张恩华 张胜兰 雷阳 尹一君 刘峻城

摘  要：字头标识规格、种类繁多，每个标识也具有不同的大小、斜度和高度，为提高建模效率和设计质量，提出了一种基于中心矩形线框控制法的参数化设计方案。根据字头标识笔画特征分类，通过尺寸约束和参数关系式保持规格内的一致性，最后结合CATIA Catalog目录编辑器构建字头库，实现了变形设计和快捷调用。

关键词： CATIA；字头；参数化设计；Catalog

中图分类号：TH122；TP391    文献标志码：A    文章编号：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

在机械制造中，零部件表面增加可追溯性标识的技术得到越来越广泛的应用。永久标识成形技术利用锻压工艺，通过挤压和金属塑性，形成零部件表面的凹凸字画标识。所谓字头也有人称之为“字模”、“钢印字模”或“字模钢印”，其实相当于一种冲头。

这些标识通常包括数字、字母和图案，用于识别零件的数量、特性、质量、安装和维修方法等。传统的字体设计是在AutoCAD完成的，软件中自带的字体笔画粗细、间距等不能满足客户的需求，需要对字符图形另外设计。张敏等人提出将字体宽度拆分为两个参数，在不同字符排列组合时能够单独调整字符排列位置，使相邻字符的间距保持美观、合理。对于单个字体的修饰没有涉及，如拔模斜度和倒角[1]。

法国的Gravotech Marking公司开发的TYPE3软件可以用来在模型表面上写字，但是TYPE3软件只能改变字形的倾斜角度，而且输出结果是一个线框整体，做出的三维造型只能选取一个方向进行拉伸，无法做出拔模角度，不能满足实际产品的使用场景[2]。

现代三维建模软件如CATIA在机械设计中广泛使用[3]。结合企业需求，选择在CATIA软件平台上进行参数化建模，实现字头标识的快速变形设计。首先建立字头标识模板，然后选取拔模角度、标识高度和标识宽度等作为驱动参数。通过修改这些驱动参数的数值得到不同规格的字头标识模型，再结合CATIA知识工程模块的目录编辑器，实现字头的快速调用。调取之后的模型仍可对特征树上的驱动参数进行修改和编辑，便于字頭规格的系列拓展。

1    字头标识分类

字头为一体式结构件，在建模中分为字头标识和字头底座两个部分，其中标识是参数化设计的目标。如图1所示，字头标识为凸起的三维字体，包括英文字母和阿拉伯数字，字头底座与液压机固定连接。字头标识有多种规格，每种规格都有不同的标识高度、宽度和拔模角度。

字头标识一般是大写英文字母和阿拉伯数字，避免使用易混淆的字符，如“Q”、“O”。字头在零件表面挤压形成的凹字标识为正向标识，所以字头底座上建立的标识为镜像反字。CATIA V5中没有直接输入镜像字体的功能，需要在草图中使用镜像功能对字符图形进行调整。

根据字头标识笔画结构之间的差异，将所有的字头标识分为两类：直线类和曲线类。如图2所示：

以字母“H”为例，从CATIA字体库中选定所需的字体样式，将其转换为DWG格式，然后在草图模块拆解为可施加约束的直线段，调整各直线尺寸之后使用系列特征生成三维模型。如图3所示。

以数字“2”为例，DWG格式字符拆解之后的草图是大量点的集合，无法使用拔模特征生成三维模型。因此，含有曲线笔画的字头标识需要手工绘制，工程制图模块中的字符轮廓只能作为参考。为控制笔画宽度均匀，需逐个布置每个样条线节点，以保持内外轮廓曲线之间的距离相等。生成的三维模型如图4所示。

2    字头参数化设计

参数化设计是一种能够在产品设计中迅速调整和更新设计的方法。它将设计要素和设计参数分开处理，并用参数来定义和描述产品设计[4]。常见的参数化设计流程如图5所示[5]。

在CATIA V5中，对于相似的新设计任务，只需修改驱动参数，即可迅速调整产品模型，满足新的设计需求。参数化设计前，需要在系统选项界面启用参数和关系的显示设置，否则在特征树中将无法显示[6]。

2.1   字头标识关键参数的定义

关键参数是三维模型更新的驱动尺寸[7]，用于用户调整字头标识规格。根据字头标识的规格差异，定义拔模角度、标识宽度和标识高度作为关键参数。如图6所示：

2.2   标识非关键参数的选取

字头标识包含了各种数字和英文字母，具有多样的外轮廓，其中的非关键参数为各个标识草图中点对点、点对线和线对线之间的尺寸约束。工程制图模块中字体笔画的粗度、造型不能满足客户的需要，需要对原字体进行调整。

