基于CATIA V5知識工程專用夾具CAD系統(tǒng)*

崔聯(lián)合

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇江陰 214405）

基于CATIA V5知識工程專用夾具CAD系統(tǒng)*

崔聯(lián)合

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇江陰 214405）

基于CATIA V5軟件知識工程（KBE）模塊，應(yīng)用VB2010軟件完成專用夾具CAD系統(tǒng)的建構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計時，先規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行系統(tǒng)功能劃分和軟件界面的設(shè)計；以CATIA AUTOMATION二次開發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)，在知識工程（KBE）Product Knowledge Template（PKT）模塊下，采用Power copy功能建立夾具零件庫；最后以實例驗證系統(tǒng)的虛擬裝配結(jié)果。實踐證明：采用該系統(tǒng)進(jìn)行夾具設(shè)計，能提高夾具設(shè)計質(zhì)量和效率。

CATIA V5；專用夾具；CAD系統(tǒng)；知識工程

0 引言

機(jī)床專用夾具是為完成零件某道工序而專門設(shè)計的工裝設(shè)備。通常，夾具設(shè)計是依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗而進(jìn)行，夾具定位夾緊方案的確定、數(shù)據(jù)的檢索、夾緊力和定位誤差的計算、工程圖的繪制以及工藝的編制等均由工程人員手工完成，很顯然，該過程存在很大的問題，諸如周期長、效率低、成本高，夾具的質(zhì)量很難保證等。因此，實現(xiàn)夾具的快速設(shè)計與制造已成為業(yè)內(nèi)人士研究的一項重要課題。近年來，許多專家和學(xué)者對計算機(jī)輔助夾具設(shè)計方法進(jìn)行研究，柏合民［1］提出一種半智能化的夾具設(shè)計方法；張世界［2］應(yīng)用成組技術(shù)原理開發(fā)一套檢索式計算機(jī)輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)；文獻(xiàn)［3］將專家系統(tǒng)引入到夾具設(shè)計過程中；李雙躍［4］提出基于三維特征建模的專業(yè)夾具CAD系統(tǒng)。本文從企業(yè)實際情況出發(fā)，基于CATIA V5知識工程（KBE）Product Knowledge Template模塊，運(yùn)用Power copy、Formula等功能實現(xiàn)夾具零件的參數(shù)化建模和調(diào)用，用Excel建立數(shù)據(jù)庫，以VB2010軟件作為系統(tǒng)程序編寫開發(fā)工具，據(jù)此，完成“基于CATIA V5知識工程專用夾具CAD系統(tǒng)”的研究與開發(fā)。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

專用夾具CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。從圖中可知，執(zhí)行程序是通過人機(jī)用戶界面來編制和輸入，由執(zhí)行程序完成信息庫、知識庫、夾具庫及其它數(shù)據(jù)庫的輸入與輸出。夾具零件庫包括圖片庫、程序庫和參數(shù)庫，其由CATIA V5和VB2010完成其建構(gòu)，并通過CATIA V5開放平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的增加、修改和刪除等操作。執(zhí)行程序通過API接口與CATIA V5軟件連接，以使CATIA V5與用戶界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖2為該軟件主菜單界面，當(dāng)進(jìn)入軟件主菜單界面，點擊圖標(biāo)時，可進(jìn)行知識信息查詢、夾具零件機(jī)械加工工藝編制、夾具設(shè)計和夾具校核等操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)主菜單界面

2 系統(tǒng)主要模塊功能

2.1 知識信息查詢模塊

數(shù)據(jù)庫是一種以一定的組織方式存貯在一起的相互之間有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集，它能被重復(fù)調(diào)用，并可通過刪除、增加等操作加以編輯。在夾具交互設(shè)計中，分析計算階段就要用到夾具的一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)、常數(shù)、公差配合數(shù)據(jù)及夾具零件結(jié)構(gòu)尺寸等數(shù)據(jù)［5］。因此，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的建立是極為重要的一項工作，它是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。圖3為本系統(tǒng)各數(shù)據(jù)庫建立過程示意圖。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立過程示意圖

