設計(Concurrent Engineering)的方式

前言:

目前機構設計常常採用的設計流程通常有兩種模式,其中最常被採用的是一般的Bottom up設計流程,另一方面則是使用Top Down的設計流程。

A.
所謂的Bottom up設計流程,就是將所設計的元件互相堆疊在一起,藉由已知的主要零件介面去產生新的零件外型。

 1.優點為對於零件與零件之間的細部設計可以充分考量,且設計的步驟較為簡短,可較為快速的進入細部設計階段。

 2.缺點因為其機構生成方式是採取積木式的相互堆疊,其間的尺寸皆互參考,因此機構完成之後的可變動性相當的低,同時因為零件彼此之間的強烈關聯性,無法進行設計機構分割,所以也較為難以進行所謂的同步設計工作。

B.
Top Down設計流程,主要的概念是將機構的重要資訊集中在一個能夠貫穿全部機構的主架構,零件的生成必須參考主架構。

 1.優點為零件之間彼此不會互相牽制,所有重要變動可以由主架構來控制,設計彈性較大。

 2.缺點為先期的規劃時程較長,進入細部設計可能會需要經過較長的時間。但是因為零件彼此間的關聯性較低,機構可預先拆分給不同的人員進行設計工作,充分達到設計分工及同步設計的工作。進而縮短設計時程,使得產品能較早進入市場。

使用參數式軟體設計機構(Pro/E),如要發揮其完整的功能,達到效率化的設計,一般皆建議使用Top Down設計方式,因為此種方式可使用少數在主架構上的幾個變數定出機構的規格,進而在參數式的系統中隨意調整,達成所謂設計參數化的效率。因此使用全參數式的系統,上述主架構建立需要較長時間的缺點也可獲得解決,理論上只要變動主架構上的機構規格參數,就可以產生一個新的機構。

以往在過去使用2D舊式的設計工具時,因為其軟體功能的關係,一直無法很有效的使用Top Down設計流程,所以一直在想辦法簡短設計時程,期望用短期內完成多個設計案的方式來彌補Bottom up方式沒有設計彈性的缺點,如今由於電腦科技及軟體撰寫技術成熟,已經發展出可以全參數化的3D設計軟體。展望未來,參數式的3D系統比傳統的2D繪圖軟體更有彈性且較能適合多變環境的市場。

使用Pro/E進行Top Down設計步驟基本上有以下四大問題需要去克服:
A. 繪製骨架(SKELETON)
B. 將機構分割成次組合
C. 將人員分配到各次組合並設定其設計權限
D. 圖檔管理體系

本文將分別針對以上四點進行研討:

A. 繪製骨架(SKELETON):

Skeleton骨架是一個機構的骨幹,同時也是在設計一個機構時第一個繪出的元件,基本上此機構的自由度已經可從Skeleton上完整模擬出來,此外Skeleton並可包含元件之尺寸(馬達的大小,共用之舊件的大小),機構邊界空間限制,及設計需求(design intent)資訊等。完成骨架的設計,通常也就完成了機構規格的定義,因此我們對於骨架的繪製成功與否,往往會決定所設計的機構是否可行,通常進行骨架繪製的人是專案領導人(Project Leader),其他的專案參與人員只能夠遵循領導人(Project Leader)所繪製骨架進行設計工作,其繪製需注意之重點如下:

 1. 決定機構中何者為固定基準,何者為移動基準,並針對固定基準定義出一個絕對原點(通常為相對於地面不動的點,此點也是Pro/E中座標系的原點) ,然後以一些簡單的繪圖物件畫出固定基準的重要界面,固定基準繪出後再進行移動基準骨架繪製,移動基準的骨架與固定基準建立關聯性後(尺寸標註到固定基準上),注意這些尺寸將控制機構的可動性,必須不斷測試是否與所要機構可產生相同的動作。

 2. 針對上一步驟所完成的骨架,也就是將機構大部的外型分別繪在三視圖上,一般稱為Layout設計工作,此時需注意,標註外部骨架的尺寸時,必須標註到相對應的固定基準或變動基準上。以確保將來基準移動時外部骨架也會一起移動。Layout設計的越詳細,以後的細部設計工作就越輕鬆。同時亦需考慮將來骨架要拆散給不同人員進行設計工作時,各次組立間的介面是否清楚易懂。

