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【摘 要】针对拓扑结构相似的不同型号机箱，由不同的设计师进行设计，出现重复劳动，而且出错概率大，可能同一种错误重复出现。而且有时零件加工完后出现无法装配的问题，需要重新返修才能使用，严重影响产品研制周期，从而使企业竞争力降低。通过对1/2ATR和3/4ATR尺寸机箱进行的结构参数化设计技术研究，建成了机箱参数化结构设计系统，并经验证和测试，取得了令人满意的效果。使这种建好的参数化设计系统成为公共资源，可重复使用，使设计及生产效率大大提高。
【关键词】结构设计；顶层参数；参数化设计；表达式链接
Product Electrical System Design Automation
【Abstract】According to the different types of topological structure similar case,by different stylist design,dynamic,and old duplicated error probability and could cut a repeated the same mistake.And after cutting sometimes parts processing,appear unable to assembly needs to repair to use,the serious influence product development cycles,thus the enterprise competitive power decrease.Through 1/2ATR and 3/4ATR size of box/structural parameter technology research,built chassis parametric design system,and experience,with test satisfactory results have been obtained.Make this kind of product design,built good and trees become public resources system reusable,make a design and production efficiency is greatly increased.
【Key words】Struture design;The level parameter;Parametric design;Expression links
0.概述
计算机辅助设计（CAD）技术是现代设计的必备工具，在国内外企业中得到了越来越多的应用。然而，虽然现有的CAD技术应用已经在很大程度上改变了传统的设计理念，但大多数企业并未实现真正意义上的参数化设计。只有真正意义的参数化设计，才能使得产品设计周期大大缩短，设计成本大幅度降低。参数化设计技术作为一项先进的技术必将得到越来越多的应用。
对于具有相似拓扑结构的光机结构产品，只是为适应市场需求，尺寸和布局发生了变化，如箱体类、轴系类等等零件及装配都可以进行结构的参数化设计。针对不同的设计需求，依靠该结构的全局设计参数，快速自动完成整个结构部件设计。本文可用大型三维结构设计软件-UG5.0软件中CAD部分的Modeling、Assembly和Drafting模块进行标准密封机箱的参数化设计研究。
UG是一套功能强大的三维CAD/CAM/CAE软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程。其应用范围涉及机械、航空航天、汽车、造船、通用机械、医疗器械和电子等诸多领域。
本文对标准密封机箱的参数化设计及应用情况进行论述[1]~[12]。
1.参数化模型的建立
机箱参数化模型的建立主要包括以下内容：零件及装配模型的设计及机箱参数化模型的测试。
1.1设计工作主要内容
参数化模型的设计工作，需对建立的模型进行反复的测试与反复修改模型及表达式，主要设计内容包括以下方面。
●顶层表达式的建立
首先需要确定机箱的顶层设计参数，因顶层设计参数是全局设计变量，参数化模型就是用全局设计变量来驱动模型的变化。机箱的设计输入即为全局设计变量。
图一 顶层表达式的建立
对于机箱来说，设计输入为机箱的外形尺寸，每块电路板的厚度，每块电路板上冷板厚度，电路板间距，机上安装孔间距等等，这些设计输入都是作为顶层参数来建立顶层表达式。建立的顶层参数的表达式如图一所示。
