一种基于CATIA的轮胎胎侧字体参数化排列方法

张 敏，李 华，吴东霞，程丽娜，黄明新

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

胎侧上的文字用于说明轮胎的规格型号、产地等一些重要信息，虽然对产品性能没有直接影响，却直接影响产品外观。以前，轮胎胎侧字体图设计在AutoCAD中完成。由于系统字体的粗度、造型不能满足客户的需要，一般通行的做法都是另外进行字体/符号造型设计，然后排列成一行或多行，最后使用独立编制的程序将这些字符排列到胎侧上去（在平面上按圆弧排列）[1]。在此过程中，字符间距（以下简称字间距）和词间距都是在排列成行时由设计者手工调整，而这些间距需要根据前后相邻字体不同的形状进行调整，因此这些间距必然会存在差别，甚至影响美观；而且在字体大小、间距、内容等有一项需要调整时，上述所有的工作都必须重新做。由于胎侧上每侧字符都在300个以上，胎侧字体排列一直是轮胎模具设计中最繁琐的工作之一。

进入21世纪以来，随着3D设计软件在轮胎行业内的普及[2]，越来越多的企业转向使用CATIA等参数化设计软件[3-4]。然而CATIA在轮胎设计方面的研究大多集中在花纹、结构等方面[5-7]，虽然一些企业和高校对胎侧字体排列也有所研究[8-9]，但都不够深入。虽然法国Gravotech Marking公司开发的TYPE3可以用来在胎侧上写字，但是TYPE3软件只能对字形进行倾斜等变化，并不具备扇形变形等功能，而且输出结果是一个线框整体，在不断参的情况下，如果要继续做3D造型只能增厚或向某个方向拉伸，无法做出拔模角等，与实际产品要求相去甚远[10]。因此要应对客户对胎侧设计不断变化的需求，需要开发灵活多变的自定义字体（2D和3D）和自动将这些字体进行排列的工具。

本工作在CATIA V5R22版本下，在前期做好字体模板的基础上，通过调用字高、扇形变形、垂直方向对齐等参数，实现字形大小变化、扇形变形、上/中/下对齐等功能；在排列时，将用于字符定位计算的参数——字宽拆分成前后2个参数，分别根据可能相邻的字形进行调整，使不同的字符相邻时字间距视觉效果趋于一致；利用CAA二次开发自动调用字体模板，根据输入的字符串等参数信息，在GSD（Generative Shape Design，创成式曲面设计）模块下通过程序自动完成胎侧字体2D排列，在PDG（Part Design，零件设计）模块下自动完成胎侧字体3D排列；排列完成后仍可对特征下的参数进行编辑和更新，便于进行产品的系列化扩展。

1 字体库准备

把每一个字符做成一个模板，可以通过调整字高、粗度和扇形变化等参数对字形进行修改。将字体模板以内容为文件名（特殊字符以其英文名称为准，如“*”为“star”），按类型、尺寸分类，存入对应的目录，形成字体库。

如果以字符外矩形边框作为边界，可以看到胎侧上的字体有各种不同的边界形状（如图1所示），例如“M”和“N”等是第1种形状，V是第7种形状。每一个字符在左右边界上的形状将影响其视觉上所占据的宽度，进而会影响到其与相邻字体排在一起后的间距感觉。

图1 胎侧文字中7种可能的边界线条示意

如果把相邻两字符边界之间的距离定义为字间距，那么在相同的字间距情况下，由于受到其形状特征的影响，也会表现出完全不同的视觉效果，如图2所示。例如，第1种情况与第6，7，8和9四种情况相比较，前者的视觉间距明显小于后者。为此，需要根据字体形状特征对其排列位置做出调整，使之达到视觉上的协调一致，即以第1种情况为基准，对其他8种情况的间距进行调整。

图2 胎侧文字中9种相邻关系的线条示意

根据字符的形状特征及其前后可能出现字符的特征，以其几何中心为基准点，确定每个字符的排列尺寸调整参数：字体高宽比（R）、前排列修正系数（a）、后排列修正系数（b）。对同一类字体建立调整参数xml文件，并存储以上字形参数。每个字符在使用时根据使用字高（H）计算实际宽度（W）、前排列半宽（Wa）和后排列半宽（Wb），如图3所示，h为字符笔划粗度。

