应用PTC Creo自顶向下方法进行变压器的设计

邹炳辉

（广东省人力资源社会保障厅职业技能鉴定中心，广东广州 510115）

1 概述

1.1 PTC Creo软件概述

PTCCreo是美国的参数技术公司（Parametric Technology Corporation，PTC公司）的产品，在1988年被发布。PTC Creo是PTC的集成了3D CAD/CAE/CAM的解决方案;易学易用、功能强大、互联互通，是PTCCreo的优点。作为PTC的产品开发系统的核心设计产品，PTCCreo详细描述产品的外形、结构和功能。30多年来，经历20多次的改版，已经成为了中国地区乃至世界范围内最普及的3D CAD/CAM系统的标准软件，能够广泛应用于机械、电子、工业设计、模具、汽车、家电、航空航天、玩具等行业。功能应用包括实体与曲面设计、零件组装、二维绘图制作、模具设计、同步工程、逆向工程等。目前CREO最高版本为PTCCreo Parametric 3.0 M030，是具有单一的数据库功能的综合性MCAD软件。从概念设计到模具开发和加工，利用其无缝的WEB连接性，协同产品设计团队能访问所需的资源、信息和功能。PTCCreo已经成为世界范围内三维建模软件的领头羊，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

1.2 基于PTC Creo的自顶向下设计

自顶向下设计是一种逐步求精的设计的过程和方法。对将要完成的设计进行分解，首先对最高层次中的目标问题进行定义、设计，将其中未能解决的问题作为一个子任务放到下一层中去解决。像这样一层一层、逐一地定义、设计、绘制和检测，直到任意层次上的问题均得到解决，就能设计出来有层次有结构的组件造型。进行自顶向下的设计方法时，设计师利用骨架模型和数据共享功能规划出装配的框架，从而实现真正意义上的自上而下设计；在子装配及组件之间发布和控制设计界面，创建单向相关模型，从而能够继承父模型的变更，然后对新模型进行更改。

1.3 自顶向下设计原理和优势

一个产品的设计过程是从概念设计开始，逐步完善细化，结构设计，验证分析等的复杂过程，使用自上而下的设计工具，能够轻松规划出装配的骨架，而各元件就可围绕整体框架进行设计。这样，管理组件之间的各种关系的复杂性就得以简化。PTCCreo软件还便于在多个设计团队之间同时共享关键几何特征，以及使用默认包络等工具简化大型装配。可以用包含较少细节的实体零件来轻松表示包含许多对象的设计装配，以便减少检索的对象数和加载次数。

PTCCreo提供高级装配功能（例如骨架模型和数据共享功能），以支持自上而下设计。可以轻松地将与装配相关的标准传递给同时执行设计工作的团队。

基于PTCCreo的自顶向下设计主要优点如下。

（1）通过简化大型装配改善性能。使用自上而下设计工具可构建骨架模型以及共享下游设计意图，从而提供了更大的灵活性和更强的整体结构控制能力。

（2）所有修改都会自动从设计信息传播到制造信息，因此设计者可以自信地进行设计变更。

（3）有效处理模型能够更快地提供更优质的设计质量，并可在将来重复利用产品设计。

（4）快速有效地按照客户的独特需求自定义产品。

（5）支持公司主动按订单设计或制造，并且比竞争对手更快、更低成本地向客户提供更优质的自定义产品。

图1 骨架模型

（6）在多个设计师之间高效协调设计意图，做到并行开发产品。

（7）高效创建工艺说明，同时能及早发现制造错误；管理并控制参考和依赖关系。

1.4 自顶向下设计与自底向上设计方法的区别

两种方法的区别如图2所示。

2 变压器自顶向下详细设计步骤

变压器自顶向下详细设计步骤如图3所示。

（1）概念设计

在产品设计初期，使用PTC Creo中的布局Layout功能生成2D设计以在PTCCreo Parametric中构建3D模型，PTCCreo Layout是一种易于使用的2D CAD应用程序，它可以使产品设计团队以2D形式创建详细的概念，包括尺寸和注释等信息，然后使用相同的2D数据轻松地生成同样详细的3D模型。通过将此过程自动化，可以确保以无缝方式连续更新所有的CAD可交付结果。通过使设计团队能够从他们的原始2D概念直接创建3D模型，无需将CAD系统或2D数据交付于3DCAD专家，从而节省时间以及减少错误。设计团队能够充分利用2D数据生成可准确反映原设计意图的完美3D模型。

图2 TOP-DOWN与BOTTOM-UP的比较

（2） 定义初期产品结构（BOM）

设计产品的结构能够创建和验证3D模块化产品组件，无论组件复杂度如何。通过创建可重复使用的产品平台，以及定义它们如何接合和装配，设计师可以快速创建和验证任何特定于客户的产品。设计师可以检查精确的质量、重心等特性，甚至可以检查和解决像干涉之类的重要问题，从而验证产品的设计。在与PTCWindchill软件配合使用时，制造商可以生成和验证由单个物料清单(BOM)定义的、准确的产品配置3D表示形式。

