突破电子产品研发瓶颈：3DE CATIA基于知识工程的Top-Down高效设计实战

CATIA作为一款CAD/CAE/CAM软件在航空、船舶、汽车等行业已经有了较长时间的使用和迭代，依靠其强大的曲面建模及知识工程能力，在很多产品的研发环节中都扮演了较为重要的角色。本文旨在说明如何使用3DEXPERIENCE CATIA进行电子类产品的设计，主要包含以下内容：

·?电子类产品结构特点介绍

·?使用3DE CATIA建模的优势和特点

·?使用3DE CATIA绘制电子类产品模型的一般过程

01、电子类产品结构特点介绍

电视机、手机、PAD等电子产品相较于汽车、飞机等大型工业类产品而言，具有研发周期短、物料类型及总数量较少、内部空间利用率高等特点。而电子类产品中比较有代表性的部件（例如面板、音箱、摄像头等）都有着较为成熟的解决方案，所以日渐“红海”化的市场也就对电子产品研发厂商提出来新的差异化需求。基于此，各家厂商基本上都是在扩大尺寸、提升配置、优化ID外形等方面发力。极致的堆料也就对产品的结构设计、硬件布置等方面提出来新的挑战。如下图所示为某品牌电视、手机的拆机内部实拍图：

图1：某电视、手机内部实拍图（来自网络公开资料）

可以看到：主要的电子设备类型并不多，因此电子产品研发过程中最需要解决的问题就是设备件的堆叠，以及基于电子设备件的定位需要，调整背板和后壳的局部结构。

02、使用3DE CATIA建模的优势和特点

3DEXPERIENCE是达索系统研发的集设计、仿真、工艺等PLM活动为一体的集成性平台，简称3DE。其中“设计”板块继承了CATIA V5时代的所有优势，同时又基于同一数据库的交互形式，将整个平台中的数据真正做到了“单一数据源”的模式。此处我们仅以CATIA品牌为例，说明使用3DE平台进行产品研发时的一些主要优势和特点。

1)?优秀的曲面建模能力

3DE保留了CATIA V5中优秀的曲面建模能力，提供了诸如【创成式外形设计】、【自由曲面建模】等曲面建模模块，用户可以轻易的创建出不同连续性要求的曲面，即使是基于第三方工业设计软件绘制出的ID模型，3DE也可以实现曲面拟合，满足产品外形需要。

2)?基于知识工程工具，可以将企业的研发知识进行封装重新利用

3DE提供了一整套的知识工程工具，包括知识工程模板的设计和调用、参数化建模并实现同一模型的不同状态配置、使用EKL语言创建专用的校验规格实现自动检查等。用户可以进行模型的全参数化创建，并且通过利用规则、检查等工具实现关键特征的自动校验。对于重复出现的特征，可以创建为知识工程模板以供企业内部重复调用，缩短建模时间。

3)?基于“发布”机制，可以轻易实现参考数据的替换和更新

3DE独有的“发布”机制，可以实现参考数据与设计数据的手动连接与断开，发布（Publication）元素的存在，使得骨架元素可以与详细设计特征之间存在一定的缓冲，而且使用发布元素进行装配的零部件之间可以实现无缝切换，替换后系统会自动关联发布元素之间的链接。

03、3DE CATIA绘制电子类产品模型的一般过程

由于电子产品的结构特点，以及研发周期较短等限制，使用3DE进行产品结构设计的主要发力点就需要放在“快速”以及“便于调整”这个方向上。从结构设计的角度来说，电子类产品研发一般遵循以下业务流程：

图2：产品研发业务流程图

其中，耗时最长的阶段为结构件详细设计，主要有以下原因：

·?后壳结构件设计时需要考虑ID外形及安全、法规等要求，而ID外形在研发过程中又可能会发生调整，因此这是一个不断试错又需要瞻前顾后的过程；

·?背板等结构件在设计时需要根据设备的布置调整局部结构，例如背板一般作为钣金件，上面分布着若干规格类似甚至相同的局部凸包、加强筋等结构，这些结构需要与设备件进行匹配或者避让，而设备的位置改动必然会造成背板特征的调整；

