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。作為PTC的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的核心設(shè)計產(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、模具、汽車、家電、航空航天、玩具等行業(yè)。功能應(yīng)用包括實體與曲面設(shè)計、零件組裝、二維繪圖制作、模具設(shè)計、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)計團(tuán)隊能訪問所需的資源、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)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。

1.2 基于PTC Creo的自頂向下設(shè)計

自頂向下設(shè)計是一種逐步求精的設(shè)計的過程和方法。對將要完成的設(shè)計進(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，將其中未能解決的問題作為一個子任務(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、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)計方法時，設(shè)計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，從而實現(xiàn)真正意義上的自上而下設(shè)計；在子裝配及組件之間發(fā)布和控制設(shè)計界面，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)計原理和優(yōu)勢

一個產(chǎn)品的設(shè)計過程是從概念設(shè)計開始，逐步完善細(xì)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計，驗證分析等的復(fù)雜過程，使用自上而下的設(shè)計工具，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。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軟件還便于在多個設(shè)計團(tuán)隊之間同時共享關(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)的實體零件來輕松表示包含許多對象的設(shè)計裝配，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?？梢暂p松地將與裝配相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)傳遞給同時執(zhí)行設(shè)計工作的團(tuán)隊。

基于PTCCreo的自頂向下設(shè)計主要優(yōu)點如下。

（1）通過簡化大型裝配改善性能。使用自上而下設(shè)計工具可構(gòu)建骨架模型以及共享下游設(shè)計意圖，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）所有修改都會自動從設(shè)計信息傳播到制造信息，因此設(shè)計者可以自信地進(jìn)行設(shè)計變更。

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

（4）快速有效地按照客戶的獨特需求自定義產(chǎn)品。

（5）支持公司主動按訂單設(shè)計或制造，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）在多個設(shè)計師之間高效協(xié)調(diào)設(shè)計意圖，做到并行開發(fā)產(chǎn)品。

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

1.4 自頂向下設(shè)計與自底向上設(shè)計方法的區(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)計步驟

變壓器自頂向下詳細(xì)設(shè)計步驟如圖3所示。

（1）概念設(shè)計

在產(chǎn)品設(shè)計初期，使用PTC Creo中的布局Layout功能生成2D設(shè)計以在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)計團(tuán)隊以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)計團(tuán)隊能夠從他們的原始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)省時間以及減少錯誤。設(shè)計團(tuán)隊能夠充分利用2D數(shù)據(jù)生成可準(zhǔn)確反映原設(shè)計意圖的完美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)計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能夠創(chuàng)建和驗證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)計師可以快速創(chuàng)建和驗證任何特定于客戶的產(chǎn)品。設(shè)計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，從而驗證產(chǎn)品的設(shè)計。在與PTCWindchill軟件配合使用時，制造商可以生成和驗證由單個物料清單(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)計意圖

三維骨架模型是產(chǎn)品設(shè)計的總規(guī)劃，用來幫助處理大型的組件工具。面向三維設(shè)計的“頂層骨架”概念。用以支持在三維設(shè)計環(huán)境下設(shè)計信息的動態(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；

在元件之間提供運動——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，骨架會自動變?yōu)檠b配的第一個元件，以使每個后續(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，這是因為默認(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，骨架確實可包含實體幾何，但是只能共享實體的曲面。

圖3 變壓器自頂向下設(shè)計步驟

（4） 設(shè)定參考相關(guān)性

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

（5） 傳遞設(shè)計信息

最頂層的設(shè)計相關(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過程其實就是設(shè)計數(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)計信息傳遞。

（6） 零件或子組件的詳細(xì)設(shè)計

在后面部分的設(shè)計中，可以直接在子組件環(huán)境下進(jìn)行零件設(shè)計，設(shè)計時可以運用骨架傳遞下來的信息進(jìn)行下面的詳細(xì)設(shè)計，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。

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

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

圖4 TOP-DOWNDESIGN概覽

（1）產(chǎn)品自頂向下設(shè)計已經(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)計師可以快速創(chuàng)建和驗證任何特定于客戶的產(chǎn)品。設(shè)計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，從而驗證產(chǎn)品的設(shè)計。在與PTCWind?chill軟件配合使用時，制造商可以生成和驗證由單個物料清單(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。PTCCreo提供了不同的策略來實現(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。

（2）模塊化設(shè)計功能和優(yōu)勢

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

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

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

圖5 變壓器模塊化設(shè)計

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

（3）變壓器的模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計概覽如圖5。

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

（4）模塊化設(shè)計的規(guī)劃

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

根據(jù)不同的模塊的特點，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，僅通過其父項預(yù)定義骨架的裝配接口實現(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)計中，利用了PTCCreo的自頂向下設(shè)計方法，實現(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.