基于CATIA的輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化模型搭建

李 華，張 敏，吳月仙，楊 旭，程麗娜，吳東霞，奚豐希

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車需求量日益增加，輪胎的需求量也隨之不斷增大。輪胎作為汽車行駛中唯一接觸地面的部件，對(duì)乘車的舒適性和安全性起著極其重要的作用[1-4]，因此人們對(duì)輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重視程度也不斷上升。輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般分為Profile（輪廓）設(shè)計(jì)、Pattern（花紋）設(shè)計(jì)和Sidewall（胎側(cè)）設(shè)計(jì)，3部分設(shè)計(jì)既有聯(lián)系又各自獨(dú)立。輪胎產(chǎn)品的設(shè)計(jì)整體性要求輪廓設(shè)計(jì)作為數(shù)據(jù)源頭，其設(shè)計(jì)參數(shù)是花紋設(shè)計(jì)和胎側(cè)設(shè)計(jì)的重要輸入。但隨著企業(yè)內(nèi)部分工精細(xì)化的發(fā)展，這3部分設(shè)計(jì)可能由2或3個(gè)部門共同合作完成，就對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)提出了很高的要求。輪廓圖設(shè)計(jì)的上游數(shù)據(jù)在更改后必須能夠及時(shí)有效地傳遞給下游設(shè)計(jì)，使下游數(shù)據(jù)進(jìn)行同步設(shè)計(jì)更改。為了解決數(shù)據(jù)協(xié)同的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)眾多輪胎企業(yè)都開啟了輪胎設(shè)計(jì)平臺(tái)的二次開發(fā)工作。張安強(qiáng)等[5]開發(fā)了基于Windows系統(tǒng)平臺(tái)CAD系統(tǒng)（WTireCAD系統(tǒng)）的模塊結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)界面和設(shè)計(jì)模塊，利用ObjectARX在AutoCAD環(huán)境下實(shí)現(xiàn)輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸驅(qū)動(dòng)功能。黃文龍等[6]用VisualBasic語(yǔ)言開發(fā)了子午線輪胎CAD系統(tǒng)，采用數(shù)字化輪廓描述方法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)參數(shù)化繪圖功能。劉大眾[7]利用VisualBasic語(yǔ)言開發(fā)的輪胎CAD系統(tǒng)涵蓋了輪胎常規(guī)設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖全過(guò)程。郝永濤等[8]提出了自動(dòng)化智能輪胎設(shè)計(jì)的概念，建立了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)。因此，在數(shù)據(jù)協(xié)同而非文件夾管理的模式轉(zhuǎn)變下，參數(shù)的重用及驅(qū)動(dòng)功能變得尤為重要[9]。利用數(shù)據(jù)協(xié)同可避免上、下游設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不一致而導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，同時(shí)提高了輪胎設(shè)計(jì)效率；在參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了輪胎數(shù)字化模型的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化，便于后續(xù)輪胎設(shè)計(jì)參數(shù)修改時(shí)模型自動(dòng)更新[10-12]。

本工作采用CATIA V5R22版本在GSD（Generative Shape Design，創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)）模塊和ASD（Assembly Design，裝配設(shè)計(jì)）模塊下進(jìn)行輪胎產(chǎn)品數(shù)字化模型設(shè)計(jì)。該方法采用分級(jí)搭建和模板調(diào)用相結(jié)合的方式進(jìn)行輪胎設(shè)計(jì)圖數(shù)字化模型結(jié)構(gòu)搭建。對(duì)底層部件建立文檔模板或自定義特征模板，使每次新產(chǎn)品裝配搭建時(shí)利用數(shù)據(jù)庫(kù)重用的方式進(jìn)行快速搭建；在Profile設(shè)計(jì)階段，將協(xié)同數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布，作為下游設(shè)計(jì)的輸入。在輪胎產(chǎn)品數(shù)字化模型搭建過(guò)程中，不僅可以有效收集及重用設(shè)計(jì)過(guò)程中所有的參數(shù)數(shù)據(jù)，且能保證下游數(shù)據(jù)對(duì)上游設(shè)計(jì)變更的及時(shí)響應(yīng)，提供高效率的設(shè)計(jì)出圖及便捷的后續(xù)設(shè)計(jì)更改優(yōu)化?？焖俚膮?shù)驅(qū)動(dòng)功能配合輪胎產(chǎn)品數(shù)字化模型搭建可有效避免重復(fù)設(shè)計(jì)，提高輪胎設(shè)計(jì)圖裝配的精度，同時(shí)提高制圖效率。

