基于Creo的阴极辊产品Top-Down参数化设计

刘党伟，武红霞，赵广文，李辉元

（西安航天动力机械有限公司，陕西 西安710025）

0 引言

阴极辊是电解铜箔生产设备的重要部件，其性能指标决定着铜箔产品的品质和使用寿命[1]。多年来，我公司一直致力于电解铜箔阴极辊产品的研究开发，掌握了阴极辊设计制造的核心技术，在国内享有良好的市场口碑。图1为阴极辊的结构示意[2]。早期的阴极辊制造图纸是采用传统的二维CAD软件设计的，当设计方案或产品结构发生变化时，设计改图时存在的工作量大、效率低、易出错等问题，导致产品设计开发周期过长，不利于产品优化升级。

图1 阴极辊结构图

“十三五”以来，新能源动力电池用锂电铜箔产品进入了空前的快速发展时期，由此带来我公司电解铜箔阴极辊产品的种类和需求量出现了数10倍的增加规模，以往采用传统的二维CAD软件进行产品开发已完全不满足现阶段企业发展的需要。为此，需要采用一种成熟的三维参数化CAD软件进行高效率产品设计开发。本文采用美国PTC公司的Creo2.0三维参数化软件对阴极辊产品进行自顶向下（Top-Down）参数化设计。

1 Creo软件的Top-Down参数化设计方法

自顶向下是一种从总体设计到局部设计的过程和方法。它首先确定总体思路、设计总体布局，然后设计零部件，从而完成一个完整的设计过程[3]。

Creo软件的记事本和骨架设计工具可以完全满足产品Top-Down设计。通过Creo软件的声明、发布几何、复制几何、关系等功能可以快速的传递设计参数、几何信息等设计意图。当设计发生更改时，设计意图的变更可自顶向下快速传递，直至最底层的零件和二维图纸，从而使产品的可修改性大大提高，设计更改的工作量也大大降低，同时还能保证各部分设计过程的相关性和一致性。具体表现如下：

（1）全相关性好。所有修改都会自动从设计信息传播到制造信息，传递设计意图快速、准确。因此设计者可以自信地进行设计变更。

（2）采用单一的数据库管理系统，可以实现协同设计，在多个设计师之间高效协调设计意图，做到并行开发产品，大大减少设计周期。

（3）设计者能够更快地提供更优质的设计质量，并可在将来重复利用该产品设计进行新产品开发[4]。

图2为采用Creo软件进行Top-Down设计的基本流程。首先，采用Creo软件的记事本对产品结构进行整机布局，然后建立整机骨架，在整机骨架中通过“声明”与记事本整机布局文件关联。对顶层骨架进行整体架构设计，最后生成产品整机骨架。

图2 Top-Down设计方法基本流程

建立二级子组件后，在二级组件内新建二级子骨架，通过“复制几何”将整机骨架中相应的几何信息复制进来。如此反复，完成其他二级组件中二级骨架的参考及设计，直至底层组件和零件。

最后，进行各级三维组件（含零件）的详细设计，整套设计完成后，经校验无误后，即可发布，交付生产使用[5-6]。

2 阴极辊产品Top-Down参数化设计

2.1 阴极辊总体布局及骨架设计[7-8]

通过对阴极辊系列产品的结构（见图1）进行比较分析发现，阴极辊设计过程中，关键的可变参数有阴极辊辊面幅宽（WW）、阴极辊外圆直径（DD）、阴极辊总长度（LL）、轴承安装中心距（BB）等，其它可变参数可以通过关系式予以控制。为此，在布局设计时，将这些关键参数定义为可变参数，如表1所示。

首先，在组件环境下对阴极辊进行结构划分。新建名称为YINJIGUN.LAY的记事本文件，对产品进行整体布局，并对关键参数按表1的形式参数化定义。

表1 阴极辊整体设计可变参数表（部分）

完成整体布局后，在装配环境下建立如图3所示阴极辊装配设计树，建立名称为“YINJIGUN_GUJIA.PRT”的整机骨架（见图3），对设计骨架进行详细设计，然后通过“声明”工具实现整机骨架与整机布局文件中重要控制参数的关联。

图3 阴极辊设计特征树（部分）

在设计阴极辊整机骨架时，注意要将对应二级组件所需要参考使用的安装坐标、曲线、曲面等几何信息及时发布几何，以便在设计二级骨架时获取总体的关键设计信息。

在GUNTI.ASM二级组件设计时，可以发现复制进来的空间位置、控制尺寸、曲线、曲面等信息与整机设计信息已经具有相关性。当整机关键设计信息发生更改时，各级骨架、子组件、底层零部件等设计参考也将及时得到更新，确保了各级设计信息的一致性。这就实现了阴极辊产品的并行协同设计。

按照以上方法可完成其它子组件的详细设计。在三维组件详细设计的同时，即可对已完成的零部件进行二维工程图的详细设计。

2.2 阴极辊参数化建模模型

在以上Top-Down参数化设计过程中，各级零、部件三维详细建模和二维工程图设计可以同步进行，不存在严格的先后顺序。图4为阴极辊参数化三维模型，在该参数化模型的基础上，可通过cero分析模块对其进行相应的分析，如强度校核、装配干涉、质量分析等[9]。

图4 阴极辊三维参数化模型

2.3 生产制造验证

图5 为本次设计、制造完成的阴极辊产品实物。经实际使用验证，产品符合技术要求，达到设计预期。

通过本次参数化设计与加工制造的全过程实践，实现了我公司阴极辊产品从顶层布局设计、三维零部件设计、二维工程图设计等过程在同一个平台相关性设计开发，为后期阴极辊系列产品的模块化设计奠定了基础。使用该软件输出的二维工程图符合国家制图规范，可以满足现场生产制造要求。为提高生产效率，提高批次质量稳定性，部分常用零件实体模型还首次采用Creo软件进行了NC编程及数控机床加工。

3 结束语

本文阐述了Top-Down的基本设计流程与思路，在Creo软件平台上，使用Top-Down的设计方法完成了阴极辊产品的参数化设计。整个设计过程从顶层控制开始，设计之初就控制着整体结构及设计目标，对主要固定参数从顶层进行了锁定，对关键的可变参数在记事本文件内进行了表格化处理，方便后期设计更改，采用关系式对其它可变参数进行了控制约束。通过该方法，可大大缩短产品开发周期，为以后阴极辊产品模块化设计奠定基础。

参考文献：

[1]张永清，吉毅松，梁永生，等.阴极辊结构和导电分析[J].电镀与精饰，2006（4）：17-19.

[2]夏文梅，昌 殊.电解制造铜箔用阴极辊的技术要求[J].印制电路信息，2003（10）：20-25.

[3]韩 炬，曹利杰，王宝中.中文版Creo 2.0完全自学教程[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[4]钟日铭.Creo3.0装配与产品设计从入门到到精通[M].北京：机械工业出版社，2013.

[5]李何伟，郭芬芬，夏 笔.叉车门架系统的Top-Down设计研究[J].机械研究与应用，2014（1）：67-70.

[6]韩锋钢，陈 都，李 如，等.基于Creo的FSAE赛车Topdown 参数化设计[J].重庆理工大学学报，2013（12）：7-11.

[7]王勤思，赵海燕.基于Pro/E电梯部件参数化设计[J].机械研究与应用，2014（1）：172-177.

[8]邹炳辉.应用PTC Creo自定向下设计方法进行变压器的设计[J].机电工程技术，2015（08）：149-152.

[9]蔡晓娜.基于Pro/E软件的优化设计及其在机械设计中的应用[J].科技信息，2014（6）：246-247.