（3） 定义整体设计意图

三维骨架模型是产品设计的总规划，用来帮助处理大型的组件工具。面向三维设计的“顶层骨架”概念。用以支持在三维设计环境下设计信息的动态传递。骨架是功能强大的工具，可以使用它们来创建装配设计的3-D布局或框架。骨架可以充当几何与装配元件的公共参考源。对骨架所做的任何编辑都会自动地将已装配的元件更新为利用共享几何的骨架和元件。

骨架通常用于执行下列操作：为元件创建空间声明；

在元件之间创建界面与位置参考；

在元件之间提供运动——通过修改骨架尺寸或使用机构连接。

骨架是指定了特殊属性的元件。创建时，骨架会自动变为装配的第一个元件，以使每个后续元件都可以参考它。骨架不会影响装配的质量属性，无论在其中创建的几何是什么亦是如此。此外，骨架也可以在装配中很容易地识别，这是因为默认分配的蓝色有助于将其与其他装配区分开来。

骨架通常包含各种基准特征，例如基准平面、轴、点及坐标系。骨架通常也包含草绘与曲面，来表示将要在元件中创建的几何。虽然并非很常用，骨架确实可包含实体几何，但是只能共享实体的曲面。

图3 变压器自顶向下设计步骤

（4） 设定参考相关性

当骨架或布局变动后，则组件也会自动再生，如多个元件都需要进行重大更改（例如：整体长度更改），可修改骨架，将编辑内容传播至每一个共享骨架几何的元件。

（5） 传递设计信息

最顶层的设计相关信息，比如重要的空间位置和装配位置需求，可以通过布局中的声明将此信息传递到子装配(或子组件)和零件中去；Top_down design过程其实就是设计数据传递和管理过程，利用PTCCreo的发布几何功能的方法，子装配及零件就可以接收复制几何，从而达到顶层设计信息传递。

（6） 零件或子组件的详细设计

在后面部分的设计中，可以直接在子组件环境下进行零件设计，设计时可以运用骨架传递下来的信息进行下面的详细设计，及在组件模式下创建元件，其中可以利用PTCCreo自身功能创建选项中的，复制现有、定位缺省基准、孔、创建特征进行零件元件详细结构设计。

变压器自顶向下设计的完整的TOP_DOWN DESIGN概览如图4。

3 基于CREO的自顶向下设计进一步研究（模块化设计）：

图4 TOP-DOWNDESIGN概览

（1）产品自顶向下设计已经取得了一定的成果，进一步的研究方向就是利用PTC Creo Op⁃tions Modeler Extension(OMX)能够创建和验证3D模块化产品组件，无论组件复杂度如何。通过创建可重复使用的产品平台，以及定义它们如何接合和装配，设计师可以快速创建和验证任何特定于客户的产品。设计师可以检查精确的质量、重心等特性，甚至可以检查和解决像干涉之类的重要问题，从而验证产品的设计。在与PTCWind⁃chill软件配合使用时，制造商可以生成和验证由单个物料清单(BOM)定义的、准确的产品配置3D表示形式和PTCCreo中的变体设计。PTCCreo提供了不同的策略来实现装配中的替换，比如使用族表零件、参照模型、复制模型等模块化变型设计。

（2）模块化设计功能和优势

1）通过在设计阶段的早期在3D下创建和验证产品平台，缩短设计周期。

2）通过直接重复使用PTCCreo中的3D模型和PTCWindchill中的各个物料清单(BOM)，减少过程错误和工程返工。

3）通过定义公共的体系结构和产品平台自动创建任何产品，并帮助管理这些产品的接合和装配方式。

4）通过自动完成本来要使用大量人力执行且易于出错的任务，更早地优化产品。

图5 变压器模块化设计

5）通过改进与客户、供应商和同事的沟通，提高设计和工程生产效率。

（3）变压器的模块化设计

模块化设计概览如图5。

益处：1）提升模型的使用柔性；2）降低设计过程数据的冗余；3）可按模块进行并行设计；4）大幅提高模型的利用率

（4）模块化设计的规划

如图6所示，按照产品结构的特点，划分子装配形成独立的模块；

根据不同的模块的特点，将模块进行分类，不同类型的模块采用不同的模型装配和建构方法；

模块间的配合，仅通过其父项预定义骨架的装配接口实现；

最小模块内的零部件的装配及几何尺寸关系仅关联于本模块内的其他对象，与模块外的对象形隔离。

4 结束语

在变压器的开发设计中，利用了PTCCreo的自顶向下设计方法，实现了产品控制结构和产品装配分离的并行工程，此外利用了PTCCreo高精密度的数字化模型具有全相关性，从而使得在任何地方所做的产品变更无论在哪里都能更新交付数据。

［1］《PTC@NEWS》PTC中国用户通讯［Z］.参数技术（上海）软件有限公司，2014.