●机箱参数化建模方式
机箱采用自上而下和自下而上相结合的方式进行建模。自上而下建立模型，即先建装配，再在装配中建立零件模型；自下而上建模，即零件模型建好后，再装配在一起。根据机箱的总体外形尺寸，在装配粗略建立机箱的前面板、侧板、上盖板、下盖板等零件的外形尺寸，然后再分别对零件进行详细设计。
●1/2ATR和3/4ATR两种尺寸机箱装配参数化模型建立
根据GJB 441-1988电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸等标准来分别建立两种尺寸机箱。
1/2ATR机箱的外形尺寸为：宽和高分别为：194mm和124mm，长度根据实际情况来定。外形尺寸如图二所示：
图二 1/2ATR机箱外形结构尺寸
3/4ATR机箱的外形尺寸为：宽和高分别为190.5mm和194mm，长度根据实际情况来定。外形尺寸如图三所示：
图三 3/4ATR机箱结构外形尺寸
●参数化零件及装配设计
机箱零件主要包括两种：加工件和标准件。加工件设计，主要就是表达式的设计，特征的表达式用顶层参数来表达。如后面板的设计，表达式如下： backboard_W=150.5；
backboard_H=H-T3-T4；
backboard_T=2；
后面板的长、宽、厚都和顶层参数H（机箱总高）、T3（上盖厚度）、T4（底板厚度）相关联。
标准件设计，主要指螺钉等紧固件和插头、插座、指示灯、风机、滤波器等电子元器件和一些外形尺寸固定下来的零部件如搭铁线等，这些都可直接在PDM系统中选取用到装配中。
●机箱零件之间表达式的链接
每个零件设计完成后，零件的特征设计用顶层参数来表示，并通过表达式的层层链接，才能实现顶层参数驱动零件的变化。表达式之间的链接如图四所示：
图四 表达式的链接
1.2参数化设计难点及解决措施
1.2.1组合加工件的加工余量及组合加工特征
箱体是整个机箱中的核心部件，箱体就是组合加工件。构成组合加工的零件在设计零件时必须留余量，而在组合加工件中零件尺寸为最终尺寸。还有工艺孔在零件中没有，而组合件中需要。就要考虑零件外形和组合装配中零件外形特征的关系。因此，组合件中就要建立新的特征。
在进行组合零件设计时，通常的方法是在装配中对零件进行提升进行布尔运算后设计新的特征，在以后应用用这种方法建立的模型时往往有无法解决的问题，即箱体无法被顶层参数所驱动，因此机箱的参数化设计就无法正常实现。
解决措施：在装配中不用传统使用的零件提升的方法，而是用装配切割的方法进行建模。首先在装配中建立任意一个特征，用装配切割的方法去切每个零件，然后进行布尔运算，并把装配中所建特征放在不可见图层中，这样组合加工件就可被顶层参数驱动，实现真正的参数化建模。
1.2.2表达式之间的链接关系
参数化设计需要经过很多反复测试和修改的过程。如果模型有问题就要能很快找出问题所在。模型的修改主要是表达式的修改，如果表达式之间的链接混乱，装配中修改顶层参数，部分零部件无法更改，很难查清楚问题所在。
解决措施：每个零部件表达式和它的父部件建立链接，不可同级链接，也不可越级链接，这样的链接关系清晰，设计中出现的问题很快就能找到。
2.测试
参数化机箱模型建成后，可能会有很多建模过程中没有发现的问题。因此，测试是参数化建模不可缺少的一个过程。测试时，需要对各个顶层参数分别进行修改，来测试模型的正确性，并进行反复修改模型，使机箱总装配最终达到通过任何顶层参数驱动都不出现问题。
2.1设计要求
以某机箱为例对参数化设计系统进行测试。该机箱的尺寸参数、设计要求如下：
●机箱要求外形尺寸。
●机箱长度。
●电路板内安装电路板数量。
●电路板上插头、插座型号。
●板间距及板子排布顺序。
●接口尺寸。
●每块电路板的厚度。
●每块电路板上安装冷板（或冷板条）厚度。
●前面板布局。
2.2测试过程
机箱的可变参数有：机箱长度、电路板间距、电路板厚度、电路板上所装冷板（或冷板条）厚度等等。通过改变这些参数，就可快速改变机箱的三维设计。
测试过程如下：
●更改顶层设计参数：先改变机箱长度尺寸为需要的尺寸。
●更新三维装配设计模型。
●编辑机箱中电路板数量：使电路板数量为实际设计要求的数量，并使插头插座和设计要求相符。
●更改每块板子的属性（如名称等等）。
●使每块板子的表达式和相应零部件的表达式建立链接关系。
●在顶层更改板间距表达式值，使之与设计输入一致。
●更新三维装配设计模型。
