白車身典型特征數(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用

呂奉陽 楊國勇 楊金秀 羅培鋒 陳東

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

白車身總成一般包含數(shù)百個(gè)零件，設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常遇到相似特征重復(fù)建模的情況。相似特征需要在每個(gè)零件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行單獨(dú)建模，重復(fù)設(shè)計(jì)會(huì)加大工作量，降低工作效率。白車身零件雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是存在大量的相似特征，例如孔、凸臺(tái)、加強(qiáng)筋、修邊等[1]，這些特征的幾何形狀相似，只是位置和尺寸參數(shù)不同。通過CATIA 知識(shí)模板相關(guān)工具，建立白車身典型特征數(shù)據(jù)庫，可以在不同零件設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用典型特征，減少重復(fù)設(shè)計(jì)工作量，提高工作效率。

1 設(shè)計(jì)白車身典型特征

1.1 白車身典型特征分類

白車身零件一般采用CATIA 創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)，零件形面分為基礎(chǔ)面和特征面?；A(chǔ)面是零件主體大面，特征面是為了保證零件性能、工藝及功能需求在基礎(chǔ)大面上進(jìn)行的局部設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)面。白車身典型特征分類及用途，如表1所示。

表1 白車身典型特征分類

1.2 特征模板參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)有基于草圖創(chuàng)建特征、全尺寸約束和尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改。采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以通過調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)修改幾何形狀的目的；可以快速修改典型特征滿足設(shè)計(jì)需求[2]。以平面長圓臺(tái)為例，介紹特征模板參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。

1）定義輸入?yún)⒖荚?。輸入?yún)⒖荚赜脕矶x典型特征的建模位置，是典型特征的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，包含基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面等。參考元素應(yīng)獨(dú)立不相關(guān)，在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下數(shù)量最少。參考元素應(yīng)采用非參數(shù)化設(shè)計(jì)或參數(shù)化設(shè)計(jì)后進(jìn)行消參處理。平面長圓臺(tái)的設(shè)計(jì)輸入?yún)⒖荚匕ㄖС置婧椭行狞c(diǎn)，如圖1所示。

圖1 平面長圓臺(tái)輸入?yún)⒖荚仫@示界面

2）特征建模。典型特征是基于輸入?yún)⒖荚貏?chuàng)建的參數(shù)化幾何特征[3]。為了規(guī)范建模過程，同時(shí)方便后續(xù)創(chuàng)建超級(jí)副本，建模時(shí)將結(jié)構(gòu)樹分為輸入和典型特征2 個(gè)幾何圖形集。輸入幾何圖形集用來存放參考元素，典型特征幾何圖形集用來存放典型特征的建模過程及結(jié)果。

平面長圓臺(tái)特征參數(shù)化建模流程，如圖2所示。

圖2 平面長圓臺(tái)特征參數(shù)化建模流程

首先進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)。定義典型特征（平面長圓臺(tái)）為工作對(duì)象，基于支持面和中心點(diǎn)創(chuàng)建定位草圖。在草圖中繪制長圓孔并進(jìn)行全尺寸約束，包括長圓孔長度、長圓孔寬度、長圓孔長軸與草圖H方向角度、長圓孔中心與坐標(biāo)原點(diǎn)相合等。然后通過尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改，更改長圓孔默認(rèn)尺寸參數(shù)，如圖3所示。

圖3 平面長圓臺(tái)草圖設(shè)計(jì)

完成草圖設(shè)計(jì)后，通過填充、掃掠、圓角等命令進(jìn)行平面長圓臺(tái)特征建模。特征建模采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)激活創(chuàng)建基準(zhǔn)命令。完成后的平面長圓臺(tái)特征模板模型，如圖4所示。

圖4 平面長圓臺(tái)特征模板顯示界面

1.3 草圖模板設(shè)計(jì)

草圖設(shè)計(jì)是參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，基于草圖創(chuàng)建的特征，可以方便地進(jìn)行參數(shù)化修改。白車身設(shè)計(jì)中，包含大量不規(guī)則的非典型特征，無法直接調(diào)用典型特征，需要在草圖模板中進(jìn)行自定義特征的設(shè)計(jì)。草圖模板僅包含參考點(diǎn)、參考平面和定位草圖3 個(gè)元素，設(shè)計(jì)簡單，使用方便，功能強(qiáng)大。

草圖模板無輸入?yún)⒖荚?，設(shè)計(jì)方法如下：1）采用坐標(biāo)類型定義參考點(diǎn)，默認(rèn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖5 所示；2）采用方程式定義參考平面，點(diǎn)選擇參考點(diǎn)，如圖6 所示；3）基于參考平面和參考點(diǎn)創(chuàng)建定位草圖，定義X，Y2 條無限長構(gòu)造線作為尺寸約束參考。完成后的草圖模板，如圖7所示。

