字頭庫的參數化設計方法研究與實現

張恩華 張勝蘭 雷陽 尹一君 劉峻城

摘? 要：字頭標識規格、種類繁多，每個標識也具有不同的大小、斜度和高度，為提高建模效率和設計質量，提出了一種基于中心矩形線框控制法的參數化設計方案。根據字頭標識筆畫特征分類，通過尺寸約束和參數關系式保持規格內的一致性，最后結合CATIA Catalog目錄編輯器構建字頭庫，實現了變形設計和快捷調用。

關鍵詞： CATIA；字頭；參數化設計；Catalog

中圖分類號：TH122；TP391? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2023）06-0043-04

The Research and Implementation of a Parameterized Design Method for Font Libraries*

ZHANG En-hua1， ZHANG Sheng-lan1， LEI Yang2， YIN Yi-jun2， LIU Jun-cheng1

（1. School of Automotive Engineering， Hubei Institute of Automotive Industry， Shiyan 442002，China; 2. Dongfeng Forging Co.，Ltd. R&D Department，Shiyan 442002，China）

Abstract： The specifications and types of header identifications are diverse， with each identification varying in size， slant， and height. In order to enhance modeling efficiency and design quality， a parameterized design approach based on the central rectangular bounding box control method is proposed. This approach involves categorizing header identifications based on stroke characteristics， maintaining consistency within specifications through size constraints and parameter relationships， and finally， combining this with the CATIA Catalog directory editor to construct a header library， thus achieving deformable design and quick retrieval.

Key Words： CATIA; Fonts; Parametric Design; Catalog

在機械制造中，零部件表面增加可追溯性標識的技術得到越來越廣泛的應用。永久標識成形技術利用鍛壓工藝，通過擠壓和金屬塑性，形成零部件表面的凹凸字畫標識。所謂字頭也有人稱之為“字模”、“鋼印字模”或“字模鋼印”，其實相當于一種沖頭。

這些標識通常包括數字、字母和圖案，用于識別零件的數量、特性、質量、安裝和維修方法等。傳統的字體設計是在AutoCAD完成的，軟件中自帶的字體筆畫粗細、間距等不能滿足客戶的需求，需要對字符圖形另外設計。張敏等人提出將字體寬度拆分為兩個參數，在不同字符排列組合時能夠單獨調整字符排列位置，使相鄰字符的間距保持美觀、合理。對于單個字體的修飾沒有涉及，如拔模斜度和倒角[1]。

法國的Gravotech Marking公司開發的TYPE3軟件可以用來在模型表面上寫字，但是TYPE3軟件只能改變字形的傾斜角度，而且輸出結果是一個線框整體，做出的三維造型只能選取一個方向進行拉伸，無法做出拔模角度，不能滿足實際產品的使用場景[2]。

現代三維建模軟件如CATIA在機械設計中廣泛使用[3]。結合企業需求，選擇在CATIA軟件平臺上進行參數化建模，實現字頭標識的快速變形設計。首先建立字頭標識模板，然后選取拔模角度、標識高度和標識寬度等作為驅動參數。通過修改這些驅動參數的數值得到不同規格的字頭標識模型，再結合CATIA知識工程模塊的目錄編輯器，實現字頭的快速調用。調取之后的模型仍可對特征樹上的驅動參數進行修改和編輯，便于字頭規格的系列拓展。

1? ? 字頭標識分類

字頭為一體式結構件，在建模中分為字頭標識和字頭底座兩個部分，其中標識是參數化設計的目標。如圖1所示，字頭標識為凸起的三維字體，包括英文字母和阿拉伯數字，字頭底座與液壓機固定連接。字頭標識有多種規格，每種規格都有不同的標識高度、寬度和拔模角度。

字頭標識一般是大寫英文字母和阿拉伯數字，避免使用易混淆的字符，如“Q”、“O”。字頭在零件表面擠壓形成的凹字標識為正向標識，所以字頭底座上建立的標識為鏡像反字。CATIA V5中沒有直接輸入鏡像字體的功能，需要在草圖中使用鏡像功能對字符圖形進行調整。

根據字頭標識筆畫結構之間的差異，將所有的字頭標識分為兩類：直線類和曲線類。如圖2所示：

以字母“H”為例，從CATIA字體庫中選定所需的字體樣式，將其轉換為DWG格式，然后在草圖模塊拆解為可施加約束的直線段，調整各直線尺寸之后使用系列特征生成三維模型。如圖3所示。

以數字“2”為例，DWG格式字符拆解之后的草圖是大量點的集合，無法使用拔模特征生成三維模型。因此，含有曲線筆畫的字頭標識需要手工繪制，工程制圖模塊中的字符輪廓只能作為參考。為控制筆畫寬度均勻，需逐個布置每個樣條線節點，以保持內外輪廓曲線之間的距離相等。生成的三維模型如圖4所示。

2? ? 字頭參數化設計

參數化設計是一種能夠在產品設計中迅速調整和更新設計的方法。它將設計要素和設計參數分開處理，并用參數來定義和描述產品設計[4]。常見的參數化設計流程如圖5所示[5]。

在CATIA V5中，對于相似的新設計任務，只需修改驅動參數，即可迅速調整產品模型，滿足新的設計需求。參數化設計前，需要在系統選項界面啟用參數和關系的顯示設置，否則在特征樹中將無法顯示[6]。