图3 字体参数示意

字形参数计算公式为

计算字符排列位置时一般不直接使用W，而使用Wa和Wb，这样就可以对每个字符的排列位置进行独立调整。通过对a和b的调整，可以适配该字符所有可能的相邻字符，使各种情况下的字间距都合理、美观。

以单线字“P”为例，它属于第3种形状的字体，其4 mm字高的字体参数为：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。这样设定可以使其左外侧字间距不至于过窄、右外侧字间距也不会过宽。

2 程序编制要点

2.1 排列位置计算原理

由于每行胎侧文字都由多个字符组成，每个字符都有对应的字体模板，因此程序需要根据输入字符串，解析出每一个字符。

（1）根据前面计算所得的参数W，Wa和Wb，可计算出整个字符串长度（L）：

式中：n是字符串非空字符数；i是字符顺序号，为从2开始的自然数；m是字符串空格数；DW是词间距；DL是字间距。

（2）由于存在字体排列不同的水平对齐方式（左、中、右），需要计算实际排列时每个字符的定位点位置。对于首字符：

式中，A是定位点，P是字符串插入点位置。

2.2 程序界面

程序界面如图4所示，可输入参考曲面、参考曲线、插入点，选择相应的字体模板，并输入要排列的字符串、字高、粗度、对齐方式等参数。

图4 程序界面示意

2.3 字体模板

由于字符内容就是字体模板文件名，程序可以直接调用对应目录里的字体模板进行实例化。但是，对于“，”“.”“*”“/”“：”“!”等特殊字符需要建立特殊字符转换表，以便程序进行转换调用。

2.4 字体更新

排列完成的字符串图形作为一个完整的特征对象挂在特征树上，可以通过变化输入的曲面、曲线、插入点或编辑其参数（字符串内容、字高、粗度等），更新出所需的字体。

3 字体排列程序调用步骤

以轮胎负荷和充气压力字符串的2D排列为例，说明程序使用步骤（此处略去插入点“Point”、参考曲线“Curve”和参考曲面“Surface”等的作图过程）。

（1）在CATIA中启动2D字体排列程序，如图5所示。

图5 参数输入界面示意

（2）在程序界面上通过“Family”下拉菜单选择“Convention”及“Type”下拉菜单选择“4.0 mm”字体，在“Text”输入框中输入需要排列的字符串“MAX.LOAD 630 kg（1389 LBS）AT 300 kPa（44 P.S.I.）COLD”。

（3）在程序界面上依次输入插入点、参考曲线和参考曲面（在CATIA视图中选择），在“Position”栏选择“L”（左）对齐方式，在“Location”栏选择“T”（上）对齐方式，选中“扇形变形”按钮。

（4）在程序界面上输入H等参数值。

（5）按确定按钮，完成排列，并在参数树上挂出相应的特征及参数，如图6所示。

图6 程序运行结果示意

如果参考曲面是胎侧曲面，字体模板是3D的，使用3D字体排列程序可以得到与实际轮胎一致的3D字体排列图，如图7所示。

图7 3D文字排列实例

4 结语

本工作对胎侧字体2D和3D排列方法进行探讨，通过将字宽拆分成前后2个参数分别进行调整的方式，解决了不同字符相邻时字间距视觉效果不一致的问题，同时利用CAA二次开发，实现了字体模板的自动调用和字符串的自动排列。排列结果成为特征对象挂在参数树上，通过输入几何元素及参数的变化，实现规格的系列化扩展。

以前在AutoCAD中做胎侧字体图，每个产品的图纸上只有同规格的部分内容可以复制使用（安全警示等），其他都需要重新绘制，费时费力。采用CATIA后，通过配置参数表的关联和规格驱动，胎侧字体图能像花纹设计一样简单便捷地进行系列扩展，所需时间从每个产品数小时大幅缩减到10多分钟（2D）。

本胎侧字体参数化排列方法不仅大幅度减小了设计人员的工作量，而且有效避免了不同产品间布局、定位不一致等人为问题，有利于规范设计标准，提高胎侧字体图的设计质量。