●更改顶层电路板的板子厚度、冷板厚度表达式值，使之与设计输入一致。
●更新三维装配设计模型。
3.参数化模型的使用
参数化机箱设计系统建好以后，可以用此系统模型来进行新的机箱的设计。如设计一个新的1/2ATR机箱，就先选用建好的1/2ATR机箱模型，先克隆出一个新的机箱，根据新机箱的实际长度，电路板厚度、冷板厚度、电路板数量及间距，来修改顶层参数，由新的参数驱动生成新的机箱，这是直接可用部分。
需要新做的工作就是，每个机箱前面板上安装的电子元器件不同，前面板需重新设计新的元器件的安装位置，而且前面板上元器件要重新装配。电路板上如果使用的插座有所变动，需更换电路板和母板上的插头和插座。
经过在具体产品中的应用，证明该项研究大幅提高了设计效率，单一任务的设计时间由原来的10天左右，缩短到2天左右。
4.结论
参数化模型经过反复的测试和修改，建成了两种标准尺寸的机载电子组件参数化设计系统。
1/2ATR和3/4ATR标准钎焊机箱参数化结构设计系统通过在实际设计中的使用，说明参数化设计系统合理，表达式及其链接关系符合设计要求。对两种参数化设计系统的测试合格。系统使用正常。
通过使用机箱参数化设计系统进行实际产品设计可以发现，产品用传统方法进行设计需要10天时间，用参数化模型设计两天就可完成，设计效率提高了5倍。而且设计差错率也大大减少，从而产品设计及生产周期大大降低。该项研究的成功应用，也为其它成熟零件及部件的模块化设计奠定了基础。该项技术研究对增强产品核心竞争力，具有非常重要的意义。
【参考文献】
［１］洪如瑾编著,陈焱审校.UG CAD快速入门指导.清华大学出版社.
［２］[美]Unigraphics Solutions Inc编著,洪如瑾翻译,王刚审校.UG WAVE产品设计技术培训教程.清华大学出版社.
［３］龚勉,唐海翔,赵波,陈向军等编著,洪如瑾审校.UG CAD应用案例集（NX版）.清华大学出版社.
［４］GJB441机载电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸.
［５］Q/13S 1103-2005 标准机箱印制线路板结构外形尺寸与安装布局.
［６］章兆亮编著.UG NX5.0宝典.电子工业出版社.
［７］杨安春,高新红.UG NX5中文版软件速通与实训手册.
［８］张晓红,刘建潮.UG软件应用.武汉大学出版社.
［９］赵波,陈向军编著,洪如瑾审校.UG NX4相关参数化设计培训教程.清华大学出版社.
［１０］基于UG的CAD/CAM技术.清华大学出版社.
［１１］UG NX系统应用技巧.清华大学出版社.
［１２］UG NX汽车自动化设计.清华大学出版社.
【关键词】结构设计；顶层参数；参数化设计；表达式链接
Product Electrical System Design Automation
【Abstract】According to the different types of topological structure similar case,by different stylist design,dynamic,and old duplicated error probability and could cut a repeated the same mistake.And after cutting sometimes parts processing,appear unable to assembly needs to repair to use,the serious influence product development cycles,thus the enterprise competitive power decrease.Through 1/2ATR and 3/4ATR size of box/structural parameter technology research,built chassis parametric design system,and experience,with test satisfactory results have been obtained.Make this kind of product design,built good and trees become public resources system reusable,make a design and production efficiency is greatly increased.
