一種基于CATIA的輪胎胎側字體參數化排列方法

張 敏，李 華，吳東霞，程麗娜，黃明新

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

胎側上的文字用于說明輪胎的規格型號、產地等一些重要信息，雖然對產品性能沒有直接影響，卻直接影響產品外觀。以前，輪胎胎側字體圖設計在AutoCAD中完成。由于系統字體的粗度、造型不能滿足客戶的需要，一般通行的做法都是另外進行字體/符號造型設計，然后排列成一行或多行，最后使用獨立編制的程序將這些字符排列到胎側上去（在平面上按圓弧排列）[1]。在此過程中，字符間距（以下簡稱字間距）和詞間距都是在排列成行時由設計者手工調整，而這些間距需要根據前后相鄰字體不同的形狀進行調整，因此這些間距必然會存在差別，甚至影響美觀；而且在字體大小、間距、內容等有一項需要調整時，上述所有的工作都必須重新做。由于胎側上每側字符都在300個以上，胎側字體排列一直是輪胎模具設計中最繁瑣的工作之一。

進入21世紀以來，隨著3D設計軟件在輪胎行業內的普及[2]，越來越多的企業轉向使用CATIA等參數化設計軟件[3-4]。然而CATIA在輪胎設計方面的研究大多集中在花紋、結構等方面[5-7]，雖然一些企業和高校對胎側字體排列也有所研究[8-9]，但都不夠深入。雖然法國Gravotech Marking公司開發的TYPE3可以用來在胎側上寫字，但是TYPE3軟件只能對字形進行傾斜等變化，并不具備扇形變形等功能，而且輸出結果是一個線框整體，在不斷參的情況下，如果要繼續做3D造型只能增厚或向某個方向拉伸，無法做出拔模角等，與實際產品要求相去甚遠[10]。因此要應對客戶對胎側設計不斷變化的需求，需要開發靈活多變的自定義字體（2D和3D）和自動將這些字體進行排列的工具。

本工作在CATIA V5R22版本下，在前期做好字體模板的基礎上，通過調用字高、扇形變形、垂直方向對齊等參數，實現字形大小變化、扇形變形、上/中/下對齊等功能；在排列時，將用于字符定位計算的參數——字寬拆分成前后2個參數，分別根據可能相鄰的字形進行調整，使不同的字符相鄰時字間距視覺效果趨于一致；利用CAA二次開發自動調用字體模板，根據輸入的字符串等參數信息，在GSD（Generative Shape Design，創成式曲面設計）模塊下通過程序自動完成胎側字體2D排列，在PDG（Part Design，零件設計）模塊下自動完成胎側字體3D排列；排列完成后仍可對特征下的參數進行編輯和更新，便于進行產品的系列化擴展。

1 字體庫準備

把每一個字符做成一個模板，可以通過調整字高、粗度和扇形變化等參數對字形進行修改。將字體模板以內容為文件名（特殊字符以其英文名稱為準，如“*”為“star”），按類型、尺寸分類，存入對應的目錄，形成字體庫。

如果以字符外矩形邊框作為邊界，可以看到胎側上的字體有各種不同的邊界形狀（如圖1所示），例如“M”和“N”等是第1種形狀，V是第7種形狀。每一個字符在左右邊界上的形狀將影響其視覺上所占據的寬度，進而會影響到其與相鄰字體排在一起后的間距感覺。

圖1 胎側文字中7種可能的邊界線條示意

如果把相鄰兩字符邊界之間的距離定義為字間距，那么在相同的字間距情況下，由于受到其形狀特征的影響，也會表現出完全不同的視覺效果，如圖2所示。例如，第1種情況與第6，7，8和9四種情況相比較，前者的視覺間距明顯小于后者。為此，需要根據字體形狀特征對其排列位置做出調整，使之達到視覺上的協調一致，即以第1種情況為基準，對其他8種情況的間距進行調整。

圖2 胎側文字中9種相鄰關系的線條示意

根據字符的形狀特征及其前后可能出現字符的特征，以其幾何中心為基準點，確定每個字符的排列尺寸調整參數：字體高寬比（R）、前排列修正系數（a）、后排列修正系數（b）。對同一類字體建立調整參數xml文件，并存儲以上字形參數。每個字符在使用時根據使用字高（H）計算實際寬度（W）、前排列半寬（Wa）和后排列半寬（Wb），如圖3所示，h為字符筆劃粗度。

