基于Creo的自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

李再勇

（漢江弘源襄陽碳化硅特種陶瓷有限責(zé)任公司，湖北襄陽 441000）

0 引言

根據(jù)產(chǎn)品需求、功能、整體方案等信息，先對產(chǎn)品整體裝配中當(dāng)前能確定的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面、尺寸約束、曲面等要素進(jìn)行定義，對不能確定的要素則逐層、逐個(gè)地傳遞至下一層子裝配或零件中進(jìn)行定義，直至所有層次上的要素定義完整，這樣的設(shè)計(jì)程序稱之為自頂向下設(shè)計(jì)[1]。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程一般從產(chǎn)品需求、概念入手，先確定產(chǎn)品功能、方案，再進(jìn)行整體裝配、子裝配及零件設(shè)計(jì)。自頂向下的設(shè)計(jì)過程與上述設(shè)計(jì)過程一致，非常符合設(shè)計(jì)人員在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中的思維演變過程，同時(shí)保留了整體裝配、子裝配及零件三者之間必要的設(shè)計(jì)信息關(guān)聯(lián)，易于實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)快速調(diào)整及產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)，可顯著提高設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)正確率[2-3]。

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法既是自頂向下設(shè)計(jì)過程中多層次設(shè)計(jì)信息傳遞的通道和紐帶，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的傳遞、共享、繼承和變更。Creo軟件所具有的骨架模型、關(guān)系式、尺寸約束、特征參照等參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，則為參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)提供了可實(shí)現(xiàn)的工具。骨架模型、關(guān)系式、尺寸約束、特征參照等均為Creo軟件中的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，這些工具可單獨(dú)使用，也可多工具同時(shí)使用，例如骨架模型配合關(guān)系式和尺寸約束，能使骨架模型更具參數(shù)化特點(diǎn)，為以后的設(shè)計(jì)變更和變型設(shè)計(jì)提供更快捷、更直觀的調(diào)整通道[4-5]。

本文以采用Creo軟件設(shè)計(jì)的燕尾鑲磚（以下簡稱“鑲磚”）成型模具為例，描述采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)快速結(jié)構(gòu)調(diào)整及變型設(shè)計(jì)的過程。

1 模具功能及結(jié)構(gòu)

鑲磚是一種耐高溫陶瓷制品，用于高爐冷卻壁隔熱保溫層制作，一般采用振動(dòng)壓力成型。其毛坯成型過程為：將襯板放置于模框中形成模具型腔，在模具形腔中均勻布置成型料，利用上、下模板對成型料形成擠壓，并伴隨振動(dòng)使之成型，再用下模板將襯板和鑲磚整體頂出，拆除襯板即可得到產(chǎn)品毛坯。成型過程如圖1所示。

圖1 鑲磚成型過程示意

所有鑲磚外形類似，根據(jù)不同高爐及冷卻壁結(jié)構(gòu)，鑲磚進(jìn)行相應(yīng)尺寸調(diào)整，導(dǎo)致其模具需進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。采用自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)，可大幅縮減變型設(shè)計(jì)時(shí)間，且設(shè)計(jì)出錯(cuò)率得到有效控制。

2 骨架模型設(shè)計(jì)

骨架模型反映了設(shè)計(jì)目標(biāo)最重要的功能需求和幾何特征，它是整個(gè)自頂向下設(shè)計(jì)展開過程的核心，位于模型樹第一節(jié)點(diǎn)處，是各子裝配（零件）所需設(shè)計(jì)信息的源頭[3]，如圖2所示。

圖2 鑲磚模具模型樹

2.1 骨架模型幾何信息

骨架模型一般由草繪線條和基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)點(diǎn)等構(gòu)成。本例中的骨架模型包含了鑲磚截面輪廓曲線、模框內(nèi)腔輪廓曲線及5個(gè)基準(zhǔn)面（骨架模型自帶的Top、Front、Right 面 及 新 建 的頂面、底面），如圖3所示。

圖3 骨架模型幾何特征

帶燕尾線條為鑲磚截面輪廓；矩形線條為模框內(nèi)腔輪廓；底面和頂面的距離即為鑲磚高度。至此，表征鑲磚幾何特征的所有參數(shù)均已在骨架模型中表達(dá)完整，而模具結(jié)構(gòu)僅有模框內(nèi)腔輪廓參數(shù)，模具結(jié)構(gòu)其它要素將在下一層子裝配（零件）中參照骨架模型提供的參數(shù)進(jìn)行定義。

2.2 骨架模型參數(shù)信息

骨架模型中除圖3中表示的幾何信息外，還包含了關(guān)系式、幾何約束、尺寸約束、特征參照等參數(shù)化內(nèi)容。關(guān)系式中進(jìn)行了鑲磚截面參數(shù)、模框內(nèi)腔參數(shù)、鑲磚高度參數(shù)定義，如圖4所示。