系統(tǒng)中知識庫查詢模塊主要包括以下內(nèi)容：典型定位裝置設(shè)計、典型夾緊裝置設(shè)計、機(jī)床夾具傳動裝置、通用可調(diào)夾具和成組夾具、組合夾具和拼裝夾具、機(jī)床夾具氣動液壓元件和機(jī)床夾具定位裝置等。通過查詢以上內(nèi)容中各分目錄可以進(jìn)行如V型塊尺寸計算、切削力計算、氣液傳動裝置的選擇與計算等工作。

信息庫查詢模塊主要是為了便于工程人員在設(shè)計夾具和編制夾具零件機(jī)械加工工藝時查詢相關(guān)資料，它主要包括力的單位換算、壓力單位換算、功率單位換算、公差等級應(yīng)用參考、光潔度與粗糙度關(guān)系參考、力矩單位換算和機(jī)床夾具公差與配合等內(nèi)容。通過查詢各種換算表，可及時查得壓力單位換算值、功率單位換算值及常用夾具元件配合等數(shù)據(jù)。在軟件界面中可以通過輸入關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢，被查詢的數(shù)據(jù)以圖片、文本和表格的形式呈現(xiàn)出來。

2.2 夾具設(shè)計模塊

當(dāng)點擊圖2中的夾具設(shè)計圖標(biāo)時，將出現(xiàn)圖4所示的夾具設(shè)計界面，它由夾具庫、標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫和機(jī)床庫組成。如圖5所示，當(dāng)點擊所選夾具圖標(biāo)時，夾具所有信息以軸測圖和工程圖的形式顯示，并加以文本說明；夾具可以直接導(dǎo)入到CATIA軟件中，設(shè)計人員可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、刪除等操作，以達(dá)到夾具快速設(shè)計的目的。圖6為點擊圖4機(jī)床庫圖標(biāo)后，出現(xiàn)的機(jī)床庫快捷圖標(biāo)對話框，在該對話框中，可進(jìn)行機(jī)床規(guī)格、機(jī)床聯(lián)系尺寸、機(jī)床加工精度等參數(shù)的查詢或選擇。圖7為標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫對話框，在標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫中，可通過點選或查詢的方式確定所要選擇的夾具零件，零件信息以表格、軸測圖和工程圖的形式顯示出來，當(dāng)點擊Create template按鍵時，夾具零件將按給定坐標(biāo)值導(dǎo)入到CATIA軟件中實現(xiàn)夾具裝配。

圖4 夾具設(shè)計

圖5 夾具庫

圖6 機(jī)床庫

圖7 標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫

2.3 工藝庫編制模塊

工藝庫編制模塊主要功能是要完成夾具零件機(jī)械加工工藝過程卡和工序卡的編制。通過調(diào)用工藝數(shù)據(jù)庫中的工藝樣本模板及添加、刪除、編輯、插入等操作來完成夾具零件的工藝編制。該模塊旨在對所設(shè)計的夾具零件進(jìn)行工藝編制后，可實現(xiàn)夾具零件的快速制造，及時投入到實際生產(chǎn)中。

2.4 夾具校核庫模塊

夾具校核庫是專用夾具CAD系統(tǒng)中一個極為重要的模塊，如圖8所示，它包括以下功能：①通過查詢或click事件選取標(biāo)準(zhǔn)夾具零件；②讀取非標(biāo)準(zhǔn)夾具零件或夾具；③對夾具進(jìn)行校核：夾具定位誤差分析、夾具運(yùn)動仿真、靜力學(xué)分析、夾具干涉檢查；④對夾具零件進(jìn)行校核：夾具零件夾緊力估算、夾具零件靜力學(xué)分析；⑤后處理功能，它主要是完成夾具零件圖或裝配圖的生成等操作。當(dāng)點擊“夾具定位誤差分析”按鍵時，將出現(xiàn)圖9、圖10所示的常見定位方式誤差計算和“一面兩孔”定位方式誤差計算界面，當(dāng)確定具體定位方式和定位誤差計算公式后，輸入尺寸數(shù)據(jù)，即可計算總誤差值并做出判斷。圖11為夾具校核流程圖，從圖中可知，當(dāng)夾具設(shè)計完成后，按圖中所示流程依次進(jìn)行校核，直到所設(shè)計的夾具完成所有校核內(nèi)容后，夾具設(shè)計工作才能結(jié)束。需要說明的是，在夾具校核模塊中，除夾具定位誤差分析功能外，夾具校核功能的實現(xiàn)均在CATIA V5軟件中完成。

