撰文/中車唐山機車車輛有限公司 宮洪磊 張紹東 郭玉亮 王志海

Creo二次開發(fā)及其在車體型材設(shè)計中的應(yīng)用

撰文/中車唐山機車車輛有限公司 宮洪磊 張紹東 郭玉亮 王志海

針對目前軌道車輛產(chǎn)品設(shè)計特點，分析Creo 二次開發(fā)快速設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。提出基于TOOLKIT 和VC2008開發(fā)平臺的快速設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計思路，重點研究并實現(xiàn)了模板派生、參數(shù)傳遞、特征自動建模、骨架模型替換和數(shù)據(jù)庫管理等關(guān)鍵技術(shù)并通過車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)實例說明這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。

一、前言

計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD）在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。其在產(chǎn)品設(shè)計過程中的廣泛應(yīng)用不僅使設(shè)計人員擺脫手工二維繪圖的繁瑣，而且也使得產(chǎn)品設(shè)計更加精確、便捷和直觀。

目前，中國軌道車輛領(lǐng)域主要采用Creo及其升級產(chǎn)品三維設(shè)計軟件開展產(chǎn)品幾何樣機設(shè)計，提高了工作效率。但隨著軌道車輛技術(shù)的快速發(fā)展，軌道車輛產(chǎn)品的研制難度逐漸增加、研制周期不斷縮短、功能需求愈加多樣，需要在較短時間內(nèi)設(shè)計出滿足不同技術(shù)指標(biāo)、適用不同功能需求的車輛產(chǎn)品。如何在產(chǎn)品設(shè)計過程中縮短研制周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的通用化、模塊化和系列化已成為軌道車輛領(lǐng)域開展數(shù)字化技術(shù)平臺建設(shè)的重要目標(biāo)。在現(xiàn)有三維設(shè)計軟件平臺下開發(fā)符合軌道車輛自身產(chǎn)品特點，提高設(shè)計效率、規(guī)范，固化設(shè)計流程的系統(tǒng)工具產(chǎn)品插件，是軌道車輛領(lǐng)域數(shù)字化的最有效方法之一。

美國PTC公司的Creo軟件是當(dāng)前國內(nèi)外使用較廣泛的三維CAD軟件之一。同其他三維CAD軟件一樣，面對軌道車輛產(chǎn)品造型復(fù)雜、非標(biāo)件眾多、零部件借用關(guān)系復(fù)雜、空間布局不一和產(chǎn)品設(shè)計版本更改頻繁等特點，Creo軟件在使用過程中也存在著通用性有余，專用性不足的問題，特別是在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計流程及設(shè)計意圖傳遞等方面和軌道車輛產(chǎn)品特點存在著差異，難以最大效益地發(fā)揮軟件的功能。因此要滿足設(shè)計的特殊需求，必須對Creo軟件進行二次開發(fā)。本文著重研究了在Creo2.0環(huán)境下采用Toolkit和VC2008開發(fā)的車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

二、Toolkit二次開發(fā)流程

Toolkit是針對Creo功能的二次開發(fā)工具。它提供了幾乎覆蓋Creo主要功能模塊（零件、裝配、電纜、焊接和標(biāo)注等）的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)，使外部應(yīng)用程序可以直接訪問Creo 底層應(yīng)用數(shù)據(jù)。

通過C語言編程來調(diào)用Toolkit提供的API 接口函數(shù)來開發(fā)外部應(yīng)用程序，并將其內(nèi)嵌于Creo平臺中實現(xiàn)與Creo間的無縫集成，從而滿足用戶的特殊功能需求。如圖1所示，要開發(fā)一個完整的Toolkit外部應(yīng)用程序，需要經(jīng)過編寫資源文件（包括信息資源文件、對話框資源文件和菜單資源文件），調(diào)用Toolkit接口函數(shù)并設(shè)計幾何算法在VC2008平臺上進行開發(fā)、應(yīng)用程序的編譯和連接，以及程序的注冊和運行等過程。