 3. 骨架為簡化的機構,因此其繪製的原則以能夠代表原零件的特性為主,例如地面可以用Datum Plane表示,連桿可以用Curve表示,轉軸可用Axis或是Curve表示。不論元件的外形如何,只要將骨架繪出,進行先期機構模擬之後,即可於設計進行前先確認此機構是否可行。

 4. 共用零件可以成為骨架的一部份,但是只限於外部骨架,不可用來定義移動基準。或是以單一零件方式組立到各次組立中,使用時將共用件以Map Part方式組立到固定或移動基準上。在Pro_E20版當中新增添了一項對於零件共用性的控制,稱為參照控制(Reference control),將於本文稍後進行介紹。

 5. 骨架可先以part方式單獨建立,完成後儲存起來備用。建立一個總組立,選取component,create,skeleton,copy from,選擇剛才完成的骨架檔,將之附加到新組立的skeleton上。

B. 將機構分割成次組合:

完成骨架繪製之後就必須進行分割次組立的動作,此時將遭遇到的問題是:機構的分割是否明確?分割後的次組立,是否可以只依賴骨架上的資訊進行設計工作?最重要的是想要將那些骨架資訊分割給各單元負責人?過多的資訊將造成混淆,資訊不足又將無法完成設計工作。其分割要點如下:

 1. 分割原則:除了被分割出來的次組立相關之骨架需完全參照之外,介於兩個次組立之間的骨架需要雙方都參考。

 2. 先定出各個次組立應該包含的骨架,在總組立中,再利用modify skel,feature,create,geometry,publish geometry建立出各個次組立的部份骨架群組,這些骨架群組稱為Published geometry。建立群組化骨架的優點是在於方便定義次組立的介面,且將來拆分到其他次組立時將較容易點選。

 3. 建立一個次組立並且用座標系對座標系的組立方式將次組立組合到總組立上,使用modify subassembly,component,create,skeleton,empty,建立一個空的次組立骨架。

 4. 再用modify_ skeleton,選取次組立上剛剛建好的空的骨架,feature,create,geometry,於選單中選擇publish geometry,選擇模型樹(Model tree)上相對應於此次組立的部份骨架群組,將總骨架上的資訊藉此方式參考到次組立上。因為使用的是publish geometry的方式,在次組立中並無法修改骨架,次組立負責人只可單向接受來自總組立的資訊。但在次組立上新增的元件及其變更,可以顯示於總組立上。

 5. 平行等級之間的次組立如果需要分享彼此的設計進度時,可以由總組立當中建立copy geometry的方式來進行。在總組立中先由模型樹找到要複製他人邊界的次組立,按開模型樹並使次組立骨架反白,按下滑鼠右鍵選擇feature, create, geometry, copy geometry,。於對話視窗中選擇要複製的幾何類型,再到總組立上選擇要複製的幾何原素。此時被選中的幾何原素就會自動被複製到次組立當中。

此時幾何原素的選法就很重要,例如曲面可以用一個種子(seed)配合loop surface的觀念來達成同步變更的目的。

 6. 分割後的次組立可再次進行骨架繪製及分割,依照骨架繪製要點及骨架分割要點將骨架再向下擴充一個層級。原則上層級數目越多,其檔案管控就越不容易,但是總骨架也相對的可以簡化(因為總骨架要包含的參數由次組立層級的骨架所吸收)。

C. 將人員分配到各次組合並設定其設計權限:

次組立分割完成後就必須進行人員分工及權限設定,此部分的工作將影響到將來設計工作是否互相衝突,如果權限設定有問題,將造成機構的規格(骨架的架構)會被不相關的人員變更,機構將問題百出。其主要的設定原則如下:

 1. 首先定出專案領導人(project leader),及專案工程師(project engineer)設定相對應之人選及其工作劃分。將已經分割完成的次組立分別放入個別的目錄並交由負責人進行次組立設計。

 2. 此時的次組立開啟之後應可見到由專案領導人所分出的骨架資料,各專案工程師即依此骨架進行設計工作。所有次組立目錄皆放在含有總組立的專案目錄下,設定含有此目錄之電腦為data base。其他電腦為workstation。將data base上的專案目錄share至網路上,每台電腦(含data base)皆mapping至此目錄為相同的一個網路磁碟機。以簡化Pro_E中config.pro檔案下的搜尋徑設定工作。