·?基于散热和美观等要求，在外部结构件上会存在许多局部重复的条纹或孔状结构，按照传统的设计思路，这些局部结构在进行绘制时需要花费大量的时间进行逐一绘制，费时费力。

因此，如果可以打通“ID外形→设备→结构”之间的数据流问题，使得单一数据的调整可以驱动其他后续设计特征的被动调整，同时结合模板化设计，就可以极大的缩短研发周期。

1） ID外形的引用和修改机制

电子类产品件设计的结构树可参考下图：

图3：电子产品模型结构树示意

其中ID外形节点的Physicial Product节点被分配给造型设计工程师，用于在产品研发初期基于立项资料进行ID模型的创建。整机模型设计节点被分配给整机结构设计总布置师（有的公司可能因为业务特色没有此角色，可以直接分派给结构设计工程师）。接下来我们通过一些关键步骤的演示，来说明一般设计过程的重点步骤。

ID外形的设计遵循造型部门的技术资料要求即可，使用3DE平台的高阶曲面或自由曲面等APP完成曲面设计如图：

图4：ID外形设计结果

设计完成的结果最好按照一定规则进行“拆件”，将造型曲面按照前、后、左、右等规则拆分为几个关键特征。

此时，ID设计师需要激活Physicial Product节点，将ID外形设计结果发布，便于设计师引用：

图5: 发布ID外形拆件结果

结构设计师在ID初步设计完成后就可以基于已发布的资料进行整机结构的初步设计，采用选择性粘贴的形式将ID发布元素作为外部参考：

图6：带链接复制外部参考

使用带链接粘贴的外部参考进行设备的初步布置，当参考元素的源数据发生了改变时，可以采用以下方式进行修改。

方式一：造型设计师直接修改原始发布元素的指向数据；

图7：修改发布元素的指向数据

如上图所示，ID设计师可以在产生新的拆件结果后直接修改发布元素的指向路径，以调整结构设计师的引用基准。

方式二：结构设计师在模型设计节点内部替换外部参考元素；

图8：替换参考元素

结构设计师也可以在研发任务进行到某一环节时，直接替换基准元素的外部参考数据，这样可以在设计节点内部直接调整设计参考而不影响外部输入。

ID外形设计这一业务场景在3DE CATIA中应用的关键难点在于：电子产品的外形设计阶段更强调艺术性、美观性和差异性，突出的是不同公司对于产品的理解和对于“美”的表达，而对于曲面质量和数据的参数化却没有过多要求，这样就造成了外形设计结果无法直接转化为结构设计的输入，从而导致ID造型的迭代难度加大，过程耗时耗力等特点。基于CATIA提供的多种自由曲面建模APP，可以保证“ID造型→结构设计”的数据流畅通，避免不必要的数据转换和曲面修复工作。同时，CATIA的发布机制（Publication）可以保证驱动模型与被驱动模型之间不会直接“接触”，而是通过发布元素产生保持联系的同时又留有缓冲的效果，便于数据的替换和调整，这一点也可以很好的对数据流程产生积极影响。

2）部件的模板化和重复利用

3DE CATIA继承了CATIA V5强大的知识工程能力。可以基于模块化建模思路将整机层面、物料层面、特征层面的重复性节点进行归集整理，创建成企业级的设计模板。这些模板在未来的设计环节中只需要根据实际场景实例化后适当调整（甚至不需要调整）即可满足要求。例如电子类产品后壳内部存在大量boss柱结构，这些特征基本上比较相似，可以将一般特征提取创建为知识工程模板，存放在Catalog中，在实际设计场景中只需要对boss柱进行定位及数量布置，然后执行模板实例化即可。

特征的模板化牵扯到的概念较多，这里我们不过多赘述。一般而言，公司级别的特征模板创建，建议设置为UDF或者工程模板。UDF用于封装特征级别的模板，而工程模板用于封装零件或者装配级别的模板。此处以UDF为例，将BOSS柱绘制为参数化模型，封装时设置好输入条件：