圖8 夾具校核

圖9 常見定位方式誤差計算

圖10 “一面兩孔”定位方式誤差計算

圖11 夾具校核流程圖

3 編程平臺選擇和部分程序介紹

本系統(tǒng)開發(fā)基于COM之上的CATIA Automation技術(shù)，它是由OLE Automation（Object Linking and Embedding Automation）發(fā)展而來的［6］。Automation的核心技術(shù)是允許一個應(yīng)用程序去操作另外一個應(yīng)用程序，圖12為CATIA Automation技術(shù)的描述，從圖中可知，CATIA軟件可實現(xiàn)與外部應(yīng)用程序共同分享對象數(shù)據(jù)，它向Visual basic 2010軟件提供編程接口并可進(jìn)行外部應(yīng)用程序的訪問［7］。

圖12 CATIA Automation技術(shù)描述

3.1 編程平臺選擇

VB2010軟件以其界面設(shè)計具有可視性、應(yīng)用程序框架具有面向?qū)ο笮?、編寫程序采用事件?qū)動方式、多線程編程和數(shù)據(jù)庫功能開放性等特點，而被廣泛應(yīng)用在CATIA的二次開發(fā)中。本系統(tǒng)采用VB2010軟件作為開發(fā)平臺，在VB2010環(huán)境下完成程序的設(shè)計、調(diào)試和編譯。

3.2 VB程序

①確定標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫目錄程序。

Public Class Form5

Private xlsLocs As Hashtable

Private basePath As String

Private part_path As String

Private Sub Form5_Load（sender As Object，e As System. EventArgs）Handles Me.Load

basePath=System.AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory（）&"attachmentForm52.Standard fixture parts library”

End Sub

②在標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫模塊下，確定所選夾具零件在CATIA界面中的坐標(biāo)位置，即VB與CATIA通信程序。

Dim MYpartAs Part=MYpartDocument.Part

Dim MYbodiesAs Bodies=MYpart.Bodies

Dim MYbody As Body=MYbodies.Item（"PartBody"）

Dim MyHB As HybridBody=MYpart.HybridBodies.Add（）

MyHB.Name="Inputs"

Dim MyHSFAsHybridShapeFactory=MYpart.Hybrid-ShapeFactory

Dim center As HybridShapePointCoord

=MyHSF.AddNewPointCoord（CDbl（Me.txtCtrX.Text），CDbl（Me.txtCtrY.Text），CDbl（Me.txtCtrZ.Text））

MyHB.AppendHybridShape（center）

Dim lineZDir As HybridShapeDirection=MyHSF.AddNew-DirectionByCoord（0.0，1.0，1.0）

Dim lineZ As HybridShapeLinePtDir=MyHSF.AddNew-LinePtDir（center，lineZDir，0，100.0，F(xiàn)alse）

MyHB.AppendHybridShape（lineZ）

MYpart.InWorkObject=lineZ

MYpart.Update（）

4 標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫建構(gòu)和夾具虛擬裝配

專用夾具CAD系統(tǒng)基于CATIA V5軟件Mechanical design下的Partdesign模塊來進(jìn)行零件的參數(shù)化建模，應(yīng)用知識工程（KBE）下的Product knowledge template（PKT）功能來完成零件的Power copy的建構(gòu)［8］；應(yīng)用VB2010軟件完成夾具零件庫程序編寫和軟件界面的設(shè)計，用EXCEL建立數(shù)據(jù)庫。夾具虛擬裝配設(shè)計時，從專用夾具CAD系統(tǒng)中向CATIA V5軟件導(dǎo)入夾具零件，通過在夾具各零件之間建立位置約束或尺寸約束，實現(xiàn)夾具的虛擬裝配。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫建構(gòu)

