基于Creo的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)Top-Down設(shè)計

孟曉寧 劉國威 劉曙光

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)是專用于隧道建設(shè)的工程機(jī)械，具有開挖切削土體、改良與輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能[1]，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平和能力高低的重大關(guān)鍵裝備。

盾構(gòu)功能的完善決定了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，若采用傳統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計，即使設(shè)計師使用Creo的參數(shù)化設(shè)計建模，各部件間也難以做到協(xié)調(diào)設(shè)計，并存在大量的重復(fù)性操作，同時，由于模型間邏輯參考復(fù)雜，致使后續(xù)設(shè)計變更困難，實(shí)現(xiàn)不了真正意義上的參數(shù)化建模，無法保證設(shè)計質(zhì)量和效率。

Creo軟件是美國PTC公司基于特征參數(shù)化設(shè)計的機(jī)械設(shè)計軟件。Creo的Top-Down（自頂向下）設(shè)計工具可以準(zhǔn)確有效地將設(shè)計意圖自頂向下傳遞，實(shí)現(xiàn)上級對下級的控制，具有解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品具有較好的可修改性、可實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計、有效傳遞控制設(shè)計意圖、快速產(chǎn)品變型等優(yōu)點(diǎn)。利用該工具完成土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的整機(jī)參數(shù)化建模，可有效控制整機(jī)參數(shù)、實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計、提高設(shè)計效率，減少設(shè)計后期修改時間。

1 Top-Down設(shè)計方法

1.1 設(shè)計工具

Top-Down是一種設(shè)計思想，一種自上而下、逐步細(xì)化的設(shè)計過程，其設(shè)計工具有：Layout布局、Skeleton骨架、發(fā)布幾何、復(fù)制幾何等。

Layout布局以2D的形式表達(dá)產(chǎn)品的大致結(jié)構(gòu)圖，通過定義關(guān)鍵尺寸和主要設(shè)計參數(shù)實(shí)現(xiàn)2D與3D的設(shè)計集成。Skeleton骨架是設(shè)計的框架，用來定義產(chǎn)品的外形輪廓、系統(tǒng)間接口、空間定位等，頂級設(shè)計信息放置在頂級組件的骨架模型里，按需將信息分配到合適的子組件骨架。復(fù)制幾何是在部件骨架中使用拷貝外部幾何的方法繼承總體骨架中創(chuàng)建的發(fā)布幾何，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計[2]。

1.2 設(shè)計流程

Top-Down設(shè)計的典型流程主要分總體設(shè)計階段、部件設(shè)計階段和總體裝配階段?？傮w設(shè)計階段的任務(wù)流程為：創(chuàng)建產(chǎn)品總裝配；創(chuàng)建產(chǎn)品總骨架；創(chuàng)建基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系、曲線、曲面等特征，完善骨架；創(chuàng)建布局文件，并在骨架模型中聲明，建立驅(qū)動關(guān)系（也可直接在總裝配模型中建立參數(shù)和關(guān)系式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品驅(qū)動）；針對不同子部件發(fā)布幾何。部件設(shè)計階段的主要任務(wù)有：創(chuàng)建次級裝配及骨架；打開次級骨架，外部復(fù)制總體發(fā)布的幾何，按坐標(biāo)系對齊；細(xì)化設(shè)計次級骨架；返回次級裝配，建立所屬零部件（參考同級骨架模型）?？傮w裝配階段是指打開產(chǎn)品總裝配，采用坐標(biāo)系對齊的方式安裝各次級裝配。

1.3 設(shè)計原則

產(chǎn)品在利用Top-Down參數(shù)化設(shè)計時，設(shè)計過程中會有大量的參考關(guān)系，若設(shè)計理念不明確、設(shè)計過程不規(guī)范，會使模型的參考關(guān)系混亂，繼而導(dǎo)致產(chǎn)品修改困難、再生失敗、循環(huán)參考、原始的設(shè)計意圖意外變更等。因此，設(shè)計中應(yīng)掌握以下原則[3]：頂級骨架模型不參照任何其他模型，是一切控制參考的源頭；子裝配通過坐標(biāo)系僅和上級骨架模型裝配，不參照非骨架模型；子裝配中的骨架僅參考上級骨架或聲明布局，不參照非骨架模型；子裝配中的零件僅參考本裝配內(nèi)部的骨架，不參照子裝配以外的模型；零件和零件之間盡量不互相參照，盡量都只參照本子裝配內(nèi)的骨架，如果必須參照，只允許后來的零件參照前面的零件；部件設(shè)計時只打開本部件進(jìn)行設(shè)計，不在頂級裝配中修改子裝配或零件。

