一種基于CATIA的輪胎胎側(cè)字體參數(shù)化排列方法

張 敏，李 華，吳東霞，程麗娜，黃明新

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

胎側(cè)上的文字用于說明輪胎的規(guī)格型號、產(chǎn)地等一些重要信息，雖然對產(chǎn)品性能沒有直接影響，卻直接影響產(chǎn)品外觀。以前，輪胎胎側(cè)字體圖設(shè)計在AutoCAD中完成。由于系統(tǒng)字體的粗度、造型不能滿足客戶的需要，一般通行的做法都是另外進行字體/符號造型設(shè)計，然后排列成一行或多行，最后使用獨立編制的程序?qū)⑦@些字符排列到胎側(cè)上去（在平面上按圓弧排列）[1]。在此過程中，字符間距（以下簡稱字間距）和詞間距都是在排列成行時由設(shè)計者手工調(diào)整，而這些間距需要根據(jù)前后相鄰字體不同的形狀進行調(diào)整，因此這些間距必然會存在差別，甚至影響美觀；而且在字體大小、間距、內(nèi)容等有一項需要調(diào)整時，上述所有的工作都必須重新做。由于胎側(cè)上每側(cè)字符都在300個以上，胎側(cè)字體排列一直是輪胎模具設(shè)計中最繁瑣的工作之一。

進入21世紀(jì)以來，隨著3D設(shè)計軟件在輪胎行業(yè)內(nèi)的普及[2]，越來越多的企業(yè)轉(zhuǎn)向使用CATIA等參數(shù)化設(shè)計軟件[3-4]。然而CATIA在輪胎設(shè)計方面的研究大多集中在花紋、結(jié)構(gòu)等方面[5-7]，雖然一些企業(yè)和高校對胎側(cè)字體排列也有所研究[8-9]，但都不夠深入。雖然法國Gravotech Marking公司開發(fā)的TYPE3可以用來在胎側(cè)上寫字，但是TYPE3軟件只能對字形進行傾斜等變化，并不具備扇形變形等功能，而且輸出結(jié)果是一個線框整體，在不斷參的情況下，如果要繼續(xù)做3D造型只能增厚或向某個方向拉伸，無法做出拔模角等，與實際產(chǎn)品要求相去甚遠(yuǎn)[10]。因此要應(yīng)對客戶對胎側(cè)設(shè)計不斷變化的需求，需要開發(fā)靈活多變的自定義字體（2D和3D）和自動將這些字體進行排列的工具。

本工作在CATIA V5R22版本下，在前期做好字體模板的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用字高、扇形變形、垂直方向?qū)R等參數(shù)，實現(xiàn)字形大小變化、扇形變形、上/中/下對齊等功能；在排列時，將用于字符定位計算的參數(shù)——字寬拆分成前后2個參數(shù)，分別根據(jù)可能相鄰的字形進行調(diào)整，使不同的字符相鄰時字間距視覺效果趨于一致；利用CAA二次開發(fā)自動調(diào)用字體模板，根據(jù)輸入的字符串等參數(shù)信息，在GSD（Generative Shape Design，創(chuàng)成式曲面設(shè)計）模塊下通過程序自動完成胎側(cè)字體2D排列，在PDG（Part Design，零件設(shè)計）模塊下自動完成胎側(cè)字體3D排列；排列完成后仍可對特征下的參數(shù)進行編輯和更新，便于進行產(chǎn)品的系列化擴展。

1 字體庫準(zhǔn)備

把每一個字符做成一個模板，可以通過調(diào)整字高、粗度和扇形變化等參數(shù)對字形進行修改。將字體模板以內(nèi)容為文件名（特殊字符以其英文名稱為準(zhǔn)，如“*”為“star”），按類型、尺寸分類，存入對應(yīng)的目錄，形成字體庫。

如果以字符外矩形邊框作為邊界，可以看到胎側(cè)上的字體有各種不同的邊界形狀（如圖1所示），例如“M”和“N”等是第1種形狀，V是第7種形狀。每一個字符在左右邊界上的形狀將影響其視覺上所占據(jù)的寬度，進而會影響到其與相鄰字體排在一起后的間距感覺。

圖1 胎側(cè)文字中7種可能的邊界線條示意

如果把相鄰兩字符邊界之間的距離定義為字間距，那么在相同的字間距情況下，由于受到其形狀特征的影響，也會表現(xiàn)出完全不同的視覺效果，如圖2所示。例如，第1種情況與第6，7，8和9四種情況相比較，前者的視覺間距明顯小于后者。為此，需要根據(jù)字體形狀特征對其排列位置做出調(diào)整，使之達到視覺上的協(xié)調(diào)一致，即以第1種情況為基準(zhǔn)，對其他8種情況的間距進行調(diào)整。

圖2 胎側(cè)文字中9種相鄰關(guān)系的線條示意

根據(jù)字符的形狀特征及其前后可能出現(xiàn)字符的特征，以其幾何中心為基準(zhǔn)點，確定每個字符的排列尺寸調(diào)整參數(shù)：字體高寬比（R）、前排列修正系數(shù)（a）、后排列修正系數(shù)（b）。對同一類字體建立調(diào)整參數(shù)xml文件，并存儲以上字形參數(shù)。每個字符在使用時根據(jù)使用字高（H）計算實際寬度（W）、前排列半寬（Wa）和后排列半寬（Wb），如圖3所示，h為字符筆劃粗度。