目前，大部分國家都已為夾具零件（包括全部組合夾具零件和常用專用夾具零件）制定標(biāo)準(zhǔn)，夾具零件上的大部分結(jié)構(gòu)特征，如通孔、螺紋孔、鍵槽、T型槽等，是相同或相似的［9］，對于這種標(biāo)準(zhǔn)化的零件采用參數(shù)化的設(shè)計方法可明顯提高設(shè)計效率并一定程度地減少人為錯誤。本夾具CAD系統(tǒng)中零件設(shè)計采用Formula設(shè)計方法，對建立的圖形采用預(yù)定義的辦法來確定尺寸約束關(guān)系，將一組尺寸設(shè)定成相互關(guān)聯(lián)的幾何約束集，再將所有的關(guān)聯(lián)式采用Power copy命令復(fù)制到應(yīng)用程序中，最后通過選定專用夾具CAD系統(tǒng)界面中不同參數(shù)尺寸值達(dá)到設(shè)計不同尺寸零件的目的［4］。在進(jìn)行夾具零件建模和工程圖生成的同時，為每一種夾具零件生成軸測圖或工程圖的JPEG圖像，當(dāng)在專用夾具CAD系統(tǒng)中查詢、調(diào)用夾具零件時，這些圖片可以顯現(xiàn)出來，其以直觀的形式表達(dá)零件的結(jié)構(gòu)和尺寸信息。

在標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫的建構(gòu)過程中，為了便于對夾具零件的操作、管理和建模，以及CAD系統(tǒng)界面的設(shè)計和程序的編寫，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對整個夾具零件進(jìn)行分類劃分，圖13為標(biāo)準(zhǔn)夾具零件庫結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)對夾具零件進(jìn)行建模，或通過軟件界面查詢、調(diào)用夾具時，其次序和目錄清單與圖7中Treeview控件是一致的。

圖13 夾具零件庫結(jié)構(gòu)

4.2 夾具虛擬裝配

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)為設(shè)計者提供視、聽、觸覺一體化設(shè)計環(huán)境和對產(chǎn)品分析提供新手段［10］，因此，虛擬裝配成為一門研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要課題。圖14為采用專用夾具CAD系統(tǒng)設(shè)計夾具時的虛擬裝配流程圖，從圖14中可以看出，夾具設(shè)計時，夾具非標(biāo)零件用CATIA軟件建模，標(biāo)準(zhǔn)夾具零件由專用夾具CAD系統(tǒng)導(dǎo)入，在CATIA軟件中完成夾具由上而下和由下而上相結(jié)合的虛擬裝配，然后按圖8所示流程對夾具進(jìn)行校核，若未通過校核，則重新設(shè)計非標(biāo)件或重新選擇標(biāo)準(zhǔn)件，直到滿足夾具技術(shù)要求為止。

圖14 裝配流程

圖15為某閥座零件采用虛擬裝配技術(shù)裝配好的鉆夾具，圖16為CATIA軟件生成的夾具物料清單，圖17為閥座零件三維模型。圖18為本鉆夾具中所用的部分標(biāo)準(zhǔn)夾具零件。從圖15、圖16中可以看出，該鉆夾具標(biāo)準(zhǔn)夾具零件數(shù)量約占夾具所有零件數(shù)量的50%以上，設(shè)計時，若對這些標(biāo)準(zhǔn)夾具零件一一建模，則其工作量相當(dāng)大，而采用專用夾具CAD系統(tǒng)來設(shè)計就可以節(jié)省大量時間。從圖15裝配目錄樹可知，夾具虛擬裝配時，通過選擇固定組件、平行、同心、垂直、相切、距離等約束關(guān)系來建立零件之間的裝配關(guān)系，從而完成夾具的虛擬裝配設(shè)計和模型的建構(gòu)。

