基于Creo的刀盤參數(shù)化建模及設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是一種客戶定制化程度高的大型非標(biāo)機(jī)械，包含機(jī)、電、軟、液等多個(gè)復(fù)雜子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)均需根據(jù)地質(zhì)情況及客戶需求進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。為了更好、更快的響應(yīng)市場發(fā)展和用戶需求，急需通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)復(fù)用，提升設(shè)計(jì)效率。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對盾構(gòu)建模方面研究多集中在Top-Down設(shè)計(jì)、有限元模型建立。游思坤[1]、孟曉宇[2]等針對土壓平衡盾構(gòu)Top-Down 設(shè)計(jì)建模進(jìn)行了研究，提出盾構(gòu)Top-Down 設(shè)計(jì)建模方法；潘伶伶[3]韓美東[4]等提出了TBM 刀盤有限元參數(shù)化建模方法，開發(fā)出TBM 刀盤有限元參數(shù)化建模分析系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)TBM 刀盤有限元模型快速構(gòu)建。

本文結(jié)合實(shí)際，以軟土刀盤為例，通過刀盤結(jié)構(gòu)分析，建立結(jié)構(gòu)間參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，梳理模型之間的參數(shù)傳遞規(guī)則與邏輯，完成軟土刀盤三維參數(shù)化建模，并基于Creo4.0 及VS2012 開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了刀盤參數(shù)化設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)，有效縮短了研發(fā)周期。

1 盾構(gòu)刀盤簡介

刀盤是盾構(gòu)的最前端部件，也是和地層情況聯(lián)系最緊密的部件。主要功能包括開挖掌子面巖土、刮渣及攪拌渣土等。不同地質(zhì)采用不同的刀盤結(jié)構(gòu)形式及刀具布置方式，刀盤及刀具的合理性直接影響設(shè)備掘進(jìn)速度和效率，甚至關(guān)系到隧道施工項(xiàng)目的成敗。刀盤主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在滿足強(qiáng)度、剛度要求前提下，配置合理的刀具及輔助部件，選取合適的開口率，以達(dá)到高效掘進(jìn)。

2 盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模

2.1 刀盤結(jié)構(gòu)

刀盤是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，軟土刀盤主要由刀盤大圓環(huán)、主梁、副梁、中心結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)環(huán)筋、扭腿與刀盤法蘭等組成，如圖1所示。

圖1 軟土刀盤組成

2.2 刀盤參數(shù)化建模

2.2.1 刀盤參數(shù)定義

參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心是基于對圖形數(shù)據(jù)操作的參數(shù)驅(qū)動機(jī)制，通過修改圖形參數(shù)或改變部分尺寸，自動實(shí)現(xiàn)相關(guān)部分的改動，完成幾何尺寸滿足約束條件的圖形設(shè)計(jì)[5]。參數(shù)定義是在對刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分級制定并維護(hù)，確保上下級參數(shù)嚴(yán)格分開控制，確保各參數(shù)名稱規(guī)范、統(tǒng)一。

以軟土刀盤為例，刀盤大圓環(huán)主要由圓環(huán)外徑、厚度、高度等參數(shù)確定；主梁包含圓管外徑、厚度、長度等參數(shù)，因主梁焊接在大圓環(huán)與中心結(jié)構(gòu)間，主梁長度由中心結(jié)構(gòu)及大圓環(huán)決定，主梁圓管外徑由大圓環(huán)高度決定；副梁可分為面板形式、圓管形式及立板形式，因此將副梁作為一個(gè)單獨(dú)的零部件進(jìn)行參數(shù)化，需要時(shí)直接裝配，但需在刀盤總裝參數(shù)化模型里預(yù)留副梁的裝配坐標(biāo)；環(huán)筋焊接在兩主梁之間，起加強(qiáng)作用，由外徑、高度及厚度參數(shù)決定；扭腿為支撐結(jié)構(gòu)，由圓管外徑、厚度、傾斜角度及在法蘭上的位置等參數(shù)決定；法蘭連接刀盤與主驅(qū)動，其內(nèi)、外徑由驅(qū)動盤決定；刀盤中心結(jié)構(gòu)與主梁采用焊接連接，其高度由主梁圓管外徑?jīng)Q定，結(jié)構(gòu)形狀與主梁數(shù)量相關(guān)。定義后的軟土刀盤參數(shù)如表1 所示。

表1 軟土刀盤參數(shù)列表（部分）

2.2.2 建立刀盤骨架及參數(shù)化模型

在骨架模型中精確控制了所有重要零部件的形狀和位置關(guān)系，在零部件細(xì)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能參考骨架模型中的參考進(jìn)行設(shè)計(jì)，如需對零部件的形狀或位置進(jìn)行調(diào)整，只需在骨架模型中進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后即可傳遞到零部件一級，使零部件發(fā)生變化，從而控制整個(gè)模塊的變化。刀盤模塊的骨架模型應(yīng)包含的控制信息如下：①模塊與中心回轉(zhuǎn)接頭等其它功能模塊的重要接口裝配位置；②模塊中重要零部件的外形截面控制，零部件細(xì)化設(shè)計(jì)時(shí)直接進(jìn)行參考；③模塊內(nèi)部重要零部件的安裝位置；④模塊的參數(shù)命名和關(guān)系式的書寫應(yīng)規(guī)范；⑤模塊記事本參數(shù)名必須與骨架模型內(nèi)的參數(shù)名一致，以便尺寸驅(qū)動。

