体中添加代表构件形状特征的组成元素，完成运动骨架模型的设计;
(7)在组件文件下创建零件文件，每一个零件文件都对应一个需要设计的元件;
(8)参照主体骨架，在各个零件文件下进行元件的详细设计。
4、结语
本文基于Pro/E 平台，以物料抓取机械手为例详细介绍运动机构自顶向下的设计方法。实践证明，采用“运动骨架”技术实现运动机构自顶向下的设计不仅符合工程设计思维，还能在设计之初查看机构运动是否满足设计要求，避免了重复的设计修改，为设计人员节省了宝贵时间。
