字頭庫(kù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)現(xiàn)

張恩華 張勝蘭 雷陽(yáng) 尹一君 劉峻城

摘? 要：字頭標(biāo)識(shí)規(guī)格、種類繁多，每個(gè)標(biāo)識(shí)也具有不同的大小、斜度和高度，為提高建模效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，提出了一種基于中心矩形線框控制法的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案。根據(jù)字頭標(biāo)識(shí)筆畫(huà)特征分類，通過(guò)尺寸約束和參數(shù)關(guān)系式保持規(guī)格內(nèi)的一致性，最后結(jié)合CATIA Catalog目錄編輯器構(gòu)建字頭庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了變形設(shè)計(jì)和快捷調(diào)用。

關(guān)鍵詞： CATIA；字頭；參數(shù)化設(shè)計(jì)；Catalog

中圖分類號(hào)：TH122；TP391? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）06-0043-04

The Research and Implementation of a Parameterized Design Method for Font Libraries*

ZHANG En-hua1， ZHANG Sheng-lan1， LEI Yang2， YIN Yi-jun2， LIU Jun-cheng1

（1. School of Automotive Engineering， Hubei Institute of Automotive Industry， Shiyan 442002，China; 2. Dongfeng Forging Co.，Ltd. R&D Department，Shiyan 442002，China）

Abstract： The specifications and types of header identifications are diverse， with each identification varying in size， slant， and height. In order to enhance modeling efficiency and design quality， a parameterized design approach based on the central rectangular bounding box control method is proposed. This approach involves categorizing header identifications based on stroke characteristics， maintaining consistency within specifications through size constraints and parameter relationships， and finally， combining this with the CATIA Catalog directory editor to construct a header library， thus achieving deformable design and quick retrieval.

Key Words： CATIA; Fonts; Parametric Design; Catalog

在機(jī)械制造中，零部件表面增加可追溯性標(biāo)識(shí)的技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。永久標(biāo)識(shí)成形技術(shù)利用鍛壓工藝，通過(guò)擠壓和金屬塑性，形成零部件表面的凹凸字畫(huà)標(biāo)識(shí)。所謂字頭也有人稱之為“字?！?、“鋼印字?！被颉白帜ｄ撚　?，其實(shí)相當(dāng)于一種沖頭。

這些標(biāo)識(shí)通常包括數(shù)字、字母和圖案，用于識(shí)別零件的數(shù)量、特性、質(zhì)量、安裝和維修方法等。傳統(tǒng)的字體設(shè)計(jì)是在AutoCAD完成的，軟件中自帶的字體筆畫(huà)粗細(xì)、間距等不能滿足客戶的需求，需要對(duì)字符圖形另外設(shè)計(jì)。張敏等人提出將字體寬度拆分為兩個(gè)參數(shù)，在不同字符排列組合時(shí)能夠單獨(dú)調(diào)整字符排列位置，使相鄰字符的間距保持美觀、合理。對(duì)于單個(gè)字體的修飾沒(méi)有涉及，如拔模斜度和倒角[1]。

法國(guó)的Gravotech Marking公司開(kāi)發(fā)的TYPE3軟件可以用來(lái)在模型表面上寫(xiě)字，但是TYPE3軟件只能改變字形的傾斜角度，而且輸出結(jié)果是一個(gè)線框整體，做出的三維造型只能選取一個(gè)方向進(jìn)行拉伸，無(wú)法做出拔模角度，不能滿足實(shí)際產(chǎn)品的使用場(chǎng)景[2]。

現(xiàn)代三維建模軟件如CATIA在機(jī)械設(shè)計(jì)中廣泛使用[3]。結(jié)合企業(yè)需求，選擇在CATIA軟件平臺(tái)上進(jìn)行參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)字頭標(biāo)識(shí)的快速變形設(shè)計(jì)。首先建立字頭標(biāo)識(shí)模板，然后選取拔模角度、標(biāo)識(shí)高度和標(biāo)識(shí)寬度等作為驅(qū)動(dòng)參數(shù)。通過(guò)修改這些驅(qū)動(dòng)參數(shù)的數(shù)值得到不同規(guī)格的字頭標(biāo)識(shí)模型，再結(jié)合CATIA知識(shí)工程模塊的目錄編輯器，實(shí)現(xiàn)字頭的快速調(diào)用。調(diào)取之后的模型仍可對(duì)特征樹(shù)上的驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修改和編輯，便于字頭規(guī)格的系列拓展。

