應(yīng)用PTC Creo自頂向下方法進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)

鄒炳輝

（廣東省人力資源社會保障廳職業(yè)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(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，PTC公司）的產(chǎn)品，在1988年被發(fā)布。PTC Creo是PTC的集成了3D CAD/CAE/CAM的解決方案;易學(xué)易用、功能強(qiáng)大、互聯(lián)互通，是PTCCreo的優(yōu)點(diǎn)。作為PTC的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)產(chǎn)品，PTCCreo詳細(xì)描述產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)和功能。30多年來，經(jīng)歷20多次的改版，已經(jīng)成為了中國地區(qū)乃至世界范圍內(nèi)最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，能夠廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、工業(yè)設(shè)計(jì)、模具、汽車、家電、航空航天、玩具等行業(yè)。功能應(yīng)用包括實(shí)體與曲面設(shè)計(jì)、零件組裝、二維繪圖制作、模具設(shè)計(jì)、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(shù)據(jù)庫功能的綜合性MCAD軟件。從概念設(shè)計(jì)到模具開發(fā)和加工，利用其無縫的WEB連接性，協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能訪問所需的資源、信息和功能。PTCCreo已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)三維建模軟件的領(lǐng)頭羊，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。

1.2 基于PTC Creo的自頂向下設(shè)計(jì)

自頂向下設(shè)計(jì)是一種逐步求精的設(shè)計(jì)的過程和方法。對將要完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行分解，首先對最高層次中的目標(biāo)問題進(jìn)行定義、設(shè)計(jì)，將其中未能解決的問題作為一個(gè)子任務(wù)放到下一層中去解決。像這樣一層一層、逐一地定義、設(shè)計(jì)、繪制和檢測，直到任意層次上的問題均得到解決，就能設(shè)計(jì)出來有層次有結(jié)構(gòu)的組件造型。進(jìn)行自頂向下的設(shè)計(jì)方法時(shí)，設(shè)計(jì)師利用骨架模型和數(shù)據(jù)共享功能規(guī)劃出裝配的框架，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的自上而下設(shè)計(jì)；在子裝配及組件之間發(fā)布和控制設(shè)計(jì)界面，創(chuàng)建單向相關(guān)模型，從而能夠繼承父模型的變更，然后對新模型進(jìn)行更改。

1.3 自頂向下設(shè)計(jì)原理和優(yōu)勢

一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是從概念設(shè)計(jì)開始，逐步完善細(xì)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證分析等的復(fù)雜過程，使用自上而下的設(shè)計(jì)工具，能夠輕松規(guī)劃出裝配的骨架，而各元件就可圍繞整體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣，管理組件之間的各種關(guān)系的復(fù)雜性就得以簡化。PTCCreo軟件還便于在多個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間同時(shí)共享關(guān)鍵幾何特征，以及使用默認(rèn)包絡(luò)等工具簡化大型裝配?？梢杂冒^少細(xì)節(jié)的實(shí)體零件來輕松表示包含許多對象的設(shè)計(jì)裝配，以便減少檢索的對象數(shù)和加載次數(shù)。

PTCCreo提供高級裝配功能（例如骨架模型和數(shù)據(jù)共享功能），以支持自上而下設(shè)計(jì)?？梢暂p松地將與裝配相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)傳遞給同時(shí)執(zhí)行設(shè)計(jì)工作的團(tuán)隊(duì)。

基于PTCCreo的自頂向下設(shè)計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)如下。

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

（2）所有修改都會自動(dòng)從設(shè)計(jì)信息傳播到制造信息，因此設(shè)計(jì)者可以自信地進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

（3）有效處理模型能夠更快地提供更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并可在將來重復(fù)利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

（4）快速有效地按照客戶的獨(dú)特需求自定義產(chǎn)品。

（5）支持公司主動(dòng)按訂單設(shè)計(jì)或制造，并且比競爭對手更快、更低成本地向客戶提供更優(yōu)質(zhì)的自定義產(chǎn)品。

圖1 骨架模型

（6）在多個(gè)設(shè)計(jì)師之間高效協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)意圖，做到并行開發(fā)產(chǎn)品。