圖1　TOOLKIT二次開發(fā)流程圖

三、系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

1. 模板派生技術(shù)

車體型材設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計時，存在大量相似的C槽、接頭和單段型材輪廓等結(jié)構(gòu)件，如果分別進行三維建模，將帶來很大的工作負擔(dān)。Creo作為全參數(shù)化三維設(shè)計軟件，其最大的特點就是利用參數(shù)修改來驅(qū)動三維模型自動再生，具體體現(xiàn)為模板派生技術(shù)。該技術(shù)利用Toolkit編程來實現(xiàn)，通過建立模型設(shè)計參數(shù)和模型尺寸之間的關(guān)系，使用相關(guān)API接口函數(shù)提取設(shè)計參數(shù)，根據(jù)設(shè)計員在對話框中的輸入值來修改設(shè)計參數(shù)值，進而改變尺寸大小，自動驅(qū)動模型再生，即利用一個三維模型來快速衍生出具有相同拓撲結(jié)構(gòu)的所有模型，實現(xiàn)變形設(shè)計。運用該技術(shù)可以極大地提高結(jié)構(gòu)相同模型的建模效率，模板派生技術(shù)的實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 模板派生技術(shù)

圖3為一個用Toolkit編程開發(fā)的車體型材三維模型模板。通過VC2008開發(fā)的對話框界面輸入型材輪廓、C槽和接頭等設(shè)計參數(shù)值后，可自動派生出對應(yīng)的車體型材模型。

圖3　車體單段型材的模板派生

2.參數(shù)傳遞技術(shù)

在進行車體型材快速設(shè)計時，為了使車體輪廓、車體型材的參數(shù)變化保持同步性，減少后臺運算量，車體型材骨架及實體應(yīng)借助自頂向下建模方法建成，在變型設(shè)計過程中，通過全局主參數(shù)或局部主參數(shù)驅(qū)動產(chǎn)品或零部件模型完成變型設(shè)計。在Creo中LAYOUT記事本功能可以實現(xiàn)參數(shù)傳遞，直接通過數(shù)據(jù)庫來承擔(dān)記錄模型父子關(guān)系的中轉(zhuǎn)站，減少冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，實現(xiàn)上下級之間數(shù)據(jù)傳遞的連續(xù)性。工作原理如圖4所示。

圖4　參數(shù)傳遞原理圖

圖5　型材筋板用戶自定義特征

3.UDF特征自動建模技術(shù)

在進行產(chǎn)品設(shè)計時，經(jīng)常會遇到一些重復(fù)出現(xiàn)的特征。如型材筋板、車體車窗加工和車門加工等。因此，需要花費大量時間進行這種重復(fù)性特征創(chuàng)建操作。用戶自定義特征（UDF）則能將同一特征用于不同的零件上，或?qū)⑷舾蓚€軟件原有特征融合為一個自定義特征，使用時可作為一個全局（即Creo中組特征）特征出現(xiàn)。因此，在開發(fā)快速設(shè)計系統(tǒng)時，通過構(gòu)建各種用戶自定義特征庫，使設(shè)計人員依據(jù)產(chǎn)品特點、自由選用，從而快速完成模型幾何特征建模，提高工作效率。

用戶自定義特征的創(chuàng)建需要提前構(gòu)建幾何載體模型，模型創(chuàng)建后指定要包含的參考基準(zhǔn)、幾何特征、可變尺寸及其標(biāo)識，并將這些信息保存為ghp文件，再利用UDF開發(fā)接口函數(shù)在程序中讀取這個文件同時改變可變尺寸參數(shù)值，從而自動產(chǎn)生所需的設(shè)計特征。這種方法（即用Toolkit編寫程序?qū)DF進行控制和使用）與手工建模過程比較相似，易于理解且開發(fā)編程較易。如圖5所示，為單段型材筋板創(chuàng)建的UDF，在型材筋板連接設(shè)計時，設(shè)計人員只需選擇筋板的兩個端點，即可生成筋板特征。

