應用PTC Creo自頂向下方法進行變壓器的設計

鄒炳輝

（廣東省人力資源社會保障廳職業技能鑒定中心，廣東廣州 510115）

1 概述

1.1 PTC Creo軟件概述

PTCCreo是美國的參數技術公司（Parametric Technology Corporation，PTC公司）的產品，在1988年被發布。PTC Creo是PTC的集成了3D CAD/CAE/CAM的解決方案;易學易用、功能強大、互聯互通，是PTCCreo的優點。作為PTC的產品開發系統的核心設計產品，PTCCreo詳細描述產品的外形、結構和功能。30多年來，經歷20多次的改版，已經成為了中國地區乃至世界范圍內最普及的3D CAD/CAM系統的標準軟件，能夠廣泛應用于機械、電子、工業設計、模具、汽車、家電、航空航天、玩具等行業。功能應用包括實體與曲面設計、零件組裝、二維繪圖制作、模具設計、同步工程、逆向工程等。目前CREO最高版本為PTCCreo Parametric 3.0 M030，是具有單一的數據庫功能的綜合性MCAD軟件。從概念設計到模具開發和加工，利用其無縫的WEB連接性，協同產品設計團隊能訪問所需的資源、信息和功能。PTCCreo已經成為世界范圍內三維建模軟件的領頭羊，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。

1.2 基于PTC Creo的自頂向下設計

自頂向下設計是一種逐步求精的設計的過程和方法。對將要完成的設計進行分解，首先對最高層次中的目標問題進行定義、設計，將其中未能解決的問題作為一個子任務放到下一層中去解決。像這樣一層一層、逐一地定義、設計、繪制和檢測，直到任意層次上的問題均得到解決，就能設計出來有層次有結構的組件造型。進行自頂向下的設計方法時，設計師利用骨架模型和數據共享功能規劃出裝配的框架，從而實現真正意義上的自上而下設計；在子裝配及組件之間發布和控制設計界面，創建單向相關模型，從而能夠繼承父模型的變更，然后對新模型進行更改。

1.3 自頂向下設計原理和優勢

一個產品的設計過程是從概念設計開始，逐步完善細化，結構設計，驗證分析等的復雜過程，使用自上而下的設計工具，能夠輕松規劃出裝配的骨架，而各元件就可圍繞整體框架進行設計。這樣，管理組件之間的各種關系的復雜性就得以簡化。PTCCreo軟件還便于在多個設計團隊之間同時共享關鍵幾何特征，以及使用默認包絡等工具簡化大型裝配。可以用包含較少細節的實體零件來輕松表示包含許多對象的設計裝配，以便減少檢索的對象數和加載次數。

PTCCreo提供高級裝配功能（例如骨架模型和數據共享功能），以支持自上而下設計。可以輕松地將與裝配相關的標準傳遞給同時執行設計工作的團隊。

基于PTCCreo的自頂向下設計主要優點如下。

（1）通過簡化大型裝配改善性能。使用自上而下設計工具可構建骨架模型以及共享下游設計意圖，從而提供了更大的靈活性和更強的整體結構控制能力。

（2）所有修改都會自動從設計信息傳播到制造信息，因此設計者可以自信地進行設計變更。

（3）有效處理模型能夠更快地提供更優質的設計質量，并可在將來重復利用產品設計。

（4）快速有效地按照客戶的獨特需求自定義產品。

（5）支持公司主動按訂單設計或制造，并且比競爭對手更快、更低成本地向客戶提供更優質的自定義產品。

圖1 骨架模型

（6）在多個設計師之間高效協調設計意圖，做到并行開發產品。

（7）高效創建工藝說明，同時能及早發現制造錯誤；管理并控制參考和依賴關系。

1.4 自頂向下設計與自底向上設計方法的區別

兩種方法的區別如圖2所示。

2 變壓器自頂向下詳細設計步驟

變壓器自頂向下詳細設計步驟如圖3所示。

（1）概念設計

在產品設計初期，使用PTC Creo中的布局Layout功能生成2D設計以在PTCCreo Parametric中構建3D模型，PTCCreo Layout是一種易于使用的2D CAD應用程序，它可以使產品設計團隊以2D形式創建詳細的概念，包括尺寸和注釋等信息，然后使用相同的2D數據輕松地生成同樣詳細的3D模型。通過將此過程自動化，可以確保以無縫方式連續更新所有的CAD可交付結果。通過使設計團隊能夠從他們的原始2D概念直接創建3D模型，無需將CAD系統或2D數據交付于3DCAD專家，從而節省時間以及減少錯誤。設計團隊能夠充分利用2D數據生成可準確反映原設計意圖的完美3D模型。

圖2 TOP-DOWN與BOTTOM-UP的比較

（2） 定義初期產品結構（BOM）

設計產品的結構能夠創建和驗證3D模塊化產品組件，無論組件復雜度如何。通過創建可重復使用的產品平臺，以及定義它們如何接合和裝配，設計師可以快速創建和驗證任何特定于客戶的產品。設計師可以檢查精確的質量、重心等特性，甚至可以檢查和解決像干涉之類的重要問題，從而驗證產品的設計。在與PTCWindchill軟件配合使用時，制造商可以生成和驗證由單個物料清單(BOM)定義的、準確的產品配置3D表示形式。