1 部件裝配結(jié)構(gòu)

按輪胎（Tire）設(shè)計(jì)的3個(gè)部分，將輪胎總裝配分為3個(gè)裝配部件，即Profile，Pattern和Sidewall。Profile和Pattern兩個(gè)部件各包含一級(jí)子部件結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)輪廓各分段部件和各花紋節(jié)距部件。而Sidewall部件包含UPM（上胎側(cè)）和LWM（下胎側(cè)）2個(gè)一級(jí)子部件，分別對(duì)應(yīng)于模具的上、下胎側(cè)。一級(jí)子部件又分UPM_CHS、LWM_CHS（上、下固定胎側(cè)板）部件和若干STB部件（活絡(luò)塊），分別對(duì)應(yīng)于模具的上、下固定胎側(cè)板和活絡(luò)塊；繼續(xù)搭建若干CHS部件（字符串）等第3級(jí)子部件和各CHS/STB部件的PTT定位等第4級(jí)部件（見(jiàn)圖1）。

圖1 輪胎產(chǎn)品數(shù)字化模型部件搭建示意

輪胎產(chǎn)品的全部圖紙?jiān)O(shè)計(jì)都在以上數(shù)字化模型中搭建部件，如Pattern節(jié)距數(shù)及節(jié)距排列關(guān)系、STB和CHS的數(shù)量及類型選擇等，確保數(shù)字化模型部件與實(shí)際輪胎設(shè)計(jì)完全一致。

2 參數(shù)定義

為了有效利用CATIA軟件的參數(shù)驅(qū)動(dòng)功能，需要將輪胎產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)全部參數(shù)化，具體方式是將Profile，Pattern和Sidewall的全部設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)定義，創(chuàng)建參數(shù)配置表。以輪廓圖為例，將全部設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)定義，如圖2所示。

圖2 輪廓圖設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)參數(shù)定義

根據(jù)不同產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行配置表設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 輪廓圖配置表設(shè)計(jì)界面

花紋圖和胎側(cè)圖同理進(jìn)行參數(shù)定義和配置表設(shè)計(jì)。需要注意的是，雖然是不同的配置表設(shè)計(jì)，但其最終都關(guān)聯(lián)到同一個(gè)數(shù)字化模型裝配中，為了上、下游數(shù)據(jù)重用及協(xié)同，建議參數(shù)定義不要重復(fù)命名以免造成混淆。

3 CATIA內(nèi)創(chuàng)建參數(shù)及關(guān)聯(lián)關(guān)系

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)3個(gè)主體部件下，創(chuàng)建已定義的參數(shù)并與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)配置表進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)[13]。利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變更時(shí)，參數(shù)變化直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字化模型更新，而不需要重復(fù)創(chuàng)建模型。

4 創(chuàng)建模板數(shù)據(jù)庫(kù)：底層部件的模板開發(fā)

4.1 輪廓和花紋一級(jí)子部件數(shù)字化模型設(shè)計(jì)

利用定義好的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行輪廓圖和花紋圖設(shè)計(jì)，完成相應(yīng)的輪廓分段和花紋節(jié)距模板開發(fā)，用于后續(xù)Profile和Pattern模型搭建。以輪廓圖為例，對(duì)輪廓進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，每段設(shè)計(jì)將下游設(shè)計(jì)用到的輸入進(jìn)行發(fā)布輸出。

4.2 胎側(cè)底層部件數(shù)字化模型設(shè)計(jì)

對(duì)胎側(cè)中STB和CHS創(chuàng)建模板，與輪廓和花紋模板一樣發(fā)布設(shè)計(jì)參數(shù)，利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變更時(shí)模板重用的目的；對(duì)胎側(cè)中STB和CHS部件創(chuàng)建相應(yīng)的包含定位及字體排列等功能的模板，實(shí)現(xiàn)胎側(cè)/字體設(shè)計(jì)角度、排布半徑等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更改時(shí)模板重用。

5 模板調(diào)用及裝配搭建

搭建好輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)部件結(jié)構(gòu)后，對(duì)各部件采用模板調(diào)用或者手工創(chuàng)建的方式完成數(shù)字化模型裝配。