图9：封装UDF示意

将封装完成后的模板存放进入研发知识库Catalog，以便调用；

图10：UDF入库

完成以上内容后，结构设计师就可以在自己的设计环境中进行Boss柱模板的批量调用，并根据调用的结果基于需要临时调整关键参数，下面通过一个简单的视频说明这个过程；

视频1：批量实例化模板

当然，也可以通过EKL语言编写知识工程工具，来自动执行批量化模板，如下：

视频2：使用知识工程EKL工具批量实例化

可以看到，对于大批量重复性特征的建模任务，3DE CATIA可通过知识工程实现高效率的处理，这对于产品后壳、背板这类结构件来说是十分有利的。

3）结构件的Top-Down建模制

实际上，Top-Down建模方法（也称为骨架建模法）是一种建模思路，并不局限于使用某一种三维软件。而3DE CATIA的系统对象为Top-Down建模方法提供了更为灵活更为稳定的支撑。所谓骨架建模法，必然是要从系统全局考虑，首先将关键性的全局参考提炼出来进行统一布置并发布，然后下层专业基于这些骨架元素进行详细设计。这里的关键性全局参考没有统一的定义，针对于不同的行业也可以适当调整。

例如，交通运输行业或工程机械行业，一般会有“车架”这一关键承重件，而总布置工程师也会选择底盘车架的横纵梁位置、发动机悬置安装位置、流体专业/电气专业与结构专业之间交互的位置（例如接头、电路管夹）等作为全局参考统一布置。而对于电子类产品来说，显然专业没有那么多，因此可以按照不同专业的配合点或配合面进行布置，比如背板上安装电子设备的凸包；也可以按照全局的关键定位尺寸布置，比如天侧、地侧以及前后侧等限位面。

当然，实际的建模业务是需要结合公司的组织架构、专业分工、便于协同等因素来综合考虑的。我们建议骨架可以涵盖上述的两个主要部分：即全局关键尺寸和不同专业之间交互的配合部位。如下图所示，电子类产品结构的一般骨架可以分为两层：

图11：骨架示意

T1骨架属于总布置工程师角色，此节点承接了ID外形拆件后的发布元素，并在其基础上规定了整台电子类产品模型的全部关键尺寸、及各专业之间配合的关键位置和配合样式。T1骨架发布后，各专业详细设计引用，并基于此进行细化，创建属于各专业内部的详细设计骨架，这里我们称之为T2骨架。这样可以保证各专业内部的建模严格遵循“自顶向下”，同时又保证了专业之间的配合在总布置工程师所有权下，避免不必要的无效沟通降低研发效率。数据之间的传递流如下图所示：

图12：骨架数据流说明

基于骨架设计的好处就是便于研发过程中的模型调整，下面通过一个视频示意骨架驱动模型自动更改的过程：

视频3：骨架驱动模型调整

在视频中，我们模拟了ID外形工程师由于某些原因调整了整机的宽度尺寸，此时由于结构件专业内部的背板和后壳均基于ID外形发布的骨架进行带链接设计，因此当激活结构树根节点并更新连接关系以后，可以观察到设计结果中的模型也会自动更新，这种基于同一结构树进行的全专业协同设计，是3DE平台的专有优势。

实际上，在第二部分中我们基于已有参考批量实例化UDF的过程中也是用到了骨架的概念：可以把参考元素中的定位点和直线理解为骨架，系统基于这些骨架调用模板自动完成了接下来的BOSS柱设计任务，而实例化完成后，如果我们执行参考元素的替换或者坐标调整，也会驱动实例化以后的模型自适应发生改变：

视频4：参考点驱动模板实例化结果更新

?总结：

从上面这些示意我们可以看出：3DE CATIA的单一数据源特性、优秀的模块化建模能力以及全专业协同的可行性与电子类产品的结构和设计场景是比较契合的。3DE平台支持从“ID外形→元器件堆叠→结构设计→PCB设计→CAE仿真→工艺仿真”的全要素设计分析能力，并且基于内嵌的知识工程工具可以进行一定程度的设计提效，这些都可以很好的满足企业需求。我们也相信在智能设计、智能制造的驱动下，会帮助更多的企业激发内在潜力，完成技术优势积累，实现产业升级！