 3. 設定桌面上Pro_E捷徑的起始位置為所屬的次組立目錄,並將config.pro檔案修改其中包含search-path的路徑,加入專案目錄路徑及各次組立目錄路徑。所有環境設定可放置於Pro_stds目錄下,便於將來的工作環境管理。並設定登入網路後在NT環境下的設定。如果使用NT Server系統可寫login script檔以方便管理。另外要注意,使用標準零件(Start Part)及標準組立(Start Assembly)的快速起始功能時,需將std_part.prt及std_assy.asm兩個檔案放置一份到所屬的次組立目錄底下,或是乾脆於定義快速起始功能時將搜尋的路徑指向Pro_stds目錄底下。

 4. 在每一部電腦上設定所有專案參與人員的帳號,其登入名稱及密碼需每一部電腦皆設為相同。亦可將參與此專案之人員的帳號設定到一個工作群組(work group)中,之後在data base那部電腦上設定各目錄所要掌控的權限。帳號及權限設定完成之後必須使用每一個帳號登入NT系統,並將專案目錄Mapping為同一個網路磁碟機。

 5. 權限設定原則如下:
[$sup2] 專案目錄:專案領導人(project leader) full control
其他人員(everyone) read only
[$sup2] 次組立目錄:次組立負責人 full control
他人員(everyone) read only

6. 測試權限設定是否正確,原則上各工程師只能針對自已所負責的次組立進行設計及修改工作,如果去修改他人的次組立,回存時將出現存取錯誤,無法回存。總骨架及總組立亦只能呼叫出來參考,不能回存。專案領導人對於所有工程師的工作只有檢視權力,但是不可進行修改回存。但是專案領導人可控制總組立及總骨架。

D. 圖檔管理體系:

 1. 當產出之檔案漸多,資料必須釋出至其他部門或其他人進行交流,甚至於版本管制及設計變更管制,共用零件處理等工作,將會逐漸變得更重要,因為參數式的系統中,單一零件的變更很可能自動的影響到其相依的零件,如果在組件設計過程中有加入自動化的參數式運算,很可能變動一個尺寸就造成機構規格及結構的大變動,不可不慎。

 2. 在20版當中另外一個重要的新功能就是前面提出參照控制(Reference control),當設計進行當中,我們常常會設計讓零件可以共用,也許不同的專案但是卻使用相同的一個零件,甚至於在設計過程當中試驗不同型式的零件,此時就必須使用參照控制(Reference control)的設定。

 3. 舉個例子來說,在某個組立當中用到A零件,但是已經預期到將來可能使用A零件在其他機構(因為成本過高或製程過長甚至因為大批量購用較為經濟) ,為防止A零件單獨被拆離開原本產生時的機構時重生(Regenerate)會失敗,應該禁止A零件參考任何一個外部圖元件來設計,此時就可以將A零件的參照控制層級( Reference control level)設為全無(None),這樣一來,我們在設計A零件時標註的尺寸無法參考外部元件上的任何一個圖元。另外一種情況是設計過程中共用他人設計的零件,為了避免將來他人設變時造成自己的組立發生不想要的改變,所以也可以在進行新零件設計時將共用件週邊的零件設為不可參考。

4. 參照控制( Reference control)有4個層級,All,subassembly,skeleton,None。分別控制新元件設計時可參考的週邊環境,設定為All時,此零件將會自動隨著所參考的週邊環境而變化,相反的設定為None時,這個零件是完全可以獨立的個體。subassembly,skeleton的設定代表設計此零件時可參考的是subassembly,skeleton。

5. 所以會跟它所參考的對象同步變動。使用None,subassembly,skeleton的設定時,還可以進一步設定,如果設計過程當中遇到真的需要參考其他元件時的處置方式。你可以選擇如果真有如此情況Copy一份相關參考元件資料到目前元件上或是設定所有參考都是不允許的(Prohibit)。

 6. 使用Pro_E當中的Intralink模組,不僅對於物件版次管理明確,對於整個設計工作的流程皆可進行詳盡的規劃。如設變權限,BOM管制,設計人員權限管制等等,皆可進行完整的定義。

 7. 尤其資料共享的功能,更可以將設計部門所生成的資料傳遞到所有需要的部門。本文所提到的關於存取權限的設定,其實只可以消極的防止設計權限相互衝突,當設計資料的產出漸漸增加時,就無法全面以人為的方式進行控制。基本上如果使用Intralink之後,就可以完整的建立一個同步分工的工作環境。