建立的刀盤骨架模型及參數(shù)化模型如圖2 所示。

圖2 軟土刀盤骨架模型及參數(shù)化模型

2.2.3 建立驅(qū)動關(guān)系

尺寸驅(qū)動是參數(shù)驅(qū)動的基礎(chǔ)，尺寸約束是實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動的前提[6]，建立驅(qū)動關(guān)系前，應(yīng)保證尺寸參數(shù)的完整性。為了實(shí)現(xiàn)對刀盤的參數(shù)化控制，根據(jù)刀盤參數(shù)分級表將參數(shù)寫入對應(yīng)級別的部件中，并建立驅(qū)動關(guān)系。刀盤參數(shù)化模型完成后，在Creo 中通過“關(guān)系”選項(xiàng)卡建立各尺寸之間約束關(guān)系，通過新建記事本，在“參數(shù)”選項(xiàng)卡中建立控制刀盤主結(jié)構(gòu)及輔梁的共同參數(shù)，并在主結(jié)構(gòu)裝配體和輔梁裝配體中進(jìn)行記事本的聲明，將主結(jié)構(gòu)及輔梁約束關(guān)聯(lián)起來。為便于后期維護(hù)及更新，各關(guān)系行應(yīng)添加相關(guān)備注。驅(qū)動關(guān)系示例如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動關(guān)系示例

3 刀盤設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)

設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)是通過二次開發(fā)的人機(jī)界面引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成模塊化設(shè)計(jì)的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)[7]。刀盤設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)是在對刀盤完成三維參數(shù)化建模的基礎(chǔ)之上，通過建立參數(shù)化模型庫并檢入PDM 系統(tǒng)，在本地配置程序文件，開發(fā)人機(jī)界面，然后形成的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。刀盤設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)流程如下圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

程序配置文件是設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)與參數(shù)化模型產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的引導(dǎo)文件，配置文件示例如圖5 所示。其中，Para name 用于配置參數(shù)化模型對應(yīng)同名的參數(shù)名稱，模型中驅(qū)動參數(shù)名一般在骨架模型中，如沒有骨架，則存在于頂層模型參數(shù)中，Para name 數(shù)據(jù)值名稱應(yīng)與參數(shù)化模型中的創(chuàng)建的驅(qū)動參數(shù)名稱一致，否則將無法在導(dǎo)航系統(tǒng)中正常修改驅(qū)動模型尺寸。value 用于配置對應(yīng)驅(qū)動的參數(shù)名稱的默認(rèn)值；description 用于配置對應(yīng)驅(qū)動的參數(shù)名稱的文中說明，配置完成后會在插件界面上顯示所配置的對應(yīng)驅(qū)動數(shù)據(jù)。

圖5 配置文件示例

開發(fā)完成的刀盤設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)支持輸出工程圖功能，通過修改參數(shù)完成改型產(chǎn)品建模后，即可同時(shí)輸出二維工程圖。界面如圖6 所示。

圖6 設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)界面

在設(shè)計(jì)導(dǎo)航的制作與使用過程中，需要不斷調(diào)用CAD 系統(tǒng)的模型、工程圖、裝配等模塊并進(jìn)行交互，還可能使用內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)源中的各類參數(shù)、規(guī)則函數(shù)等[8]。因此，設(shè)計(jì)導(dǎo)航不是獨(dú)立的模塊，需要不斷與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺、CAD系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)作、交互。由于參數(shù)化模型存儲于PDM 中，所以應(yīng)在連接PDM 的情況下，方可快速調(diào)用。在未連接PDM 系統(tǒng)的情況下，若需調(diào)用參數(shù)化模型，需將對應(yīng)的參數(shù)化模型從PDM系統(tǒng)上備份對應(yīng)本地文件夾，并重新設(shè)置配置文件。PDM 系統(tǒng)中參數(shù)化模型、模板有更新，本地模型需要人為更新覆蓋，以保證模型的時(shí)效性。

4 結(jié)語

1）參數(shù)化建模及導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)配套建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。企業(yè)三維模板、二維模板、建模規(guī)范、參數(shù)命名規(guī)范等，確保設(shè)計(jì)人員在統(tǒng)一的準(zhǔn)則下開展參數(shù)化建模及導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)。

2）進(jìn)行參數(shù)化建模及設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)的前提是產(chǎn)品通用模塊劃分，針對大型復(fù)雜裝配體應(yīng)更加注重通用模塊的梳理及劃分，在深入分析模塊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上定義參數(shù)關(guān)系至關(guān)重要。

3）采用參數(shù)化建模，并開發(fā)設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)，能有效提升盾構(gòu)刀盤、盾體、驅(qū)動箱等通用部件設(shè)計(jì)效率。