（7）高效創(chuàng)建工藝說明，同時(shí)能及早發(fā)現(xiàn)制造錯(cuò)誤；管理并控制參考和依賴關(guān)系。

1.4 自頂向下設(shè)計(jì)與自底向上設(shè)計(jì)方法的區(qū)別

兩種方法的區(qū)別如圖2所示。

2 變壓器自頂向下詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

變壓器自頂向下詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟如圖3所示。

（1）概念設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，使用PTC Creo中的布局Layout功能生成2D設(shè)計(jì)以在PTCCreo Parametric中構(gòu)建3D模型，PTCCreo Layout是一種易于使用的2D CAD應(yīng)用程序，它可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以2D形式創(chuàng)建詳細(xì)的概念，包括尺寸和注釋等信息，然后使用相同的2D數(shù)據(jù)輕松地生成同樣詳細(xì)的3D模型。通過將此過程自動(dòng)化，可以確保以無縫方式連續(xù)更新所有的CAD可交付結(jié)果。通過使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠從他們的原始2D概念直接創(chuàng)建3D模型，無需將CAD系統(tǒng)或2D數(shù)據(jù)交付于3DCAD專家，從而節(jié)省時(shí)間以及減少錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠充分利用2D數(shù)據(jù)生成可準(zhǔn)確反映原設(shè)計(jì)意圖的完美3D模型。

圖2 TOP-DOWN與BOTTOM-UP的比較

（2） 定義初期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（BOM）

設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能夠創(chuàng)建和驗(yàn)證3D模塊化產(chǎn)品組件，無論組件復(fù)雜度如何。通過創(chuàng)建可重復(fù)使用的產(chǎn)品平臺，以及定義它們?nèi)绾谓雍虾脱b配，設(shè)計(jì)師可以快速創(chuàng)建和驗(yàn)證任何特定于客戶的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)師可以檢查精確的質(zhì)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(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在與PTCWindchill軟件配合使用時(shí)，制造商可以生成和驗(yàn)證由單個(gè)物料清單(BOM)定義的、準(zhǔn)確的產(chǎn)品配置3D表示形式。

（3） 定義整體設(shè)計(jì)意圖

三維骨架模型是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的總規(guī)劃，用來幫助處理大型的組件工具。面向三維設(shè)計(jì)的“頂層骨架”概念。用以支持在三維設(shè)計(jì)環(huán)境下設(shè)計(jì)信息的動(dòng)態(tài)傳遞。骨架是功能強(qiáng)大的工具，可以使用它們來創(chuàng)建裝配設(shè)計(jì)的3-D布局或框架。骨架可以充當(dāng)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(dòng)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(zhí)行下列操作：為元件創(chuàng)建空間聲明；

在元件之間創(chuàng)建界面與位置參考；

在元件之間提供運(yùn)動(dòng)——通過修改骨架尺寸或使用機(jī)構(gòu)連接。

骨架是指定了特殊屬性的元件。創(chuàng)建時(shí)，骨架會自動(dòng)變?yōu)檠b配的第一個(gè)元件，以使每個(gè)后續(xù)元件都可以參考它。骨架不會影響裝配的質(zhì)量屬性，無論在其中創(chuàng)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?yàn)槟J(rèn)分配的藍(lán)色有助于將其與其他裝配區(qū)分開來。

骨架通常包含各種基準(zhǔn)特征，例如基準(zhǔn)平面、軸、點(diǎn)及坐標(biāo)系。骨架通常也包含草繪與曲面，來表示將要在元件中創(chuàng)建的幾何。雖然并非很常用，骨架確實(shí)可包含實(shí)體幾何，但是只能共享實(shí)體的曲面。

圖3 變壓器自頂向下設(shè)計(jì)步驟

（4） 設(shè)定參考相關(guān)性

當(dāng)骨架或布局變動(dòng)后，則組件也會自動(dòng)再生，如多個(gè)元件都需要進(jìn)行重大更改（例如：整體長度更改），可修改骨架，將編輯內(nèi)容傳播至每一個(gè)共享骨架幾何的元件。