圖15 鉆夾具

圖16 夾具物料清單

圖17 閥座零件

圖18 夾具中部分標(biāo)準(zhǔn)夾具零件

5 結(jié)束語

本文基于CATIA V5軟件，應(yīng)用VB2010、Excel軟件完成專用夾具CAD系統(tǒng)的開發(fā)。在進(jìn)行該系統(tǒng)研究開發(fā)時，先要對“夾具CAD系統(tǒng)”進(jìn)行功能劃分，以確定數(shù)據(jù)庫數(shù)量及層次，再進(jìn)行各類數(shù)據(jù)庫的建立和軟件主次界面的設(shè)計，最后完成系統(tǒng)程序的編寫。從虛擬裝配和系統(tǒng)設(shè)計過程可知：

（1）在設(shè)計專用夾具CAD系統(tǒng)時，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)劃分及功能確定較為重要，它是軟件編程、界面設(shè)計和功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)；

（2）從CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可知，本系統(tǒng)中最大、最繁鎖的工作是各類數(shù)據(jù)庫的建立，數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的精髓，只有建立內(nèi)容全面、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)科學(xué)的數(shù)據(jù)庫，才能保證系統(tǒng)發(fā)揮更加強(qiáng)大的功能；

（3）系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是CATIA V5知識工程（KBE）的Product Knowledge Template（PKT）參數(shù)化建模技術(shù)、VB程序編寫以及VB與CATIA通信接口技術(shù)；

（4）從實例看，采用本系統(tǒng)設(shè)計專用夾具能提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，可在一定程度上避免設(shè)計錯誤的發(fā)生。

［1］柏合民，劉文劍，金天國.基于特征與參數(shù)化的夾具半自動化設(shè)計方法［J］.計算機(jī)輔助設(shè)計與制造，1998（9）：29-32.

［2］張世界，王新海，劉彥華.檢索式計算機(jī)輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)［J］.機(jī)械工藝師，1995（10）：20-22.

［3］Pham DT，SamA，Iazaro.Auto fix：an expert CAD system for jig and fixture［J］.Int of Mach Tool，Manufact，1990（30）：403-411.

［4］李雙躍，殷國富，陳田.基于三維特征建模的專用夾具CAD系統(tǒng)［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2001，33（3）：96-98.

［5］范炳炎，周衛(wèi)華，繆薇.柔性夾具CAD系統(tǒng)研究［J］.南京航空學(xué)院學(xué)報，1992，24（4）：361-369.

［6］龍峰，樊留群.CATIAV5二次開發(fā)技術(shù)探討［J］.淮陰工學(xué)院學(xué)報，2005，14（5）：21-27.

［7］黃瑩.基于CATIA的圓盤烘口機(jī)關(guān)鍵部件參數(shù)化設(shè)計研究［D］.天津：天津科技大學(xué)，2008.

［8］尤春風(fēng).CATIA V5高級應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［9］李坤宏.基于CATIA的汽車焊裝夾具計算機(jī)輔助設(shè)計［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007.

［10］Fan Dai.Virtual Reality for Industrial Applications［M］. Berlin：Springer，1998.

（編輯 趙蓉）

Special Fixture CAD System Based on CATIA V5 Know ledge-Based Engineering

CUILian-he
（Mechanical Engineering Department，Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin Jiangsu 214405，China）

Based on CATIA V5 Know ledge-Based Engineering（KBE）functions，this paper presents the establishment of"novel fixture design system"using VB2010 software.During the system design stage，the system structure is planned firstly，then the system function is divided into sub-functions and the software interface is also designed.On the basis of the secondary development technology on CATIA Automation，the fixture parts library is established using the function of Power copy under the product know ledge template（PKT）module of Know ledge-Based Engineering.Finally，an example is used to demonstrate the results of virtual assembly.Demonstrated results have shown that proposed methods can improve the quality and efficiency of fixture design.

CATIA V5；special fixture；CAD system；know ledge-based engineering

TH166；TG65

A

1001-2265（2015）08-0127-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.033

2014-10-29

江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計劃資助（2012）

崔聯(lián)合（1968-），男，安徽銅陵人，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向為材料成形及機(jī)械制造，（E-mail）cuilianhe@126.com。