【Key words】Struture design;The level parameter;Parametric design;Expression links
0.概述
计算机辅助设计（CAD）技术是现代设计的必备工具，在国内外企业中得到了越来越多的应用。然而，虽然现有的CAD技术应用已经在很大程度上改变了传统的设计理念，但大多数企业并未实现真正意义上的参数化设计。只有真正意义的参数化设计，才能使得产品设计周期大大缩短，设计成本大幅度降低。参数化设计技术作为一项先进的技术必将得到越来越多的应用。
对于具有相似拓扑结构的光机结构产品，只是为适应市场需求，尺寸和布局发生了变化，如箱体类、轴系类等等零件及装配都可以进行结构的参数化设计。针对不同的设计需求，依靠该结构的全局设计参数，快速自动完成整个结构部件设计。本文可用大型三维结构设计软件-UG5.0软件中CAD部分的Modeling、Assembly和Drafting模块进行标准密封机箱的参数化设计研究。
UG是一套功能强大的三维CAD/CAM/CAE软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程。其应用范围涉及机械、航空航天、汽车、造船、通用机械、医疗器械和电子等诸多领域。
本文对标准密封机箱的参数化设计及应用情况进行论述[1]~[12]。
1.参数化模型的建立
机箱参数化模型的建立主要包括以下内容：零件及装配模型的设计及机箱参数化模型的测试。
1.1设计工作主要内容
参数化模型的设计工作，需对建立的模型进行反复的测试与反复修改模型及表达式，主要设计内容包括以下方面。
●顶层表达式的建立
首先需要确定机箱的顶层设计参数，因顶层设计参数是全局设计变量，参数化模型就是用全局设计变量来驱动模型的变化。机箱的设计输入即为全局设计变量。
图一 顶层表达式的建立
对于机箱来说，设计输入为机箱的外形尺寸，每块电路板的厚度，每块电路板上冷板厚度，电路板间距，机上安装孔间距等等，这些设计输入都是作为顶层参数来建立顶层表达式。建立的顶层参数的表达式如图一所示。
●机箱参数化建模方式
机箱采用自上而下和自下而上相结合的方式进行建模。自上而下建立模型，即先建装配，再在装配中建立零件模型；自下而上建模，即零件模型建好后，再装配在一起。根据机箱的总体外形尺寸，在装配粗略建立机箱的前面板、侧板、上盖板、下盖板等零件的外形尺寸，然后再分别对零件进行详细设计。
●1/2ATR和3/4ATR两种尺寸机箱装配参数化模型建立
根据GJB 441-1988电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸等标准来分别建立两种尺寸机箱。
1/2ATR机箱的外形尺寸为：宽和高分别为：194mm和124mm，长度根据实际情况来定。外形尺寸如图二所示：
图二 1/2ATR机箱外形结构尺寸
3/4ATR机箱的外形尺寸为：宽和高分别为190.5mm和194mm，长度根据实际情况来定。外形尺寸如图三所示：
图三 3/4ATR机箱结构外形尺寸
●参数化零件及装配设计
机箱零件主要包括两种：加工件和标准件。加工件设计，主要就是表达式的设计，特征的表达式用顶层参数来表达。如后面板的设计，表达式如下： backboard_W=150.5；
backboard_H=H-T3-T4；
backboard_T=2；
后面板的长、宽、厚都和顶层参数H（机箱总高）、T3（上盖厚度）、T4（底板厚度）相关联。
标准件设计，主要指螺钉等紧固件和插头、插座、指示灯、风机、滤波器等电子元器件和一些外形尺寸固定下来的零部件如搭铁线等，这些都可直接在PDM系统中选取用到装配中。
●机箱零件之间表达式的链接
每个零件设计完成后，零件的特征设计用顶层参数来表示，并通过表达式的层层链接，才能实现顶层参数驱动零件的变化。表达式之间的链接如图四所示：
图四 表达式的链接
1.2参数化设计难点及解决措施
1.2.1组合加工件的加工余量及组合加工特征
箱体是整个机箱中的核心部件，箱体就是组合加工件。构成组合加工的零件在设计零件时必须留余量，而在组合加工件中零件尺寸为最终尺寸。还有工艺孔在零件中没有，而组合件中需要。就要考虑零件外形和组合装配中零件外形特征的关系。因此，组合件中就要建立新的特征。
在进行组合零件设计时，通常的方法是在装配中对零件进行提升进行布尔运算后设计新的特征，在以后应用用这种方法建立的模型时往往有无法解决的问题，即箱体无法被顶层参数所驱动，因此机箱的参数化设计就无法正常实现。