（5） 傳遞設(shè)計(jì)信息

最頂層的設(shè)計(jì)相關(guān)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(shí)就是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞和管理過程，利用PTCCreo的發(fā)布幾何功能的方法，子裝配及零件就可以接收復(fù)制幾何，從而達(dá)到頂層設(shè)計(jì)信息傳遞。

（6） 零件或子組件的詳細(xì)設(shè)計(jì)

在后面部分的設(shè)計(jì)中，可以直接在子組件環(huán)境下進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)可以運(yùn)用骨架傳遞下來的信息進(jìn)行下面的詳細(xì)設(shè)計(jì)，及在組件模式下創(chuàng)建元件，其中可以利用PTCCreo自身功能創(chuàng)建選項(xiàng)中的，復(fù)制現(xiàn)有、定位缺省基準(zhǔn)、孔、創(chuàng)建特征進(jìn)行零件元件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

變壓器自頂向下設(shè)計(jì)的完整的TOP_DOWN DESIGN概覽如圖4。

3 基于CREO的自頂向下設(shè)計(jì)進(jìn)一步研究（模塊化設(shè)計(jì)）：

圖4 TOP-DOWNDESIGN概覽

（1）產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了一定的成果，進(jìn)一步的研究方向就是利用PTC Creo Op?tions Modeler Extension(OMX)能夠創(chuàng)建和驗(yàn)證3D模塊化產(chǎn)品組件，無論組件復(fù)雜度如何。通過創(chuàng)建可重復(fù)使用的產(chǎn)品平臺，以及定義它們?nèi)绾谓雍虾脱b配，設(shè)計(jì)師可以快速創(chuàng)建和驗(yàn)證任何特定于客戶的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)師可以檢查精確的質(zhì)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(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在與PTCWind?chill軟件配合使用時(shí)，制造商可以生成和驗(yàn)證由單個(gè)物料清單(BOM)定義的、準(zhǔn)確的產(chǎn)品配置3D表示形式和PTCCreo中的變體設(shè)計(jì)。PTCCreo提供了不同的策略來實(shí)現(xiàn)裝配中的替換，比如使用族表零件、參照模型、復(fù)制模型等模塊化變型設(shè)計(jì)。

（2）模塊化設(shè)計(jì)功能和優(yōu)勢

1）通過在設(shè)計(jì)階段的早期在3D下創(chuàng)建和驗(yàn)證產(chǎn)品平臺，縮短設(shè)計(jì)周期。

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

3）通過定義公共的體系結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品平臺自動(dòng)創(chuàng)建任何產(chǎn)品，并幫助管理這些產(chǎn)品的接合和裝配方式。

4）通過自動(dòng)完成本來要使用大量人力執(zhí)行且易于出錯(cuò)的任務(wù)，更早地優(yōu)化產(chǎn)品。

圖5 變壓器模塊化設(shè)計(jì)

5）通過改進(jìn)與客戶、供應(yīng)商和同事的溝通，提高設(shè)計(jì)和工程生產(chǎn)效率。

（3）變壓器的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)概覽如圖5。

益處：1）提升模型的使用柔性；2）降低設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)的冗余；3）可按模塊進(jìn)行并行設(shè)計(jì)；4）大幅提高模型的利用率

（4）模塊化設(shè)計(jì)的規(guī)劃

如圖6所示，按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，劃分子裝配形成獨(dú)立的模塊；

根據(jù)不同的模塊的特點(diǎn)，將模塊進(jìn)行分類，不同類型的模塊采用不同的模型裝配和建構(gòu)方法；

模塊間的配合，僅通過其父項(xiàng)預(yù)定義骨架的裝配接口實(shí)現(xiàn)；

最小模塊內(nèi)的零部件的裝配及幾何尺寸關(guān)系僅關(guān)聯(lián)于本模塊內(nèi)的其他對象，與模塊外的對象形隔離。

4 結(jié)束語

在變壓器的開發(fā)設(shè)計(jì)中，利用了PTCCreo的自頂向下設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品裝配分離的并行工程，此外利用了PTCCreo高精密度的數(shù)字化模型具有全相關(guān)性，從而使得在任何地方所做的產(chǎn)品變更無論在哪里都能更新交付數(shù)據(jù)。

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