基于CATIAV5的汽車三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立

1、基于CATIA V5的汽車三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立本文提出一種在CATIA V5環(huán)境下運(yùn)用知識(shí)工程參數(shù)化建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的設(shè)計(jì)方法。這種方法通過(guò)運(yùn)用CATIA的知識(shí)工程顧問(wèn)模塊，以產(chǎn)品知識(shí)為基礎(chǔ)，參數(shù)化地建立標(biāo)準(zhǔn)件模型，再把標(biāo)準(zhǔn)件模型導(dǎo)入Catalog模板實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立。并以標(biāo)準(zhǔn)件六角頭螺栓的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)地闡述了這種設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。0 引言 近幾年，我國(guó)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展給汽車零配件企業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，同時(shí)對(duì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提出了更高的要求。降低成本、提高質(zhì)量和快速響應(yīng)市場(chǎng)是企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。利用CAD技術(shù)和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，合理地處理設(shè)計(jì)過(guò)程中的重復(fù)工作問(wèn)題（如相似結(jié)構(gòu)

2、、相似零件等）是一種解決方式。而選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)件，也是一種實(shí)現(xiàn)高效率設(shè)計(jì)行之有效的途徑。因而，對(duì)CAD系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的開(kāi)發(fā)探索，已成為推進(jìn)和深化CAD軟件應(yīng)用的重要手段。CATIA V5作為世界范圍內(nèi)應(yīng)用面最廣、影響最大的CAD軟件，具有強(qiáng)大的知識(shí)工程和參數(shù)化建模的功能，并允許用戶自由和開(kāi)放式地自行建立和使用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。 筆者將要探討的就是運(yùn)用CATIA的知識(shí)工程顧問(wèn)模塊指導(dǎo)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)，從而盡可能優(yōu)化和合理地建立產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。1 知識(shí)工程 所謂知識(shí)工程，其核心就是將有關(guān)的學(xué)科知識(shí)、相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇規(guī)律、設(shè)計(jì)歷史資料等建成知識(shí)庫(kù)并嵌入到設(shè)計(jì)軟件中，通過(guò)邏輯判斷和推理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)

3、品的智能化設(shè)計(jì)。知識(shí)工程的核心問(wèn)題包括知識(shí)的表示、知識(shí)的利用和知識(shí)的獲取這三大塊。知識(shí)工程在知識(shí)密集型活動(dòng)的概念建模活動(dòng)中處于非常重要的地位。一個(gè)好的知識(shí)工程系統(tǒng)應(yīng)該具有基本原理的豐富知識(shí)、通用的問(wèn)題求解能力和自行推理能力；應(yīng)該能快速地進(jìn)行假設(shè)和搜索解答；應(yīng)該能解決具有專家水平的問(wèn)題，做出具有專家水平的解答。 在CATIA軟件中，知識(shí)工程原理通過(guò)知識(shí)工程模塊(Knowledge ware)和嵌入各模塊的知識(shí)工程語(yǔ)言包(Knowledge Language Packages)來(lái)體現(xiàn)。其核心是知識(shí)工程語(yǔ)言(EKL)，分4個(gè)等級(jí)，由低到高分別是數(shù)學(xué)工程語(yǔ)言(M2EKL)、核心工程語(yǔ)言(C2EKL)、

4、高級(jí)工程語(yǔ)言(A2EKL)和擴(kuò)展工程語(yǔ)言(X2FKL)。前3類語(yǔ)言一般應(yīng)用在公式、設(shè)計(jì)表、規(guī)則、檢查、行為等知識(shí)工程工具中，而X-FKIL一般是在用戶二次開(kāi)發(fā)知識(shí)工程語(yǔ)言中應(yīng)用。CATIA環(huán)境下可以運(yùn)用知識(shí)工程的原理進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，不僅幾何尺寸可以設(shè)置成參數(shù)，零部件的特征變量亦可設(shè)置成參數(shù)。2 參數(shù)化設(shè)計(jì)與知識(shí)工程 所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)就是采用預(yù)定義的辦法建立圖形的幾何約束集，指定一組尺寸作為參數(shù)與幾何約束集相關(guān)聯(lián)，并將所有的關(guān)聯(lián)式融入到應(yīng)用程序中，然后采用人機(jī)交互方式通過(guò)對(duì)話框修改參數(shù)尺寸，最終由程序根據(jù)這些參數(shù)順序地執(zhí)行表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)的方法。 在CATIA知識(shí)工程中，參數(shù)化與知識(shí)顧問(wèn)模