4. 骨架模型替換技術(shù)

車體型材中有的型材結(jié)構(gòu)屬于異體結(jié)構(gòu)，通過模型模板派生技術(shù)需要建立大量的參數(shù)進行驅(qū)動，無法實現(xiàn)快速變形。采用型材骨架替換技術(shù)，當(dāng)需要單段型材替換時，直接從庫中選擇需要的結(jié)構(gòu)類型。這樣的模型結(jié)構(gòu)中每段型材創(chuàng)建不同骨架，同一段型材不同結(jié)構(gòu)創(chuàng)建骨架，且每個骨架對應(yīng)一個型材零件模型，通過發(fā)布幾何復(fù)制幾何方式將骨架中所需參考面獲取到零件并創(chuàng)建實體模型。通過參數(shù)傳遞技術(shù)，創(chuàng)建記事本控制每個型材骨架中邊界線及分段位置的統(tǒng)一變形，并創(chuàng)建專門用于收集斷面的骨架模型，通過復(fù)制幾何的方式將不同骨架中的斷面提取到該骨架中以形成完整的型材斷面；當(dāng)型材段替換時將該骨架中復(fù)制的曲面一起替換。

5. 數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)

為了實現(xiàn)PLM系統(tǒng)對模型數(shù)據(jù)進行管理，我們需要將工具后臺的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PLM系統(tǒng)，本文采用Orcacle數(shù)據(jù)庫對模型模板數(shù)據(jù)進行管理，同時開發(fā)相應(yīng)的后臺程序?qū)δＰ湍０逦募M行下載。獲取Windchill系統(tǒng)電子倉庫中車型對應(yīng)的模型模板文件存儲路徑，同時在Oracle數(shù)據(jù)庫中調(diào)取模型對應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)；下載模型文件到本地工作目錄并備份后供程序調(diào)用，同時將模型的參數(shù)顯示在界面上。其過程如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)管理流程圖

四、車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)實施

車體型材設(shè)計入口分為全新設(shè)計和參考設(shè)計，全新設(shè)計將會調(diào)取PLM系統(tǒng)電子倉庫中標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型作為模板按照如圖7所示流程進行全新設(shè)計，參考設(shè)計將會調(diào)取PLM電子倉庫中參考模型數(shù)據(jù)模板里面的模型作為參考進行優(yōu)化或編輯設(shè)計。設(shè)計入口流程如圖7所示。

圖7　設(shè)計入口流程圖

總體設(shè)計根據(jù)選擇的車型，從后臺標(biāo)準(zhǔn)庫中調(diào)用設(shè)計所需的模板，然后經(jīng)過輪廓曲線設(shè)計、單段型材設(shè)計和組件結(jié)構(gòu)搭建三大步驟完成總體設(shè)計。部件設(shè)計指的是總體級以下部件，如車頂組成、側(cè)墻組成、底架組成等，先檢出上級已搭建的空組件，再經(jīng)過子組件結(jié)構(gòu)快速搭建及零件裝配、特征創(chuàng)建二大步驟進行詳細設(shè)計。對前期通用功能進行優(yōu)化并擴展新功能，以滿足設(shè)計人員的需要；后期處理主要是指運用通用功能進行詳細設(shè)計，對前期通用功能進行優(yōu)化并擴展新功能，以滿足設(shè)計人員的需要，將通用功能嵌入到流程中，以保證軟件操作習(xí)慣的一致性和便捷性。圖8為車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)操作流程圖，圖9車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)實際運行過程。

圖8　車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)操作流程圖

圖9　車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)運行實例

五、結(jié)語

本文闡述了Creo二次開發(fā)快速設(shè)計系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，包括模板派生技術(shù)、參數(shù)傳遞技術(shù)、特征自動建模技術(shù)、骨架模型替換技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，并將這些技術(shù)應(yīng)用到車體型材快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)中，有效規(guī)范了車體型材設(shè)計的流程，提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)了車體型材設(shè)計的通用化、模塊化和系統(tǒng)化。