解决措施：在装配中不用传统使用的零件提升的方法，而是用装配切割的方法进行建模。首先在装配中建立任意一个特征，用装配切割的方法去切每个零件，然后进行布尔运算，并把装配中所建特征放在不可见图层中，这样组合加工件就可被顶层参数驱动，实现真正的参数化建模。
1.2.2表达式之间的链接关系
参数化设计需要经过很多反复测试和修改的过程。如果模型有问题就要能很快找出问题所在。模型的修改主要是表达式的修改，如果表达式之间的链接混乱，装配中修改顶层参数，部分零部件无法更改，很难查清楚问题所在。
解决措施：每个零部件表达式和它的父部件建立链接，不可同级链接，也不可越级链接，这样的链接关系清晰，设计中出现的问题很快就能找到。
2.测试
参数化机箱模型建成后，可能会有很多建模过程中没有发现的问题。因此，测试是参数化建模不可缺少的一个过程。测试时，需要对各个顶层参数分别进行修改，来测试模型的正确性，并进行反复修改模型，使机箱总装配最终达到通过任何顶层参数驱动都不出现问题。
2.1设计要求
以某机箱为例对参数化设计系统进行测试。该机箱的尺寸参数、设计要求如下：
●机箱要求外形尺寸。
●机箱长度。
●电路板内安装电路板数量。
●电路板上插头、插座型号。
●板间距及板子排布顺序。
●接口尺寸。
●每块电路板的厚度。
●每块电路板上安装冷板（或冷板条）厚度。
●前面板布局。
2.2测试过程
机箱的可变参数有：机箱长度、电路板间距、电路板厚度、电路板上所装冷板（或冷板条）厚度等等。通过改变这些参数，就可快速改变机箱的三维设计。
测试过程如下：
●更改顶层设计参数：先改变机箱长度尺寸为需要的尺寸。
●更新三维装配设计模型。
●编辑机箱中电路板数量：使电路板数量为实际设计要求的数量，并使插头插座和设计要求相符。
●更改每块板子的属性（如名称等等）。
●使每块板子的表达式和相应零部件的表达式建立链接关系。
●在顶层更改板间距表达式值，使之与设计输入一致。
●更新三维装配设计模型。
●更改顶层电路板的板子厚度、冷板厚度表达式值，使之与设计输入一致。
●更新三维装配设计模型。
3.参数化模型的使用
参数化机箱设计系统建好以后，可以用此系统模型来进行新的机箱的设计。如设计一个新的1/2ATR机箱，就先选用建好的1/2ATR机箱模型，先克隆出一个新的机箱，根据新机箱的实际长度，电路板厚度、冷板厚度、电路板数量及间距，来修改顶层参数，由新的参数驱动生成新的机箱，这是直接可用部分。
需要新做的工作就是，每个机箱前面板上安装的电子元器件不同，前面板需重新设计新的元器件的安装位置，而且前面板上元器件要重新装配。电路板上如果使用的插座有所变动，需更换电路板和母板上的插头和插座。
经过在具体产品中的应用，证明该项研究大幅提高了设计效率，单一任务的设计时间由原来的10天左右，缩短到2天左右。
4.结论
参数化模型经过反复的测试和修改，建成了两种标准尺寸的机载电子组件参数化设计系统。
1/2ATR和3/4ATR标准钎焊机箱参数化结构设计系统通过在实际设计中的使用，说明参数化设计系统合理，表达式及其链接关系符合设计要求。对两种参数化设计系统的测试合格。系统使用正常。
通过使用机箱参数化设计系统进行实际产品设计可以发现，产品用传统方法进行设计需要10天时间，用参数化模型设计两天就可完成，设计效率提高了5倍。而且设计差错率也大大减少，从而产品设计及生产周期大大降低。该项研究的成功应用，也为其它成熟零件及部件的模块化设计奠定了基础。该项技术研究对增强产品核心竞争力，具有非常重要的意义。
【参考文献】
［１］洪如瑾编著,陈焱审校.UG CAD快速入门指导.清华大学出版社.
［２］[美]Unigraphics Solutions Inc编著,洪如瑾翻译,王刚审校.UG WAVE产品设计技术培训教程.清华大学出版社.
［３］龚勉,唐海翔,赵波,陈向军等编著,洪如瑾审校.UG CAD应用案例集（NX版）.清华大学出版社.
［４］GJB441机载电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸.
［５］Q/13S 1103-2005 标准机箱印制线路板结构外形尺寸与安装布局.
［６］章兆亮编著.UG NX5.0宝典.电子工业出版社.
［７］杨安春,高新红.UG NX5中文版软件速通与实训手册.
［８］张晓红,刘建潮.UG软件应用.武汉大学出版社.
［９］赵波,陈向军编著,洪如瑾审校.UG NX4相关参数化设计培训教程.清华大学出版社.
［１０］基于UG的CAD/CAM技术.清华大学出版社.
［１１］UG NX系统应用技巧.清华大学出版社.
［１２］UG NX汽车自动化设计.清华大学出版社.