2.1? ?字頭標識關鍵參數的定義

關鍵參數是三維模型更新的驅動尺寸[7]，用于用戶調整字頭標識規格。根據字頭標識的規格差異，定義拔模角度、標識寬度和標識高度作為關鍵參數。如圖6所示：

2.2? ?標識非關鍵參數的選取

字頭標識包含了各種數字和英文字母，具有多樣的外輪廓，其中的非關鍵參數為各個標識草圖中點對點、點對線和線對線之間的尺寸約束。工程制圖模塊中字體筆畫的粗度、造型不能滿足客戶的需要，需要對原字體進行調整。

為了使同一規格下的字頭標識大小相同、美觀對稱。考慮以坐標軸系原點為基準建立中心矩形線框，設置固定的長寬比值，對字頭標識進行整體約束。所有字頭標識草圖均在線框內構建，其外輪廓與線框貼合，從而確保字符圖形不會畸變。經多次測試，將矩形線框的長度和寬度比值設為1.5時，生成的字頭標識在底座上較為美觀、飽滿。最后，將矩形線框的寬度尺寸定義為驅動尺寸，長度尺寸根據用戶輸入的寬度值進行自動計算。

2.2.1 直線類字頭標識非關鍵參數的選取

直線類字頭標識的非關鍵參數主要包括草圖中各段直線的長度尺寸。草圖中的每個約束尺寸均與線框寬度尺寸關聯，字體筆畫的寬度隨矩形線框寬度的變化而等比例改變。以字頭標識“H”為例，非關鍵參數如圖7所示：

2.2.2 曲線類字頭標識非關鍵參數的選取

曲線類字頭標識的非關鍵參數主要選取樣條線節點與坐標軸原點之間的距離尺寸，其參數數量與二維草圖樣條線節點的數量相關。為了使三維模型更加美觀，可以增加標識草圖中樣條線的節點數讓字頭的曲線筆畫過度更加平滑。然而，節點數量較多也會使參數關系設置變得更加復雜。所有節點的約束尺寸均與矩形線框寬度關聯。以字頭標識“2”為例，非關鍵參數如圖8所示：

3? ? 構建字頭庫

建立零件標準庫已經成為機械工程領域的趨勢。目前，國內很多企業缺乏對非標零件的系統化管理，致使在非標零件的設計和更迭上浪費人力資源 [8-9]。為管理鍛件字頭零件，將所有的三維數模集成在Catalog目錄中，構建庫文件[10]。如圖9所示，不僅便于后期添加和維護，還可以快速調用所需字頭并進行規格調整。

4? ? 結語

（1）對字頭標識進行分類為直線類和曲線類，通過固定長寬比的矩形線框約束草圖，解決了定位和約束問題。

（2）利用不同的非關鍵參數選取方式和關系公式，實現了快速變形設計，僅需輸入拔模角度、標識高度和標識寬度三個參數即可生成不同規格的字頭模型，解決了規格擴展、變換時重復性建模問題。

（3）通過目錄編輯器將每個字頭集成到Catalog庫文件中，提升了用戶管理和調用字頭的便捷性。

（4）比較傳統CAD設計方法，本方法使用參數驅動模型變更，不僅簡化了設計流程，還保證了字頭同規格內的一致性，使產品更加美觀和統一。

參考文獻：

[1]張敏，李華，吳東霞，等. 一種基于CATIA的輪胎胎側字體參數化排列方法[J]. 輪胎工業， 2021，41（6）： 354-358.

[2]龍娟，黃熾強.基于CATIA的輪胎參數化設計[J].輪胎工業，2019，39（4）：199-202.化，2022，51（06）：93-95.

[3]馬奎，石若潼，黃德，郭濤，陳奇.面向交互功能的螺紋CATIA二次開發方法研究[J].機械制造與自動化，2022，51（06）：93-95.

[4]李強，樊新波，何志堅.基于Matlab GUI與Creo的正交面齒輪參數化設計研究[J].裝備制造技術，2019，（08）：30-33.

[5]賈帥帥.基于CATIA 的非標零件庫參數化設計系統的研究[D].長春：長春理工大學，2016．

[6]李強，樊新波，何志堅.基于Matlab GUI與Creo的正交面齒輪參數化設計研究[J].裝備制造技術，2019，（08）：30-33.

[7]吳宇，王志國.基于CATIA的杠桿加載系統參數化設計方法[J].機械制造與自動化，2021，50（02）：134-136.

[8]劉薇娜，張越，謝榮譽，王尹琛.基于CATIA的非標零件標準庫技術研究[J].新型工業化，2017，7（05）：58-63.

[9]LIU Wei-na，LI Ming-yang，Li Feng.Development of Mechanical Standardized Parts Database[J].The Journal of New Industrialization，2014，4（9）：34-38.

[10]李春光.CATIA知識工程入門與實戰[M].北京：中國鐵道出版社有限公司，2021.

專家推薦語

田哲文

武漢理工大學汽車學院

車輛工程專業? 副教授

字頭標識規格種類繁多，對其進行三維參數化設計可提高建模效率和質量，對機械制造標識水平的提升具有一定的實際應用價值。論文設計和例證較為合理，邏輯清晰、條理清楚、可讀性好。