1? ? 字頭標(biāo)識(shí)分類

字頭為一體式結(jié)構(gòu)件，在建模中分為字頭標(biāo)識(shí)和字頭底座兩個(gè)部分，其中標(biāo)識(shí)是參數(shù)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。如圖1所示，字頭標(biāo)識(shí)為凸起的三維字體，包括英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字，字頭底座與液壓機(jī)固定連接。字頭標(biāo)識(shí)有多種規(guī)格，每種規(guī)格都有不同的標(biāo)識(shí)高度、寬度和拔模角度。

字頭標(biāo)識(shí)一般是大寫(xiě)英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字，避免使用易混淆的字符，如“Q”、“O”。字頭在零件表面擠壓形成的凹字標(biāo)識(shí)為正向標(biāo)識(shí)，所以字頭底座上建立的標(biāo)識(shí)為鏡像反字。CATIA V5中沒(méi)有直接輸入鏡像字體的功能，需要在草圖中使用鏡像功能對(duì)字符圖形進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)字頭標(biāo)識(shí)筆畫(huà)結(jié)構(gòu)之間的差異，將所有的字頭標(biāo)識(shí)分為兩類：直線類和曲線類。如圖2所示：

以字母“H”為例，從CATIA字體庫(kù)中選定所需的字體樣式，將其轉(zhuǎn)換為DWG格式，然后在草圖模塊拆解為可施加約束的直線段，調(diào)整各直線尺寸之后使用系列特征生成三維模型。如圖3所示。

以數(shù)字“2”為例，DWG格式字符拆解之后的草圖是大量點(diǎn)的集合，無(wú)法使用拔模特征生成三維模型。因此，含有曲線筆畫(huà)的字頭標(biāo)識(shí)需要手工繪制，工程制圖模塊中的字符輪廓只能作為參考。為控制筆畫(huà)寬度均勻，需逐個(gè)布置每個(gè)樣條線節(jié)點(diǎn)，以保持內(nèi)外輪廓曲線之間的距離相等。生成的三維模型如圖4所示。

2? ? 字頭參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中迅速調(diào)整和更新設(shè)計(jì)的方法。它將設(shè)計(jì)要素和設(shè)計(jì)參數(shù)分開(kāi)處理，并用參數(shù)來(lái)定義和描述產(chǎn)品設(shè)計(jì)[4]。常見(jiàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖5所示[5]。

在CATIA V5中，對(duì)于相似的新設(shè)計(jì)任務(wù)，只需修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)，即可迅速調(diào)整產(chǎn)品模型，滿足新的設(shè)計(jì)需求。參數(shù)化設(shè)計(jì)前，需要在系統(tǒng)選項(xiàng)界面啟用參數(shù)和關(guān)系的顯示設(shè)置，否則在特征樹(shù)中將無(wú)法顯示[6]。

2.1? ?字頭標(biāo)識(shí)關(guān)鍵參數(shù)的定義

關(guān)鍵參數(shù)是三維模型更新的驅(qū)動(dòng)尺寸[7]，用于用戶調(diào)整字頭標(biāo)識(shí)規(guī)格。根據(jù)字頭標(biāo)識(shí)的規(guī)格差異，定義拔模角度、標(biāo)識(shí)寬度和標(biāo)識(shí)高度作為關(guān)鍵參數(shù)。如圖6所示：

2.2? ?標(biāo)識(shí)非關(guān)鍵參數(shù)的選取

字頭標(biāo)識(shí)包含了各種數(shù)字和英文字母，具有多樣的外輪廓，其中的非關(guān)鍵參數(shù)為各個(gè)標(biāo)識(shí)草圖中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)線和線對(duì)線之間的尺寸約束。工程制圖模塊中字體筆畫(huà)的粗度、造型不能滿足客戶的需要，需要對(duì)原字體進(jìn)行調(diào)整。