（3） 定義整體設計意圖

三維骨架模型是產品設計的總規劃，用來幫助處理大型的組件工具。面向三維設計的“頂層骨架”概念。用以支持在三維設計環境下設計信息的動態傳遞。骨架是功能強大的工具，可以使用它們來創建裝配設計的3-D布局或框架。骨架可以充當幾何與裝配元件的公共參考源。對骨架所做的任何編輯都會自動地將已裝配的元件更新為利用共享幾何的骨架和元件。

骨架通常用于執行下列操作：為元件創建空間聲明；

在元件之間創建界面與位置參考；

在元件之間提供運動——通過修改骨架尺寸或使用機構連接。

骨架是指定了特殊屬性的元件。創建時，骨架會自動變為裝配的第一個元件，以使每個后續元件都可以參考它。骨架不會影響裝配的質量屬性，無論在其中創建的幾何是什么亦是如此。此外，骨架也可以在裝配中很容易地識別，這是因為默認分配的藍色有助于將其與其他裝配區分開來。

骨架通常包含各種基準特征，例如基準平面、軸、點及坐標系。骨架通常也包含草繪與曲面，來表示將要在元件中創建的幾何。雖然并非很常用，骨架確實可包含實體幾何，但是只能共享實體的曲面。

圖3 變壓器自頂向下設計步驟

（4） 設定參考相關性

當骨架或布局變動后，則組件也會自動再生，如多個元件都需要進行重大更改（例如：整體長度更改），可修改骨架，將編輯內容傳播至每一個共享骨架幾何的元件。

（5） 傳遞設計信息

最頂層的設計相關信息，比如重要的空間位置和裝配位置需求，可以通過布局中的聲明將此信息傳遞到子裝配(或子組件)和零件中去；Top_down design過程其實就是設計數據傳遞和管理過程，利用PTCCreo的發布幾何功能的方法，子裝配及零件就可以接收復制幾何，從而達到頂層設計信息傳遞。

（6） 零件或子組件的詳細設計

在后面部分的設計中，可以直接在子組件環境下進行零件設計，設計時可以運用骨架傳遞下來的信息進行下面的詳細設計，及在組件模式下創建元件，其中可以利用PTCCreo自身功能創建選項中的，復制現有、定位缺省基準、孔、創建特征進行零件元件詳細結構設計。

變壓器自頂向下設計的完整的TOP_DOWN DESIGN概覽如圖4。

3 基于CREO的自頂向下設計進一步研究（模塊化設計）：

圖4 TOP-DOWNDESIGN概覽

（1）產品自頂向下設計已經取得了一定的成果，進一步的研究方向就是利用PTC Creo Op?tions Modeler Extension(OMX)能夠創建和驗證3D模塊化產品組件，無論組件復雜度如何。通過創建可重復使用的產品平臺，以及定義它們如何接合和裝配，設計師可以快速創建和驗證任何特定于客戶的產品。設計師可以檢查精確的質量、重心等特性，甚至可以檢查和解決像干涉之類的重要問題，從而驗證產品的設計。在與PTCWind?chill軟件配合使用時，制造商可以生成和驗證由單個物料清單(BOM)定義的、準確的產品配置3D表示形式和PTCCreo中的變體設計。PTCCreo提供了不同的策略來實現裝配中的替換，比如使用族表零件、參照模型、復制模型等模塊化變型設計。

（2）模塊化設計功能和優勢

1）通過在設計階段的早期在3D下創建和驗證產品平臺，縮短設計周期。

2）通過直接重復使用PTCCreo中的3D模型和PTCWindchill中的各個物料清單(BOM)，減少過程錯誤和工程返工。

3）通過定義公共的體系結構和產品平臺自動創建任何產品，并幫助管理這些產品的接合和裝配方式。

4）通過自動完成本來要使用大量人力執行且易于出錯的任務，更早地優化產品。

圖5 變壓器模塊化設計

5）通過改進與客戶、供應商和同事的溝通，提高設計和工程生產效率。

（3）變壓器的模塊化設計

模塊化設計概覽如圖5。

益處：1）提升模型的使用柔性；2）降低設計過程數據的冗余；3）可按模塊進行并行設計；4）大幅提高模型的利用率

（4）模塊化設計的規劃

如圖6所示，按照產品結構的特點，劃分子裝配形成獨立的模塊；

根據不同的模塊的特點，將模塊進行分類，不同類型的模塊采用不同的模型裝配和建構方法；

模塊間的配合，僅通過其父項預定義骨架的裝配接口實現；

最小模塊內的零部件的裝配及幾何尺寸關系僅關聯于本模塊內的其他對象，與模塊外的對象形隔離。

4 結束語

在變壓器的開發設計中，利用了PTCCreo的自頂向下設計方法，實現了產品控制結構和產品裝配分離的并行工程，此外利用了PTCCreo高精密度的數字化模型具有全相關性，從而使得在任何地方所做的產品變更無論在哪里都能更新交付數據。

［1］《PTC@NEWS》PTC中國用戶通訊［Z］.參數技術（上海）軟件有限公司，2014.