5、塊的功能是將隱式的設(shè)計(jì)實(shí)踐轉(zhuǎn)化為嵌入整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的顯式知識(shí)。CATIA知識(shí)工程及專家系統(tǒng)可以將用戶成熟經(jīng)驗(yàn)做成模板，使得相似的設(shè)計(jì)可重復(fù)使用；還可以通過(guò)運(yùn)用CATIA的知識(shí)顧問(wèn)模塊，以產(chǎn)品知識(shí)為基礎(chǔ)，參數(shù)化地建立標(biāo)準(zhǔn)件模型，再把標(biāo)準(zhǔn)件模型導(dǎo)入Catalog模板實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立，用以指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工。這樣，不僅能完成參數(shù)化設(shè)計(jì)的尺寸驅(qū)動(dòng)和特征驅(qū)動(dòng)，而且能實(shí)時(shí)地檢查設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)建議，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。 這種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法結(jié)合了先進(jìn)的知識(shí)工程原理，把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識(shí)融入了整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)建立的產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)不僅是簡(jiǎn)單地表示、利用知識(shí)，而且還能更進(jìn)一步獲取知識(shí)。用戶的知識(shí)以方程式、規(guī)則

6、、反應(yīng)和檢查的形式嵌入到設(shè)計(jì)中，可以在任何時(shí)候重用。用戶通過(guò)定義特征、公式、規(guī)則和檢查，產(chǎn)生Parameters（參數(shù)）、Design Tables（設(shè)計(jì)表）、Formulas（方程）、Checks（檢查）以及Rules（規(guī)劃）等知識(shí)對(duì)象。CATIA知識(shí)顧問(wèn)模塊中的工具可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)施參數(shù)化，利用企業(yè)積累的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行智能化檢查、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和三維幾何模型統(tǒng)一的集成化和智能化，從而有利于企業(yè)產(chǎn)品知識(shí)的繼承和積累，對(duì)企業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)大有裨益。3 參數(shù)化地建立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的必要性 標(biāo)準(zhǔn)件是工程設(shè)計(jì)中用途最廣泛的基本單元，其繪制也是設(shè)計(jì)人員重復(fù)勞動(dòng)最多的環(huán)節(jié)，像緊固件、連接件等，以

7、往使用時(shí)都要翻閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，每次重新繪制，工作繁瑣、重復(fù)性大，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差，同時(shí)也在一定程度上限制了工程設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造能力。 CATIA軟件自進(jìn)入實(shí)用階段以來(lái)，雖然有自己的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)功能（ISO、ASTM、DIN等），但其格式是開(kāi)發(fā)商自己定義的專業(yè)格式而且還不全面，不能有效地與我國(guó)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)具體到各個(gè)部門和企業(yè)都擁有自己制定的一些標(biāo)準(zhǔn)，這些CATIA標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)里面是沒(méi)有的，并且CATIA原有的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)有著操作繁瑣，更新性較差等等缺點(diǎn)，完整地符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)還不完備。因此建立三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)對(duì)產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品總裝圖和零件圖的生成都具有十分重要的

8、意義。4 在CATIA V5環(huán)境下參數(shù)化地建立三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的方法 六角頭螺栓是車輛中常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)件，型號(hào)多，種類全。如果能建立一個(gè)參數(shù)化模型庫(kù)，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中根據(jù)需要從六角頭螺栓庫(kù)調(diào)用合適的六角頭螺栓造型圖，直接嵌入到產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)過(guò)程之中，無(wú)疑將大大加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，降低設(shè)計(jì)成本。 在CATIA V5環(huán)境下建立三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，可以有兩種方法： (1)利用CATIA的Formula功能、Design Table功能和Catalog功能，用戶可以很容易地建立自己的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。 (2)利用CATIA提供的二次開(kāi)發(fā)接口，使用VB開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)應(yīng)用程序。 下面以CB/T 5782-2000六角頭螺

