基于Creo的土压平衡盾构机整机Top-Down设计

孟晓宁 刘国威 刘曙光

（济南重工股份有限公司，济南 250109）

盾构机是专用于隧道建设的工程机械，具有开挖切削土体、改良与输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能[1]，广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，是衡量一个国家装备制造业水平和能力高低的重大关键装备。

盾构功能的完善决定了其结构的复杂性，若采用传统的独立设计，即使设计师使用Creo的参数化设计建模，各部件间也难以做到协调设计，并存在大量的重复性操作，同时，由于模型间逻辑参考复杂，致使后续设计变更困难，实现不了真正意义上的参数化建模，无法保证设计质量和效率。

Creo软件是美国PTC公司基于特征参数化设计的机械设计软件。Creo的Top-Down（自顶向下）设计工具可以准确有效地将设计意图自顶向下传递，实现上级对下级的控制，具有解决复杂产品设计、产品具有较好的可修改性、可实现协同设计、有效传递控制设计意图、快速产品变型等优点。利用该工具完成土压平衡盾构机的整机参数化建模，可有效控制整机参数、实现协同设计、提高设计效率，减少设计后期修改时间。

1 Top-Down设计方法

1.1 设计工具

Top-Down是一种设计思想，一种自上而下、逐步细化的设计过程，其设计工具有：Layout布局、Skeleton骨架、发布几何、复制几何等。

Layout布局以2D的形式表达产品的大致结构图，通过定义关键尺寸和主要设计参数实现2D与3D的设计集成。Skeleton骨架是设计的框架，用来定义产品的外形轮廓、系统间接口、空间定位等，顶级设计信息放置在顶级组件的骨架模型里，按需将信息分配到合适的子组件骨架。复制几何是在部件骨架中使用拷贝外部几何的方法继承总体骨架中创建的发布几何，然后进行详细设计[2]。

1.2 设计流程

Top-Down设计的典型流程主要分总体设计阶段、部件设计阶段和总体装配阶段。总体设计阶段的任务流程为：创建产品总装配；创建产品总骨架；创建基准面、坐标系、曲线、曲面等特征，完善骨架；创建布局文件，并在骨架模型中声明，建立驱动关系（也可直接在总装配模型中建立参数和关系式实现产品驱动）；针对不同子部件发布几何。部件设计阶段的主要任务有：创建次级装配及骨架；打开次级骨架，外部复制总体发布的几何，按坐标系对齐；细化设计次级骨架；返回次级装配，建立所属零部件（参考同级骨架模型）。总体装配阶段是指打开产品总装配，采用坐标系对齐的方式安装各次级装配。

1.3 设计原则

产品在利用Top-Down参数化设计时，设计过程中会有大量的参考关系，若设计理念不明确、设计过程不规范，会使模型的参考关系混乱，继而导致产品修改困难、再生失败、循环参考、原始的设计意图意外变更等。因此，设计中应掌握以下原则[3]：顶级骨架模型不参照任何其他模型，是一切控制参考的源头；子装配通过坐标系仅和上级骨架模型装配，不参照非骨架模型；子装配中的骨架仅参考上级骨架或声明布局，不参照非骨架模型；子装配中的零件仅参考本装配内部的骨架，不参照子装配以外的模型；零件和零件之间尽量不互相参照，尽量都只参照本子装配内的骨架，如果必须参照，只允许后来的零件参照前面的零件；部件设计时只打开本部件进行设计，不在顶级装配中修改子装配或零件。

2 土压平衡盾构机Top-Down设计

2.1 设计理念

在进行产品设计时首先要确定设计意图、明确产品架构，这样才能更好地掌握产品总装及其部件间的关系层次和空间布局，以建立合理的骨架模型，保证产品相关性、一致性。土压平衡盾构机是一个复杂的机械系统，其零部件的组成情况复杂，数量巨大，按照盾构机的组成原理和工作结构特点，以及机械连接不可拆卸原则把盾构机划分成如图1所示的层次树型逻辑建立盾构机模型[4-5]。

层次树形中，顶层即为土压平衡盾构机整机总装配，总骨架建立在该层；第一层为整机的直属部件，每个部件可单独建立装配和所属骨架，该骨架将总骨架中的发布几何复制过来，完成参数传递；第二层为第一层部件的直属零部件，可视其复杂程度选择直接在上级部件中建立或单独建立；依次往下直至第N层完成整机设计。另外，在进行设计时，应注重零部件、特征、参数等命名的规范性，做到清晰、有序、便于管理。

2.2 整机装配和总骨架建立

新建总装配100-000-000-000.asm和所属总骨架100-000-000-000_SKEL.prt，骨架中主要包含三种设计信息：子部件的外形轮廓、子部件的空间占位和子部件之间的接口尺寸，其他详细的设计信息可建立在子部件所属的骨架中。

盾构机的设计是针对性设计，即根据施工需求来确定结构和尺寸，重要的设计参数如管片尺寸和开挖直径，管片尺寸决定盾体外径，开挖直径决定刀盘直径，首先定义如图2所示参数，然后根据上述三种设计信息按部件完善骨架特征。

以刀盘为例，刀盘的外形轮廓可简化为大圆环、扭腿和法兰三部分，以刀盘面板面为坐标原点面，通过定义相关参数和表达式完成刀盘外形轮廓和空间占位的设计，如图3所示。另外，刀盘法兰与主驱动的驱动盘通过多组螺栓连接，刀盘管路后端面通过法兰与回转接头连接，这两部分均涉及部件间连接，参数化设计时需将接口尺寸在骨架中表达出来，避免后期尺寸不统一，无法组装，如图4所示。与刀盘的设计过程相同，完成包括主驱动在内的主要部件的骨架参数设计，并利用发布几何工具将设计信息按部件需要进行发布，方便子骨架复制引用，如图5所示。

图1 土压平衡盾构机的层次树型

图2 初始参数定义

图3 刀盘外形轮廓和空间占位设计

2.3 各部件子装配和子骨架建立

以整机子部件刀盘为例，新建子装配100-001-000-000.asm和所属子骨架100-001-000-000_SKEL.prt，利用复制几何功能将总骨架中发布几何通用和001刀盘两部分内容均复制过来，完成设计参数传递，如图6所示。

图4 刀盘接口尺寸设计

图5 整机骨架模型

完成复制几何后，即可根据刀盘结构需求细化子骨架。此时，可以继续创建面向刀盘零部件的发布几何，零部件复制刀盘骨架模型的发布几何进行详细细化设计；也可以直接在刀盘装配下创建零部件，激活零部件，参考刀盘骨架模型进行零部件详细设计。图7为六主梁刀盘骨架细化后的模型树，设计人员参考此骨架即可完成刀盘的参数化设计。

与刀盘的设计过程相同，完成包括主驱动在内的主要子部件的装配和骨架建立。完成后，各子装配通过坐标系安装到总装配中，土压平衡盾构机整机Top-Down参数化设计即完成。

图6 刀盘骨架—复制几何

图7 刀盘骨架—细化

3 结语

本文给出了Creo 2.0软件Top-Down设计的设计过程及相关技术，并基于该技术介绍了土压平衡盾构机整机Top-Down参数化建模方法。利用该方法进行盾构机设计可实现产品设计系列化，大大缩短产品开发周期，加快产品投入使用，提高经济效益。