5.1 Profile數(shù)字化模型搭建

調(diào)入Profile子部件模板，建立子部件數(shù)字化模型，并對(duì)必要的點(diǎn)、線等元素進(jìn)行發(fā)布，作為下游Pattern和Sidewall模型的輸入，如圖4所示。

圖4 輪廓模板及上游數(shù)據(jù)發(fā)布界面

當(dāng)上游Profile設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更改時(shí)，下游設(shè)計(jì)可以同步進(jìn)行更新，保證數(shù)據(jù)源的唯一性及設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同。

5.2 Pattern數(shù)字化模型搭建

調(diào)入Pattern子部件模板，建立子部件數(shù)字化模型，以上游Profile設(shè)計(jì)發(fā)布的如PDM_size、胎面曲線及花紋溝底曲線等對(duì)象作為外部參數(shù)/外部參考的輸入，結(jié)合Pattern配置表中的設(shè)計(jì)參數(shù)，逐一實(shí)例化可參數(shù)驅(qū)動(dòng)的各節(jié)距，完成該節(jié)點(diǎn)一級(jí)部件的搭建，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)重用的實(shí)例化花紋節(jié)距設(shè)計(jì)界面

5.3 Sidewall數(shù)字化模型搭建

以上游Profile設(shè)計(jì)發(fā)布的如分型面半徑點(diǎn)和胎側(cè)曲線等對(duì)象作為外部參考的輸入，在搭建好的包含四級(jí)結(jié)構(gòu)的胎側(cè)節(jié)點(diǎn)中，首先調(diào)入定位模板搭建四級(jí)PTT定位部件數(shù)字化模型，以確定整個(gè)胎側(cè)設(shè)計(jì)所有的定位點(diǎn)、定位線和定位面，如圖6所示。

圖6 PTT定位點(diǎn)/軸/線/面模板示意

根據(jù)已經(jīng)創(chuàng)建完成的定位模板，依次調(diào)入CHS和STB等一系列模板搭建三級(jí)和二級(jí)部件數(shù)字化模型，對(duì)于裝飾鐳射線等特殊設(shè)計(jì)采用手工設(shè)計(jì)創(chuàng)建的方式。最后完成Sidewall全裝配部件數(shù)字化模型搭建，同時(shí)完成全裝配輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化模型搭建，如圖7所示。

圖7 輪胎全裝配產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化模型

6 結(jié)語(yǔ)

本工作探討輪胎全裝配產(chǎn)品設(shè)計(jì)部件及數(shù)字化模型的搭建方法，通過(guò)對(duì)全部設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)定義及配置表設(shè)計(jì)，在CATIA中創(chuàng)建定義參數(shù)及定制配置表的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用各部件配置表中的參數(shù)對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)本部件的模型更新，并將相關(guān)參數(shù)、點(diǎn)/線/面等特征發(fā)布出來(lái)作為下游相關(guān)部件數(shù)字化模型的實(shí)時(shí)輸入。在完成全部部件結(jié)構(gòu)搭建及模板調(diào)用后，將各特征通過(guò)上、下文鏈接和約束關(guān)系等裝配在一起，形成完整的輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖。

以往對(duì)輪胎Profile，Pattern和Sidewall普遍采用獨(dú)立設(shè)計(jì)，為了配合輪胎性能的提升，在實(shí)際開發(fā)時(shí)經(jīng)常需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化。當(dāng)Profile上游數(shù)據(jù)發(fā)生設(shè)計(jì)變更時(shí)，會(huì)采用人工提取的方式進(jìn)行二次使用，容易造成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不能及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞到下游，不僅效率低且無(wú)法從源頭上保證即時(shí)性，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；而且由于沒(méi)有參數(shù)驅(qū)動(dòng)，每次發(fā)生設(shè)計(jì)變更時(shí)，都需要重新設(shè)計(jì)制圖，工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)。因此傳統(tǒng)的各部件獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)不僅使數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)孤島狀態(tài)，而且存在由于多次設(shè)計(jì)修改導(dǎo)致開發(fā)周期延長(zhǎng)的問(wèn)題。本工作基于CATIA軟件對(duì)輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化模型搭建進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了Profile，Pattern和Sidewall三部分的設(shè)計(jì)協(xié)同性。采用參數(shù)化模板方式進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，利用CATIA上、下文鏈接和參數(shù)驅(qū)動(dòng)功能，不僅保證了上游數(shù)據(jù)源統(tǒng)一，而且大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升裝配精度，提高了輪胎產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。