9、栓為例，采用第一種方法，簡(jiǎn)單說(shuō)明如何在CATIA知識(shí)顧問(wèn)模塊中，用基于知識(shí)工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法建立和使用三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。 4.1 建立六角頭螺栓的三維模型 進(jìn)入CATIA V5零件設(shè)計(jì)工作臺(tái)，通過(guò)里面的特征功能建立實(shí)體模型。六角頭螺栓實(shí)體形狀比較簡(jiǎn)單，按照以下步驟進(jìn)行建模：(1)創(chuàng)建六角頭；(2)創(chuàng)建六角頭上的斜槽；(3)創(chuàng)建六角頭下圓凸墊；(4)創(chuàng)建螺栓光桿部分；(5)創(chuàng)建螺栓螺紋桿部分；(6)倒圓角；(7)倒角。最終建立六角頭螺栓實(shí)體模型如圖1所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖1 六角頭螺栓實(shí)體模型 創(chuàng)建實(shí)體時(shí)，必須將實(shí)體的特征尺寸在草圖中標(biāo)注，標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)就是通過(guò)賦予對(duì)應(yīng)這些尺寸的內(nèi)置變量不同的數(shù)值而

10、得到不同的零件。建立標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)體在定義約束關(guān)系的過(guò)程中應(yīng)使約束關(guān)系盡量?jī)?yōu)化，避免出現(xiàn)重復(fù)的過(guò)約束情況或遺漏必要的函數(shù)關(guān)系。 4.2 輸入合適的特征參數(shù) 根據(jù)圖2 CB/T 5782-2000，依次建立六角頭螺栓的10種特征參數(shù)：螺紋的公稱直徑M，螺紋桿長(zhǎng)度lg，六角頭厚度K，倒圓角半徑r，六角頭約束尺寸e，螺桿長(zhǎng)度L，六角頭部分厚度K1，六角頭下圓凸墊厚度c，六角頭下圓凸墊直徑dw，倒角高度p。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖2 GB/T 5780-86 單擊CATIA工具欄中的Formula按鈕，彈出如圖3所示的Formula對(duì)話框。將上述10個(gè)國(guó)標(biāo)中的特征參數(shù)新創(chuàng)建成10個(gè)length變量：M、e、K

11、、K1、L、lg、r、c、dw、p，其默認(rèn)值預(yù)設(shè)為國(guó)標(biāo)中的一組值，如42、72、26、17.5、200、1001.2、1、60、4.5。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖3 Formula對(duì)話框 4.3 建立參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系 參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系是參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)者可針對(duì)用戶參數(shù)與三維模型中對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)建立相應(yīng)的公式，從而通過(guò)用戶參數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而控制圖形的尺寸。利用公式編輯器Formula可以確定產(chǎn)品的尺寸和相關(guān)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸入如表1所示的參數(shù)關(guān)系。 完成參數(shù)化函數(shù)庫(kù)的創(chuàng)建，回到CATIA建模主界面，在主界面展開(kāi)樹(shù)形圖，則出現(xiàn)新創(chuàng)建的國(guó)標(biāo)特征參數(shù)和建模特征參數(shù)的函數(shù)公式，如圖4、5所示。 表1 建

12、模特征參數(shù)的公式點(diǎn)擊圖片查看大圖點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖4 特征參數(shù)變量點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖5 建立參數(shù)關(guān)聯(lián) 4.4 創(chuàng)建參數(shù)表并利用表格驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù) 參數(shù)表提供了產(chǎn)生和管理系列零件的工具，系列零件具有相同的參數(shù)、類似的結(jié)構(gòu)，只是參數(shù)值不同。參數(shù)表中包含了零件的所有參數(shù)，其目的是通過(guò)外部參數(shù)數(shù)據(jù)控制幾何形狀。參數(shù)表的靈活性在于可以隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的參數(shù)表進(jìn)行修改和編輯。CATIA V5的參數(shù)化設(shè)計(jì)中可以利用的參數(shù)表有兩種：一種是文本格式的參數(shù)表；另一種是Excel格式的參數(shù)表。文中創(chuàng)建后者，使用時(shí)比較清晰直觀。 單擊工具欄上的Design Table按鈕，彈出創(chuàng)建設(shè)計(jì)表