2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)Top-Down設(shè)計

2.1 設(shè)計理念

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時首先要確定設(shè)計意圖、明確產(chǎn)品架構(gòu)，這樣才能更好地掌握產(chǎn)品總裝及其部件間的關(guān)系層次和空間布局，以建立合理的骨架模型，保證產(chǎn)品相關(guān)性、一致性。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是一個復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其零部件的組成情況復(fù)雜，數(shù)量巨大，按照盾構(gòu)機(jī)的組成原理和工作結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及機(jī)械連接不可拆卸原則把盾構(gòu)機(jī)劃分成如圖1所示的層次樹型邏輯建立盾構(gòu)機(jī)模型[4-5]。

層次樹形中，頂層即為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)總裝配，總骨架建立在該層；第一層為整機(jī)的直屬部件，每個部件可單獨(dú)建立裝配和所屬骨架，該骨架將總骨架中的發(fā)布幾何復(fù)制過來，完成參數(shù)傳遞；第二層為第一層部件的直屬零部件，可視其復(fù)雜程度選擇直接在上級部件中建立或單獨(dú)建立；依次往下直至第N層完成整機(jī)設(shè)計。另外，在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)注重零部件、特征、參數(shù)等命名的規(guī)范性，做到清晰、有序、便于管理。

2.2 整機(jī)裝配和總骨架建立

新建總裝配100-000-000-000.asm和所屬總骨架100-000-000-000_SKEL.prt，骨架中主要包含三種設(shè)計信息：子部件的外形輪廓、子部件的空間占位和子部件之間的接口尺寸，其他詳細(xì)的設(shè)計信息可建立在子部件所屬的骨架中。

盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計是針對性設(shè)計，即根據(jù)施工需求來確定結(jié)構(gòu)和尺寸，重要的設(shè)計參數(shù)如管片尺寸和開挖直徑，管片尺寸決定盾體外徑，開挖直徑?jīng)Q定刀盤直徑，首先定義如圖2所示參數(shù)，然后根據(jù)上述三種設(shè)計信息按部件完善骨架特征。

以刀盤為例，刀盤的外形輪廓可簡化為大圓環(huán)、扭腿和法蘭三部分，以刀盤面板面為坐標(biāo)原點(diǎn)面，通過定義相關(guān)參數(shù)和表達(dá)式完成刀盤外形輪廓和空間占位的設(shè)計，如圖3所示。另外，刀盤法蘭與主驅(qū)動的驅(qū)動盤通過多組螺栓連接，刀盤管路后端面通過法蘭與回轉(zhuǎn)接頭連接，這兩部分均涉及部件間連接，參數(shù)化設(shè)計時需將接口尺寸在骨架中表達(dá)出來，避免后期尺寸不統(tǒng)一，無法組裝，如圖4所示。與刀盤的設(shè)計過程相同，完成包括主驅(qū)動在內(nèi)的主要部件的骨架參數(shù)設(shè)計，并利用發(fā)布幾何工具將設(shè)計信息按部件需要進(jìn)行發(fā)布，方便子骨架復(fù)制引用，如圖5所示。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的層次樹型

圖2 初始參數(shù)定義

圖3 刀盤外形輪廓和空間占位設(shè)計

2.3 各部件子裝配和子骨架建立

以整機(jī)子部件刀盤為例，新建子裝配100-001-000-000.asm和所屬子骨架100-001-000-000_SKEL.prt，利用復(fù)制幾何功能將總骨架中發(fā)布幾何通用和001刀盤兩部分內(nèi)容均復(fù)制過來，完成設(shè)計參數(shù)傳遞，如圖6所示。

圖4 刀盤接口尺寸設(shè)計

圖5 整機(jī)骨架模型

完成復(fù)制幾何后，即可根據(jù)刀盤結(jié)構(gòu)需求細(xì)化子骨架。此時，可以繼續(xù)創(chuàng)建面向刀盤零部件的發(fā)布幾何，零部件復(fù)制刀盤骨架模型的發(fā)布幾何進(jìn)行詳細(xì)細(xì)化設(shè)計；也可以直接在刀盤裝配下創(chuàng)建零部件，激活零部件，參考刀盤骨架模型進(jìn)行零部件詳細(xì)設(shè)計。圖7為六主梁刀盤骨架細(xì)化后的模型樹，設(shè)計人員參考此骨架即可完成刀盤的參數(shù)化設(shè)計。

與刀盤的設(shè)計過程相同，完成包括主驅(qū)動在內(nèi)的主要子部件的裝配和骨架建立。完成后，各子裝配通過坐標(biāo)系安裝到總裝配中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)Top-Down參數(shù)化設(shè)計即完成。

圖6 刀盤骨架—復(fù)制幾何

圖7 刀盤骨架—細(xì)化

3 結(jié)語

本文給出了Creo 2.0軟件Top-Down設(shè)計的設(shè)計過程及相關(guān)技術(shù)，并基于該技術(shù)介紹了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整機(jī)Top-Down參數(shù)化建模方法。利用該方法進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)設(shè)計可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計系列化，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品投入使用，提高經(jīng)濟(jì)效益。