为了使同一规格下的字头标识大小相同、美观对称。考虑以坐标轴系原点为基准建立中心矩形线框，设置固定的长宽比值，对字头标识进行整体约束。所有字头标识草图均在线框内构建，其外轮廓与线框贴合，从而确保字符图形不会畸变。经多次测试，将矩形线框的长度和宽度比值设为1.5时，生成的字头标识在底座上较为美观、饱满。最后，将矩形线框的宽度尺寸定义为驱动尺寸，长度尺寸根据用户输入的宽度值进行自动计算。

2.2.1 直线类字头标识非关键参数的选取

直线类字头标识的非关键参数主要包括草图中各段直线的长度尺寸。草图中的每个约束尺寸均与线框宽度尺寸关联，字体笔画的宽度随矩形线框宽度的变化而等比例改变。以字头标识“H”为例，非关键参数如图7所示：

2.2.2 曲线类字头标识非关键参数的选取

曲线类字头标识的非关键参数主要选取样条线节点与坐标轴原点之间的距离尺寸，其参数数量与二维草图样条线节点的数量相关。为了使三维模型更加美观，可以增加标识草图中样条线的节点数让字头的曲线笔画过度更加平滑。然而，节点数量较多也会使参数关系设置变得更加复杂。所有节点的约束尺寸均与矩形线框宽度关联。以字头标识“2”为例，非关键参数如图8所示：

3    構建字头库

建立零件标准库已经成为机械工程领域的趋势。目前，国内很多企业缺乏对非标零件的系统化管理，致使在非标零件的设计和更迭上浪费人力资源 [8-9]。为管理锻件字头零件，将所有的三维数模集成在Catalog目录中，构建库文件[10]。如图9所示，不仅便于后期添加和维护，还可以快速调用所需字头并进行规格调整。

4    结语

（1）对字头标识进行分类为直线类和曲线类，通过固定长宽比的矩形线框约束草图，解决了定位和约束问题。

（2）利用不同的非关键参数选取方式和关系公式，实现了快速变形设计，仅需输入拔模角度、标识高度和标识宽度三个参数即可生成不同规格的字头模型，解决了规格扩展、变换时重复性建模问题。

（3）通过目录编辑器将每个字头集成到Catalog库文件中，提升了用户管理和调用字头的便捷性。

（4）比较传统CAD设计方法，本方法使用参数驱动模型变更，不仅简化了设计流程，还保证了字头同规格内的一致性，使产品更加美观和统一。

参考文献：

[1]张敏，李华，吴东霞，等. 一种基于CATIA的轮胎胎侧字体参数化排列方法[J]. 轮胎工业， 2021，41（6）： 354-358.

[2]龙娟，黄炽强.基于CATIA的轮胎参数化设计[J].轮胎工业，2019，39（4）：199-202.化，2022，51（06）：93-95.

[3]马奎，石若潼，黄德，郭涛，陈奇.面向交互功能的螺纹CATIA二次开发方法研究[J].机械制造与自动化，2022，51（06）：93-95.

[4]李强，樊新波，何志坚.基于Matlab GUI与Creo的正交面齿轮参数化设计研究[J].装备制造技术，2019，（08）：30-33.

[5]贾帅帅.基于CATIA 的非标零件库参数化设计系统的研究[D].长春：长春理工大学，2016．

[6]李强，樊新波，何志坚.基于Matlab GUI与Creo的正交面齿轮参数化设计研究[J].装备制造技术，2019，（08）：30-33.

[7]吴宇，王志国.基于CATIA的杠杆加载系统参数化设计方法[J].机械制造与自动化，2021，50（02）：134-136.

[8]刘薇娜，张越，谢荣誉，王尹琛.基于CATIA的非标零件标准库技术研究[J].新型工业化，2017，7（05）：58-63.

[9]LIU Wei-na，LI Ming-yang，Li Feng.Development of Mechanical Standardized Parts Database[J].The Journal of New Industrialization，2014，4（9）：34-38.

[10]李春光.CATIA知识工程入门与实战[M].北京：中国铁道出版社有限公司，2021.

专家推荐语

田哲文

武汉理工大学汽车学院

车辆工程专业  副教授

字头标识规格种类繁多，对其进行三维参数化设计可提高建模效率和质量，对机械制造标识水平的提升具有一定的实际应用价值。论文设计和例证较为合理，逻辑清晰、条理清楚、可读性好。