為了使同一規(guī)格下的字頭標(biāo)識(shí)大小相同、美觀對(duì)稱?？紤]以坐標(biāo)軸系原點(diǎn)為基準(zhǔn)建立中心矩形線框，設(shè)置固定的長(zhǎng)寬比值，對(duì)字頭標(biāo)識(shí)進(jìn)行整體約束。所有字頭標(biāo)識(shí)草圖均在線框內(nèi)構(gòu)建，其外輪廓與線框貼合，從而確保字符圖形不會(huì)畸變。經(jīng)多次測(cè)試，將矩形線框的長(zhǎng)度和寬度比值設(shè)為1.5時(shí)，生成的字頭標(biāo)識(shí)在底座上較為美觀、飽滿。最后，將矩形線框的寬度尺寸定義為驅(qū)動(dòng)尺寸，長(zhǎng)度尺寸根據(jù)用戶輸入的寬度值進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

2.2.1 直線類字頭標(biāo)識(shí)非關(guān)鍵參數(shù)的選取

直線類字頭標(biāo)識(shí)的非關(guān)鍵參數(shù)主要包括草圖中各段直線的長(zhǎng)度尺寸。草圖中的每個(gè)約束尺寸均與線框?qū)挾瘸叽珀P(guān)聯(lián)，字體筆畫(huà)的寬度隨矩形線框?qū)挾鹊淖兓缺壤淖?。以字頭標(biāo)識(shí)“H”為例，非關(guān)鍵參數(shù)如圖7所示：

2.2.2 曲線類字頭標(biāo)識(shí)非關(guān)鍵參數(shù)的選取

曲線類字頭標(biāo)識(shí)的非關(guān)鍵參數(shù)主要選取樣條線節(jié)點(diǎn)與坐標(biāo)軸原點(diǎn)之間的距離尺寸，其參數(shù)數(shù)量與二維草圖樣條線節(jié)點(diǎn)的數(shù)量相關(guān)。為了使三維模型更加美觀，可以增加標(biāo)識(shí)草圖中樣條線的節(jié)點(diǎn)數(shù)讓字頭的曲線筆畫(huà)過(guò)度更加平滑。然而，節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多也會(huì)使參數(shù)關(guān)系設(shè)置變得更加復(fù)雜。所有節(jié)點(diǎn)的約束尺寸均與矩形線框?qū)挾汝P(guān)聯(lián)。以字頭標(biāo)識(shí)“2”為例，非關(guān)鍵參數(shù)如圖8所示：

3? ? 構(gòu)建字頭庫(kù)

建立零件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)成為機(jī)械工程領(lǐng)域的趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)缺乏對(duì)非標(biāo)零件的系統(tǒng)化管理，致使在非標(biāo)零件的設(shè)計(jì)和更迭上浪費(fèi)人力資源 [8-9]。為管理鍛件字頭零件，將所有的三維數(shù)模集成在Catalog目錄中，構(gòu)建庫(kù)文件[10]。如圖9所示，不僅便于后期添加和維護(hù)，還可以快速調(diào)用所需字頭并進(jìn)行規(guī)格調(diào)整。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)字頭標(biāo)識(shí)進(jìn)行分類為直線類和曲線類，通過(guò)固定長(zhǎng)寬比的矩形線框約束草圖，解決了定位和約束問(wèn)題。

（2）利用不同的非關(guān)鍵參數(shù)選取方式和關(guān)系公式，實(shí)現(xiàn)了快速變形設(shè)計(jì)，僅需輸入拔模角度、標(biāo)識(shí)高度和標(biāo)識(shí)寬度三個(gè)參數(shù)即可生成不同規(guī)格的字頭模型，解決了規(guī)格擴(kuò)展、變換時(shí)重復(fù)性建模問(wèn)題。

（3）通過(guò)目錄編輯器將每個(gè)字頭集成到Catalog庫(kù)文件中，提升了用戶管理和調(diào)用字頭的便捷性。

（4）比較傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)方法，本方法使用參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型變更，不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，還保證了字頭同規(guī)格內(nèi)的一致性，使產(chǎn)品更加美觀和統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

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[10]李春光.CATIA知識(shí)工程入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社有限公司，2021.

專家推薦語(yǔ)

田哲文

武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院

車輛工程專業(yè)? 副教授

字頭標(biāo)識(shí)規(guī)格種類繁多，對(duì)其進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)可提高建模效率和質(zhì)量，對(duì)機(jī)械制造標(biāo)識(shí)水平的提升具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。論文設(shè)計(jì)和例證較為合理，邏輯清晰、條理清楚、可讀性好。