基于Creo的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)Top-Down設(shè)計(jì)

孟曉寧 劉國(guó)威 劉曙光

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)是專(zhuān)用于隧道建設(shè)的工程機(jī)械，具有開(kāi)挖切削土體、改良與輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能[1]，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，是衡量一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)水平和能力高低的重大關(guān)鍵裝備。

盾構(gòu)功能的完善決定了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，若采用傳統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)，即使設(shè)計(jì)師使用Creo的參數(shù)化設(shè)計(jì)建模，各部件間也難以做到協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，并存在大量的重復(fù)性操作，同時(shí)，由于模型間邏輯參考復(fù)雜，致使后續(xù)設(shè)計(jì)變更困難，實(shí)現(xiàn)不了真正意義上的參數(shù)化建模，無(wú)法保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

Creo軟件是美國(guó)PTC公司基于特征參數(shù)化設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。Creo的Top-Down（自頂向下）設(shè)計(jì)工具可以準(zhǔn)確有效地將設(shè)計(jì)意圖自頂向下傳遞，實(shí)現(xiàn)上級(jí)對(duì)下級(jí)的控制，具有解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品具有較好的可修改性、可實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、有效傳遞控制設(shè)計(jì)意圖、快速產(chǎn)品變型等優(yōu)點(diǎn)。利用該工具完成土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的整機(jī)參數(shù)化建模，可有效控制整機(jī)參數(shù)、實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)后期修改時(shí)間。

1 Top-Down設(shè)計(jì)方法

1.1 設(shè)計(jì)工具

Top-Down是一種設(shè)計(jì)思想，一種自上而下、逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)過(guò)程，其設(shè)計(jì)工具有：Layout布局、Skeleton骨架、發(fā)布幾何、復(fù)制幾何等。

Layout布局以2D的形式表達(dá)產(chǎn)品的大致結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)定義關(guān)鍵尺寸和主要設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)2D與3D的設(shè)計(jì)集成。Skeleton骨架是設(shè)計(jì)的框架，用來(lái)定義產(chǎn)品的外形輪廓、系統(tǒng)間接口、空間定位等，頂級(jí)設(shè)計(jì)信息放置在頂級(jí)組件的骨架模型里，按需將信息分配到合適的子組件骨架。復(fù)制幾何是在部件骨架中使用拷貝外部幾何的方法繼承總體骨架中創(chuàng)建的發(fā)布幾何，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[2]。

1.2 設(shè)計(jì)流程

Top-Down設(shè)計(jì)的典型流程主要分總體設(shè)計(jì)階段、部件設(shè)計(jì)階段和總體裝配階段。總體設(shè)計(jì)階段的任務(wù)流程為：創(chuàng)建產(chǎn)品總裝配；創(chuàng)建產(chǎn)品總骨架；創(chuàng)建基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系、曲線、曲面等特征，完善骨架；創(chuàng)建布局文件，并在骨架模型中聲明，建立驅(qū)動(dòng)關(guān)系（也可直接在總裝配模型中建立參數(shù)和關(guān)系式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)）；針對(duì)不同子部件發(fā)布幾何。部件設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)有：創(chuàng)建次級(jí)裝配及骨架；打開(kāi)次級(jí)骨架，外部復(fù)制總體發(fā)布的幾何，按坐標(biāo)系對(duì)齊；細(xì)化設(shè)計(jì)次級(jí)骨架；返回次級(jí)裝配，建立所屬零部件（參考同級(jí)骨架模型）。總體裝配階段是指打開(kāi)產(chǎn)品總裝配，采用坐標(biāo)系對(duì)齊的方式安裝各次級(jí)裝配。

1.3 設(shè)計(jì)原則

產(chǎn)品在利用Top-Down參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)有大量的參考關(guān)系，若設(shè)計(jì)理念不明確、設(shè)計(jì)過(guò)程不規(guī)范，會(huì)使模型的參考關(guān)系混亂，繼而導(dǎo)致產(chǎn)品修改困難、再生失敗、循環(huán)參考、原始的設(shè)計(jì)意圖意外變更等。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)掌握以下原則[3]：頂級(jí)骨架模型不參照任何其他模型，是一切控制參考的源頭；子裝配通過(guò)坐標(biāo)系僅和上級(jí)骨架模型裝配，不參照非骨架模型；子裝配中的骨架僅參考上級(jí)骨架或聲明布局，不參照非骨架模型；子裝配中的零件僅參考本裝配內(nèi)部的骨架，不參照子裝配以外的模型；零件和零件之間盡量不互相參照，盡量都只參照本子裝配內(nèi)的骨架，如果必須參照，只允許后來(lái)的零件參照前面的零件；部件設(shè)計(jì)時(shí)只打開(kāi)本部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不在頂級(jí)裝配中修改子裝配或零件。

2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)Top-Down設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定設(shè)計(jì)意圖、明確產(chǎn)品架構(gòu)，這樣才能更好地掌握產(chǎn)品總裝及其部件間的關(guān)系層次和空間布局，以建立合理的骨架模型，保證產(chǎn)品相關(guān)性、一致性。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其零部件的組成情況復(fù)雜，數(shù)量巨大，按照盾構(gòu)機(jī)的組成原理和工作結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及機(jī)械連接不可拆卸原則把盾構(gòu)機(jī)劃分成如圖1所示的層次樹(shù)型邏輯建立盾構(gòu)機(jī)模型[4-5]。