圖3 字體參數(shù)示意

字形參數(shù)計算公式為

計算字符排列位置時一般不直接使用W，而使用Wa和Wb，這樣就可以對每個字符的排列位置進行獨立調(diào)整。通過對a和b的調(diào)整，可以適配該字符所有可能的相鄰字符，使各種情況下的字間距都合理、美觀。

以單線字“P”為例，它屬于第3種形狀的字體，其4 mm字高的字體參數(shù)為：R＝1.449 7，a＝0，b＝－0.2 mm，因而其W＝2.759 2 mm，Wa＝1.379 6 mm，Wb＝1.179 6 mm。這樣設(shè)定可以使其左外側(cè)字間距不至于過窄、右外側(cè)字間距也不會過寬。

2 程序編制要點

2.1 排列位置計算原理

由于每行胎側(cè)文字都由多個字符組成，每個字符都有對應(yīng)的字體模板，因此程序需要根據(jù)輸入字符串，解析出每一個字符。

（1）根據(jù)前面計算所得的參數(shù)W，Wa和Wb，可計算出整個字符串長度（L）：

式中：n是字符串非空字符數(shù)；i是字符順序號，為從2開始的自然數(shù)；m是字符串空格數(shù)；DW是詞間距；DL是字間距。

（2）由于存在字體排列不同的水平對齊方式（左、中、右），需要計算實際排列時每個字符的定位點位置。對于首字符：

式中，A是定位點，P是字符串插入點位置。

2.2 程序界面

程序界面如圖4所示，可輸入?yún)⒖记?、參考曲線、插入點，選擇相應(yīng)的字體模板，并輸入要排列的字符串、字高、粗度、對齊方式等參數(shù)。

圖4 程序界面示意

2.3 字體模板

由于字符內(nèi)容就是字體模板文件名，程序可以直接調(diào)用對應(yīng)目錄里的字體模板進行實例化。但是，對于“，”“.”“*”“/”“：”“!”等特殊字符需要建立特殊字符轉(zhuǎn)換表，以便程序進行轉(zhuǎn)換調(diào)用。

2.4 字體更新

排列完成的字符串圖形作為一個完整的特征對象掛在特征樹上，可以通過變化輸入的曲面、曲線、插入點或編輯其參數(shù)（字符串內(nèi)容、字高、粗度等），更新出所需的字體。

3 字體排列程序調(diào)用步驟

以輪胎負(fù)荷和充氣壓力字符串的2D排列為例，說明程序使用步驟（此處略去插入點“Point”、參考曲線“Curve”和參考曲面“Surface”等的作圖過程）。

（1）在CATIA中啟動2D字體排列程序，如圖5所示。

圖5 參數(shù)輸入界面示意

（2）在程序界面上通過“Family”下拉菜單選擇“Convention”及“Type”下拉菜單選擇“4.0 mm”字體，在“Text”輸入框中輸入需要排列的字符串“MAX.LOAD 630 kg（1389 LBS）AT 300 kPa（44 P.S.I.）COLD”。

（3）在程序界面上依次輸入插入點、參考曲線和參考曲面（在CATIA視圖中選擇），在“Position”欄選擇“L”（左）對齊方式，在“Location”欄選擇“T”（上）對齊方式，選中“扇形變形”按鈕。

（4）在程序界面上輸入H等參數(shù)值。

（5）按確定按鈕，完成排列，并在參數(shù)樹上掛出相應(yīng)的特征及參數(shù)，如圖6所示。

圖6 程序運行結(jié)果示意

如果參考曲面是胎側(cè)曲面，字體模板是3D的，使用3D字體排列程序可以得到與實際輪胎一致的3D字體排列圖，如圖7所示。

圖7 3D文字排列實例

4 結(jié)語

本工作對胎側(cè)字體2D和3D排列方法進行探討，通過將字寬拆分成前后2個參數(shù)分別進行調(diào)整的方式，解決了不同字符相鄰時字間距視覺效果不一致的問題，同時利用CAA二次開發(fā)，實現(xiàn)了字體模板的自動調(diào)用和字符串的自動排列。排列結(jié)果成為特征對象掛在參數(shù)樹上，通過輸入幾何元素及參數(shù)的變化，實現(xiàn)規(guī)格的系列化擴展。

以前在AutoCAD中做胎側(cè)字體圖，每個產(chǎn)品的圖紙上只有同規(guī)格的部分內(nèi)容可以復(fù)制使用（安全警示等），其他都需要重新繪制，費時費力。采用CATIA后，通過配置參數(shù)表的關(guān)聯(lián)和規(guī)格驅(qū)動，胎側(cè)字體圖能像花紋設(shè)計一樣簡單便捷地進行系列擴展，所需時間從每個產(chǎn)品數(shù)小時大幅縮減到10多分鐘（2D）。

本胎側(cè)字體參數(shù)化排列方法不僅大幅度減小了設(shè)計人員的工作量，而且有效避免了不同產(chǎn)品間布局、定位不一致等人為問題，有利于規(guī)范設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提高胎側(cè)字體圖的設(shè)計質(zhì)量。