摘要：根据移动BOM研发周期短、研发迭代次数多的特点，本文将自顶向下（Top-Down）设计方法应用于地铁移动BOM的设计。该方法通过概念设计、WAVE技术、参数化建模和工程图的联动，有效提高产品的可修改性，减少重复设计时间。实践证明，该方法较传统设计方法节省设计时间30%以上。
关键词：自顶向下（Top-Down）；移动BOM；结构设计；3D打印
1 引言
产品设计过程是一个复杂的创造性活动，产品设计从根本上决定着产品的内在质量和生产总成本。运用自顶向下（Top-Down）设计方法可以充分发挥设计人员的设计潜力，最大限度的减少设计阶段不必要的重复工作，大大提高设计效率，减少新产品的设计研究时间。
2 移动BOM结构设计需求
移动BOM（即移动式半自动售票机）用于城市轨道交通售票及票卡处理，通过无线接入网络，可灵活放置在票亭或手持在车站其他位置进行票务业务办理。能够提升车站售票和票务业务办理能力。
在结构上，小巧、美观是其外形特点，便携是其使用需求，这就需要进一步压缩移动BOM的结构尺寸，使其更加小型化、轻量化，减小外形尺寸和重量。
3 结构设计的思路
3.1外观设计思路
产品的外观直接代表了产品的定位，一个好的外观设计将决定其被接受和喜爱的程度。移动BOM由站务人员使用，直接面向乘客，传递了地铁的客服质量，所以其外观设计显得尤为重要。移动BOM采用了市面流行的平板电脑样式，需要配置一块10.1英寸的全贴合液晶触摸显示屏，为了读取票卡，需要设置用于安放票卡的装置。
3.2 内部设备布局思路
布局的合理性对产品的使用起着至关重要的作用，特别是电子产品。紧凑的布局可以提升内部空间利用率，有效的减小外形尺寸；规范的布局可以有效提升安装电池的空间，提升续航能力。同时还需要考虑功能方面的需求、散热的需求、内部接线的需求、重量分配均匀性的需求等。
初步形成的方案并不是最终的，内部布局伴随着尺寸控制，特别是高度方向的尺寸，将发生很大变化。这是不断压缩产品尺寸，进行内部设备堆叠、拆分、调整，不断优化布局造成的。
3.3设计方案确定
移动BOM外观、内部布局进行大致方案确定后，我们已经建立了自顶向下过程中的“功能设计方案”“装配设计关系模型”，然后详细的零件设计和装配体设计并没有开始，接下来结合产品功能要求对零件和装配体进行详细设计，并在这个设计过程中对“功能设计方案”“装配设计关系模型”不断进行调整，最终完成产品设计。
3.4详细设计问题解决
在详细设计过程中遇到的最大问题是局部元器件超高以及空间受限，以下对这两方面问题进行详细介绍。
3.4.1局部元器件超高
移动BOM选用的电池尺寸为115×115×11.5mm，液晶触摸显示屏厚度为4.6mm。由于电池和显示屏尺寸压缩的技术难度较大，两者厚度相加为16.1mm，同时考虑到安装间隙要求等因素，最终确定将移动BOM厚度设计为17mm。然而在17mm的设计标准下，内部出现了设备超高，位于读写板上的SAM卡卡座。
SAM卡卡座位于读写板上，高度13.2mm，解决方案是取下原有6卡位SAM卡卡座，设计一个四卡位卡座安装于读写板一侧，并通过连接板与读写板连接。重新设计的SAM卡卡座可以结合剩余空间设计，提升了空间利用率。
3.4.2空间受限
移动BOM内部包含读写板、电池、指示灯、电源开关、卡槽、天线板、5GWIFI模块、二维码读头、接口板、高清显示板、主板、硬盘等元器件以及各元器件连接线，在选型上已经是体积最小，自身尺寸无法再进行缩小。为了在有限的空间内安装下所有元器件，只有将高清板和硬盘进行了堆叠布置，最终将外形长度和宽度控制为260mm和200mm，高度控制为17mm。
4 自顶向下设计方法实例
移动BOM的结构设计采用UG完成，UG是这是一个交互式CAD/CAE/CAM系统，它功能强大，能够为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。
UG的建模模块包含了多种自顶向下设计实现方法，通过装配工具条可以轻松实现新组建的创建、父对象的创建等；通过导航器，可以清楚的管理各子装配和零件之间的层次关系。通过WAVE几何链接器可以轻松实现部件间图形元素的关联，这些图形元素包含曲线、面、实体等。通过表达式工具不仅可以创建本部件内各控制尺寸的表达式，还可建立各个部件间的尺寸关系，从而实现了部件间尺寸的关联和联动。
4.1通过WAVA实现电路板安装座的设计
电路板安装座位于移动BOM壳体之上，用于固定各个电路板，属于零件级别的特征设计，而在设计过程中，电路板的安装位置往往会发生多次变化，从而导致安装座的位置变化。根据自顶向下的设计思路，为了减少重复设计，可以“引用”电路板安装孔进行壳体设计，这就用到了WAVA工具。通过WAVA，电路板的布局发生变化或者安装孔尺寸改变时，壳体上的安装座会自动进行调整。
图4-1安装螺柱的WAVE链接设计
4.2 样件3D打印
移动BOM结构设计完成后，生成了最终的三维模型，再通过3D打印机打印出了壳体的塑料模型。以此模型作为样件，实现了移动BOM的预装配，实现了设计的验证。
图4-2 3D打印模型
5 完成加工图纸绘制
在确定样件合格之后，开始绘制工程图纸，用于机械加工。工程图与产品三维模型有效联动，修改三维后，工程图自动更新，相比传统工程制图方式有了质的提高。
图5-1 工程图纸
6 总结
本文论述了自顶向下方法在产品设计过程中的作用和意义，并通过UG软件实现了自顶向下设计方法的应用。结合这种方法完成了移动BOM的结构设计，在设计过程中解决了布局空间受限、元器件尺寸超高等难题，有效减少了重复设计次数和研发迭代时间，节省设计时间30%以上。
参考文献：
[1] 闻邦椿.机械设计手册.机械工业出版社，2010.
[2] 胡兆国.机械加工基础.西南交大出版社，2007.
[3] 傅水根.机械制造工艺学基础.清华大学出版社，2011.
论文作者:刘亚军,周兴,李圆圆
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：尺寸论文; 布局论文; 卡座论文; 结构设计论文; 方法论文; 电路板论文; 模型论文; 《基层建设》2019年第5期论文;