以下用一個例子說明
這是一個比較簡單的構造,主要是用「Master Part」的方法

這個範例的結構大概如下圖:
最上層是一個 dyx_master 的 ID part,從這裡分出上蓋,下蓋,及開關次組立,(原圖檔只做到上,下蓋關連而以),而開關次組立中又有 7 個小零件
請注意下圖,這個由上而下的流程是很重要的,也就是 ID part 是完全獨立的,沒有參考任何東西,且零件之間最好也不要互相參考,如上蓋參考下蓋,按鍵又參考上蓋等,雖然在設計階段不會發生什麼問題,如果忘記參考關係的話,就會很麻煩了,最後的目標是外觀一旦改變,上下蓋都能跟著改變,開關大小改變,所有的相關配合也一起改好,而不會發生特徵失敗的現象

開始流程:
1. 先做出 dyx-master 的 ID 圖,細部的修飾
如小導角,鑽孔..,以及沒有配合關係的先不畫上
2. ID 圖可以是曲線,曲面,或實體,就看外觀的狀況
其實這個 ID 也可以用實體來表示
3. 畫出零件的配合位置,上下蓋可以用曲線,或曲面
開關處直接用曲線就好了
4. 個別為上蓋,下蓋,House 開三個新檔案
最好都有樣板檔,有三個參考面及一個座標軸
5. 上,下蓋的第一個特徵就是:ExtCopyGeom(外部複製幾何)
把需要的曲線,曲面都從 ID 圖中拷貝過來
6. 結果

 

舉例@滑鼠
A. 外觀設計:
設計師可以先將手稿、PU或黏土模型的照片,放到skeleton model裡,並在其內利用curve定義外觀的大小,然後在接續進行外觀設計,當修改外觀時發生fail的狀況時,不會馬上影響到機構設計,ID可先自行慢慢解決問題。
B. 機構設計:
1. 可將ID.prt直接放入skeleton model,或者利用external copy geometry將外觀copy到skeleton model,以斷絕與ID.prt內feature的父子關係。(有時可節省一些重生的時間或減少feature的數目或model size)
2. 在skeleton model可利用curve或其他datum來定義重要零件的位置或大小,如switch、IC、ball、optical module、pcb等等。
3. 在assembly建立上蓋、下蓋、按鍵等part。(但part內是空的)
4. 利用copy gemoetry將外觀surface或其他需要的datum複製到各part內。
5. 長成實體後,將各個part內不需要的外觀部位去除,就完成了拆件。
6. 建立機構時,重要零件可參考skeleton model或從其複製的datum。當重要零件並變更位置時,零件的feature也會跟著移動,並且不易有交互參考的狀況發生。當修改修外觀時,不會直接影響到機構設計。即使外觀做的修改幅度大,也仍有機會解父子關係,並regen成功。
其實像mouse、PDA、modem、hub之類消費性電子產品,Top_down Design的運用依然有限,因為這些機構大部分都可一人獨自完成。
舉例@NB
1. 其實NB的大致流程和mouse差不多,但skeleton model重要性就更明顯,因為NB零組件較多,且需分工進行設計。
2. 可以在skeleton model定義外觀,並且可以利用cruve或其他datum來進行初步的layout。例如cd-rom、hd、battery、keyboard、IO port、散熱module等等的位置及空間大小和其間的組立關係。(在skeleton model內,可只用curve或surface所繪製的立方體或簡略的骨架來定義零件即可)。
3. 完成基本的架構後,team內的engineer在各自就負責的組件,如本體上蓋、本體下蓋、面板、散熱module等等分別進行設計。
engineer只需skeleton model就可了解產品的主要架構,而skeleton model就是其共同的外部參考。
4. 設計時也不需將所有的組件打開,可以節省繪圖和重生時間。
當發生設計變更時,leader只需修改skeleton model,各組員就能自行check是否有問題發生,並且可以同步update model。
舉例@運動結構
1. 例如一個簡單的連桿結構,可以在skeleton model利用curve定義連桿的長度,利用axis定義連桿之間接合的樞軸,利用curve或surface定義連桿的運動範圍或組立位置。
2. 當你需要變更連桿長度或者變動位置時,只需修改skeleton model即可,當然前提是設計的組件必須都對skeleton model做共同的外部參考。

引用於此

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