13、格對(duì)話框，選擇新增設(shè)計(jì)表格選項(xiàng)，單擊OK，則彈出篩選表格參數(shù)對(duì)話框。將上述10個(gè)國(guó)標(biāo)特征參數(shù)選入右方框中。單擊OK，選擇Excel設(shè)計(jì)表的存儲(chǔ)位置并保存。 隨后彈出的對(duì)話框中，單擊edit table按鈕，則Excel設(shè)計(jì)表被打開(kāi)。將GB/T 5782-2000的特征參數(shù)逐條一一錄入表中，最后的Excel設(shè)計(jì)表如圖6所示，保存并關(guān)閉表格。圖7所示對(duì)話框中的數(shù)據(jù)即更新為Excel設(shè)計(jì)表中的數(shù)據(jù)，選中其中某一行數(shù)據(jù)，如選中序號(hào)5公稱直徑為5mm的這行數(shù)據(jù)，單擊Apply按鈕。則CATIA主界面中的螺栓將立即更新為具有該組特征參數(shù)尺寸的實(shí)體模型。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖6 Excel設(shè)計(jì)表點(diǎn)擊圖片查看大

14、圖 圖7 參數(shù)表 將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)錄入上述表格中，通過(guò)選擇表中不同記錄改變零件尺寸，即可實(shí)現(xiàn)利用表格驅(qū)動(dòng)幾何圖形。如國(guó)標(biāo)變更或添加，只需通過(guò)上述方法，單擊edit table按鈕，打開(kāi)Excel設(shè)計(jì)表，對(duì)表格重新編輯錄入即可。 4.5 知識(shí)管理及其應(yīng)用 CATIA的Catalog是一個(gè)多任務(wù)能的庫(kù)文件，可以是產(chǎn)品、零件、特征、設(shè)計(jì)規(guī)則等，把設(shè)計(jì)中可以重復(fù)使用的資源，最大化集中起來(lái)，在其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中加以引用，加速了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，避免重復(fù)設(shè)計(jì)。庫(kù)Catalog是一個(gè)CATIA的文件類型，文件名后綴“.Catalog”，通過(guò)它可以快速預(yù)覽并獲得其他的CATIA文檔、結(jié)構(gòu)特征(Features)

15、，它用“章節(jié)”、“子章節(jié)”和“關(guān)鍵字”來(lái)清晰地給文檔或結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類管理，便于檢索。文中將創(chuàng)建一個(gè)Catalog庫(kù)文件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行分類管理。創(chuàng)建方法如下： (1)單擊CATIA文件菜單，新建一個(gè)文件，文件類型選擇CatalogDocument。 (2)從屬性中將Chapter.1重命名為“六角頭螺栓”。將已建立的電子表格插入此文件中。操作完成后如圖8所示。這樣便建立了六角頭螺栓的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖8 電子表格插入文件中 (3)在CATIA裝配界面下，從工具菜單中選擇Catalog Browser命令，彈出標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)選擇對(duì)話框，在下拉列表中選擇GB標(biāo)準(zhǔn)件，則出現(xiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的預(yù)覽，如圖9所示。若要選擇某一六角頭螺栓進(jìn)行裝配，只需雙擊螺栓的預(yù)覽圖標(biāo)。隨即出現(xiàn)各種螺栓的預(yù)覽圖標(biāo)。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖9 標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的預(yù)覽 其他的在車輛中廣泛使用的型號(hào)多種類全的標(biāo)準(zhǔn)件，也可以用同樣方法建立參數(shù)化模型庫(kù)，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中根據(jù)需要從庫(kù)中調(diào)用合適的造型圖，直接嵌入到產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)疑將大大加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，降低了設(shè)計(jì)的成本。5 結(jié)論 該文提出一種運(yùn)用知識(shí)工程在CATlA V5環(huán)境下參數(shù)化建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的設(shè)計(jì)方法。這種方法通過(guò)運(yùn)用CATIA的知識(shí)工程模塊，以產(chǎn)品知識(shí)為基礎(chǔ)，參數(shù)化地建立標(biāo)準(zhǔn)件模型，再用C