圖4 骨架模型關(guān)系式定義

本文僅以鑲磚截面參數(shù)為例，描述關(guān)系式與幾何特征的關(guān)聯(lián)。鑲磚截面輪廓參數(shù)在關(guān)系式中定義如下（“/*”為關(guān)系式中注釋標(biāo)記）：

d19=148 /* 鑲磚寬度

上述參數(shù)與鑲磚截面幾何特征對應(yīng)關(guān)系如圖5所示，當(dāng)鑲磚截面尺寸需進(jìn)行調(diào)整時(shí)，修改關(guān)系式中相應(yīng)尺寸的參數(shù)即可，同理，若需調(diào)整鑲磚高度和模框內(nèi)腔尺寸，在關(guān)系式中找到對應(yīng)尺寸進(jìn)行修改即可完成調(diào)整。

除關(guān)系式外，骨架模型還應(yīng)用了幾何約束、特征參照，如圖5中的兩條中心軸線即參照了Front、Right面，并采用了幾何約束中的重合約束，使兩條軸線分別與兩面重合。同時(shí)，還根據(jù)幾何特征之間的關(guān)系，采用了對稱約束、水平約束、相等約束等幾何約束，達(dá)到以最少的尺寸標(biāo)注完成輪廓線建立的目的，并使得調(diào)整設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)更快捷。

圖5 關(guān)系式中參數(shù)與幾何特征對應(yīng)關(guān)系

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以骨架模型中的幾何特征和參數(shù)信息為參照，開展模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的緣故，涉及模具結(jié)構(gòu)的子裝配（零件）在整體裝配中均為缺省裝配，無需進(jìn)行任何裝配參數(shù)設(shè)置；在骨架模型中修改關(guān)系式中相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行裝配模型再生即可完成變型設(shè)計(jì)，無需對子裝配（零件）進(jìn)行任何調(diào)整。下面將以圖2模型樹中各子裝配（零件）的排列順序介紹建模過程。

3.1 上、下模板設(shè)計(jì)

從圖1可知，上模板截面與鑲磚截面完全一致，下模板截面與模框內(nèi)腔完全一致，因此上、下模板建模時(shí)可分別參照骨架模型中的鑲磚截面輪廓線、模框內(nèi)腔輪廓線進(jìn)行重合約束，設(shè)計(jì)時(shí)僅需定義模板厚度值。而模板厚度取決于模板的長寬尺寸，長寬尺寸越大，其厚度值也越大，以確保模板強(qiáng)度和剛度，因此可以長寬尺寸為條件來判斷模板厚度。以下模板為例定義如下關(guān)系式：

d28:0和d29:0分別為骨架模型中模框內(nèi)腔尺寸的寬度和長度，即下模板的長寬尺寸。語句中進(jìn)行條件判斷并執(zhí)行相應(yīng)返回值：若寬度大于240 mm，長度大于300 mm，則模板厚度值為40 mm（d17），否則模板厚度值為35 mm（d17）。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，增加判斷條件及返回值。

3.2 模框設(shè)計(jì)

從圖1可知，模框高度由上、下模板厚度之和與成型料下料所需高度組成，因此模框高度可定義關(guān)系式：

式中：d17為模框高度；d17:6、d17:8分別為上、下模板厚度；d24:0為骨架模型中頂面相對Top面偏移值，該值乘以2即為鑲磚高度，乘數(shù)1.6中的0.6為預(yù)留壓縮容積。

從圖4可知，模框內(nèi)腔尺寸已定義關(guān)系式，其長寬為鑲磚的極限長寬尺寸增加60 mm（即襯板厚度為30 mm），因此模框也僅需確定厚度值。參照下模板的設(shè)計(jì)方法，定義以模框長寬尺寸為條件判斷模框厚度的關(guān)系式即可確定模框厚度參數(shù)，不再進(jìn)行詳述。

3.3 襯板設(shè)計(jì)

圖6 模具三維模型

從圖1可知，為便于脫模，襯板組件由6塊組成，襯板內(nèi)、外側(cè)幾何特征分別與鑲磚截面、模框內(nèi)腔一致，襯板分割處均與鑲磚截面的幾何特征相關(guān)，因此，所有襯板的截面幾何特征均可在骨架線中找到參照，使用幾何約束中的重合約束即可，無需進(jìn)行任何尺寸標(biāo)注。

所有襯板高度相等，均由上模板厚度與成型料下料所需高度組成，定義如下關(guān)系式確定襯板高度：

式中：d21為襯板高度；d17:8為上模板厚度；d24:0為骨架模型中頂面相對Top面偏移值，該值乘以2即為鑲磚高度，乘數(shù)1.6中的0.6為預(yù)留壓縮容積。

至此，模具結(jié)構(gòu)的三維建模工作全部完成，如圖6所示。接下來在Creo工程圖模式下完成模具二維圖設(shè)計(jì)，確保二維圖與三維模型完全關(guān)聯(lián)。關(guān)于二維圖設(shè)計(jì)過程本文不進(jìn)行詳述。

4 結(jié)論

鑲磚模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中未新增任何尺寸參數(shù)，所有幾何特征、尺寸參數(shù)都參照骨架模型，以關(guān)系式、幾何約束、特征參照的形式完成定義。當(dāng)鑲磚外形尺寸變更需進(jìn)行模具變型設(shè)計(jì)時(shí)，只需在骨架模型的關(guān)系式中進(jìn)行鑲磚尺寸參數(shù)修改，然后對整體裝配進(jìn)行再生，即可完成模具結(jié)構(gòu)的三維模型和二維圖樣調(diào)整[6]。