圖3 字體參數示意

字形參數計算公式為

計算字符排列位置時一般不直接使用W，而使用Wa和Wb，這樣就可以對每個字符的排列位置進行獨立調整。通過對a和b的調整，可以適配該字符所有可能的相鄰字符，使各種情況下的字間距都合理、美觀。

以單線字“P”為例，它屬于第3種形狀的字體，其4 mm字高的字體參數為：R＝1.449 7，a＝0，b＝－0.2 mm，因而其W＝2.759 2 mm，Wa＝1.379 6 mm，Wb＝1.179 6 mm。這樣設定可以使其左外側字間距不至于過窄、右外側字間距也不會過寬。

2 程序編制要點

2.1 排列位置計算原理

由于每行胎側文字都由多個字符組成，每個字符都有對應的字體模板，因此程序需要根據輸入字符串，解析出每一個字符。

（1）根據前面計算所得的參數W，Wa和Wb，可計算出整個字符串長度（L）：

式中：n是字符串非空字符數；i是字符順序號，為從2開始的自然數；m是字符串空格數；DW是詞間距；DL是字間距。

（2）由于存在字體排列不同的水平對齊方式（左、中、右），需要計算實際排列時每個字符的定位點位置。對于首字符：

式中，A是定位點，P是字符串插入點位置。

2.2 程序界面

程序界面如圖4所示，可輸入參考曲面、參考曲線、插入點，選擇相應的字體模板，并輸入要排列的字符串、字高、粗度、對齊方式等參數。

圖4 程序界面示意

2.3 字體模板

由于字符內容就是字體模板文件名，程序可以直接調用對應目錄里的字體模板進行實例化。但是，對于“，”“.”“*”“/”“：”“!”等特殊字符需要建立特殊字符轉換表，以便程序進行轉換調用。

2.4 字體更新

排列完成的字符串圖形作為一個完整的特征對象掛在特征樹上，可以通過變化輸入的曲面、曲線、插入點或編輯其參數（字符串內容、字高、粗度等），更新出所需的字體。

3 字體排列程序調用步驟

以輪胎負荷和充氣壓力字符串的2D排列為例，說明程序使用步驟（此處略去插入點“Point”、參考曲線“Curve”和參考曲面“Surface”等的作圖過程）。

（1）在CATIA中啟動2D字體排列程序，如圖5所示。

圖5 參數輸入界面示意

（2）在程序界面上通過“Family”下拉菜單選擇“Convention”及“Type”下拉菜單選擇“4.0 mm”字體，在“Text”輸入框中輸入需要排列的字符串“MAX.LOAD 630 kg（1389 LBS）AT 300 kPa（44 P.S.I.）COLD”。

（3）在程序界面上依次輸入插入點、參考曲線和參考曲面（在CATIA視圖中選擇），在“Position”欄選擇“L”（左）對齊方式，在“Location”欄選擇“T”（上）對齊方式，選中“扇形變形”按鈕。

（4）在程序界面上輸入H等參數值。

（5）按確定按鈕，完成排列，并在參數樹上掛出相應的特征及參數，如圖6所示。

圖6 程序運行結果示意

如果參考曲面是胎側曲面，字體模板是3D的，使用3D字體排列程序可以得到與實際輪胎一致的3D字體排列圖，如圖7所示。

圖7 3D文字排列實例

4 結語

本工作對胎側字體2D和3D排列方法進行探討，通過將字寬拆分成前后2個參數分別進行調整的方式，解決了不同字符相鄰時字間距視覺效果不一致的問題，同時利用CAA二次開發，實現了字體模板的自動調用和字符串的自動排列。排列結果成為特征對象掛在參數樹上，通過輸入幾何元素及參數的變化，實現規格的系列化擴展。

以前在AutoCAD中做胎側字體圖，每個產品的圖紙上只有同規格的部分內容可以復制使用（安全警示等），其他都需要重新繪制，費時費力。采用CATIA后，通過配置參數表的關聯和規格驅動，胎側字體圖能像花紋設計一樣簡單便捷地進行系列擴展，所需時間從每個產品數小時大幅縮減到10多分鐘（2D）。

本胎側字體參數化排列方法不僅大幅度減小了設計人員的工作量，而且有效避免了不同產品間布局、定位不一致等人為問題，有利于規范設計標準，提高胎側字體圖的設計質量。