層次樹(shù)形中，頂層即為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)總裝配，總骨架建立在該層；第一層為整機(jī)的直屬部件，每個(gè)部件可單獨(dú)建立裝配和所屬骨架，該骨架將總骨架中的發(fā)布幾何復(fù)制過(guò)來(lái)，完成參數(shù)傳遞；第二層為第一層部件的直屬零部件，可視其復(fù)雜程度選擇直接在上級(jí)部件中建立或單獨(dú)建立；依次往下直至第N層完成整機(jī)設(shè)計(jì)。另外，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重零部件、特征、參數(shù)等命名的規(guī)范性，做到清晰、有序、便于管理。

2.2 整機(jī)裝配和總骨架建立

新建總裝配100-000-000-000.asm和所屬總骨架100-000-000-000_SKEL.prt，骨架中主要包含三種設(shè)計(jì)信息：子部件的外形輪廓、子部件的空間占位和子部件之間的接口尺寸，其他詳細(xì)的設(shè)計(jì)信息可建立在子部件所屬的骨架中。

盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)是針對(duì)性設(shè)計(jì)，即根據(jù)施工需求來(lái)確定結(jié)構(gòu)和尺寸，重要的設(shè)計(jì)參數(shù)如管片尺寸和開(kāi)挖直徑，管片尺寸決定盾體外徑，開(kāi)挖直徑?jīng)Q定刀盤(pán)直徑，首先定義如圖2所示參數(shù)，然后根據(jù)上述三種設(shè)計(jì)信息按部件完善骨架特征。

以刀盤(pán)為例，刀盤(pán)的外形輪廓可簡(jiǎn)化為大圓環(huán)、扭腿和法蘭三部分，以刀盤(pán)面板面為坐標(biāo)原點(diǎn)面，通過(guò)定義相關(guān)參數(shù)和表達(dá)式完成刀盤(pán)外形輪廓和空間占位的設(shè)計(jì)，如圖3所示。另外，刀盤(pán)法蘭與主驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)盤(pán)通過(guò)多組螺栓連接，刀盤(pán)管路后端面通過(guò)法蘭與回轉(zhuǎn)接頭連接，這兩部分均涉及部件間連接，參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)需將接口尺寸在骨架中表達(dá)出來(lái)，避免后期尺寸不統(tǒng)一，無(wú)法組裝，如圖4所示。與刀盤(pán)的設(shè)計(jì)過(guò)程相同，完成包括主驅(qū)動(dòng)在內(nèi)的主要部件的骨架參數(shù)設(shè)計(jì)，并利用發(fā)布幾何工具將設(shè)計(jì)信息按部件需要進(jìn)行發(fā)布，方便子骨架復(fù)制引用，如圖5所示。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的層次樹(shù)型

圖2 初始參數(shù)定義

圖3 刀盤(pán)外形輪廓和空間占位設(shè)計(jì)

2.3 各部件子裝配和子骨架建立

以整機(jī)子部件刀盤(pán)為例，新建子裝配100-001-000-000.asm和所屬子骨架100-001-000-000_SKEL.prt，利用復(fù)制幾何功能將總骨架中發(fā)布幾何通用和001刀盤(pán)兩部分內(nèi)容均復(fù)制過(guò)來(lái)，完成設(shè)計(jì)參數(shù)傳遞，如圖6所示。

圖4 刀盤(pán)接口尺寸設(shè)計(jì)

圖5 整機(jī)骨架模型

完成復(fù)制幾何后，即可根據(jù)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)需求細(xì)化子骨架。此時(shí)，可以繼續(xù)創(chuàng)建面向刀盤(pán)零部件的發(fā)布幾何，零部件復(fù)制刀盤(pán)骨架模型的發(fā)布幾何進(jìn)行詳細(xì)細(xì)化設(shè)計(jì)；也可以直接在刀盤(pán)裝配下創(chuàng)建零部件，激活零部件，參考刀盤(pán)骨架模型進(jìn)行零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)。圖7為六主梁刀盤(pán)骨架細(xì)化后的模型樹(shù)，設(shè)計(jì)人員參考此骨架即可完成刀盤(pán)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

與刀盤(pán)的設(shè)計(jì)過(guò)程相同，完成包括主驅(qū)動(dòng)在內(nèi)的主要子部件的裝配和骨架建立。完成后，各子裝配通過(guò)坐標(biāo)系安裝到總裝配中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)Top-Down參數(shù)化設(shè)計(jì)即完成。

圖6 刀盤(pán)骨架—復(fù)制幾何

圖7 刀盤(pán)骨架—細(xì)化

3 結(jié)語(yǔ)

本文給出了Creo 2.0軟件Top-Down設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程及相關(guān)技術(shù)，并基于該技術(shù)介紹了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)Top-Down參數(shù)化建模方法。利用該方法進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)系列化，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品投入使用，提高經(jīng)濟(jì)效益。