圖5 草圖模板點(diǎn)定義對(duì)話框

圖6 草圖模板平面定義對(duì)話框

圖7 草圖模板定位草圖顯示界面

由于草圖模板在設(shè)計(jì)過程中沒有指定輸入，因此調(diào)用草圖模板時(shí)無法指定位置和方向，需要在調(diào)用后根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。草圖模板位置及方向調(diào)整方法如下。

1）草圖坐標(biāo)原點(diǎn)位置調(diào)整。通過調(diào)整參考點(diǎn)坐標(biāo)值更改草圖平面坐標(biāo)原點(diǎn)位置。默認(rèn)參考點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），默認(rèn)草圖平面為z=0 的xy平面。修改參考點(diǎn)坐標(biāo)為（10，50，100），可以將草圖平面改為z=100 的xy平面，同時(shí)草圖坐標(biāo)原點(diǎn)在絕對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（10，50，100）。

2）草圖坐標(biāo)平面方向調(diào)整。通過調(diào)整方程式參數(shù)并結(jié)合指南針控制更改草圖坐標(biāo)平面方向。平面方程式默認(rèn)參數(shù)為A=0，B=0，C=1，代表經(jīng)過參考點(diǎn)的xy平面。將平面方程式參數(shù)改為A=1，B=0，C=0，則草圖平面更改為經(jīng)過參考點(diǎn)的yz平面。如果草圖平面不是與xy，xz，yz平面平行的平面，可以通過指南針進(jìn)行調(diào)整。

2 建立典型特征數(shù)據(jù)庫

2.1 知識(shí)模板工具選擇

為了調(diào)用用戶創(chuàng)建的典型特征，CATIA 知識(shí)模板提供了超級(jí)副本和用戶特征2 種特征復(fù)制工具[4]。超級(jí)副本在調(diào)用時(shí)保留了參數(shù)化建模過程，修改方便；用戶特征則對(duì)建模過程進(jìn)行封裝，只保留了輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果，參數(shù)修改時(shí)容易報(bào)錯(cuò)且不方便查找原因?；谝陨显?，采用創(chuàng)建超級(jí)副本的方法建立白車身典型特征數(shù)據(jù)庫。

2.2 創(chuàng)建超級(jí)副本

超級(jí)副本是CATIA 軟件自帶的一種功能強(qiáng)大的復(fù)制工具，可以將通過多個(gè)命令創(chuàng)建的一組特征，包含幾何特征（孔、凸臺(tái)、加強(qiáng)筋、修邊特征等）和知識(shí)特征（參數(shù)、規(guī)則、設(shè)計(jì)表、公式等），從一個(gè)文件復(fù)制到另一個(gè)文件，復(fù)制特征與源文件無關(guān)聯(lián)，復(fù)制特征保留了參數(shù)化建模過程，可以方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

超級(jí)副本可以將一些繁瑣而重復(fù)性的工作變得輕松簡單，可以有效減少重復(fù)性的建模操作步驟。通過超級(jí)副本建立典型特征庫可以在不同零件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)一步提高工作效率[5]。

創(chuàng)建超級(jí)副本的環(huán)境分為混合設(shè)計(jì)環(huán)境和非混合設(shè)計(jì)環(huán)境。在混合設(shè)計(jì)環(huán)境下創(chuàng)建的超級(jí)副本只能在混合設(shè)計(jì)環(huán)境應(yīng)用；在非混合設(shè)計(jì)環(huán)境下創(chuàng)建的超級(jí)副本只能在非混合設(shè)計(jì)環(huán)境應(yīng)用。

在完成特征建模的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建超級(jí)副本的步驟如下：1）點(diǎn)擊超級(jí)副本命令，定義典型特征，選擇典型特征幾何圖形集（平面長圓臺(tái)），如圖8 所示；2）點(diǎn)擊定義選項(xiàng)卡，按典型特征名稱更改超級(jí)副本名稱（平面長圓臺(tái)）；3）點(diǎn)擊輸入選項(xiàng)卡，修改輸入?yún)⒖荚氐拿Q及順序，便于識(shí)別和點(diǎn)選，輸入窗口顯示輸入?yún)⒖荚貫橹С置婧椭行狞c(diǎn)，與輸入幾何圖形集一致，如果不一致，建議調(diào)整結(jié)構(gòu)樹后改為一致；4）點(diǎn)擊文檔選項(xiàng)卡，不需任何修改；5）點(diǎn)擊參數(shù)選項(xiàng)卡，修改參數(shù)名稱并發(fā)布，以便于典型特征的參數(shù)化修改，如圖9 所示；6）點(diǎn)擊屬性選項(xiàng)卡，根據(jù)需要修改圖標(biāo)，抓取屏幕獲取典型特征的預(yù)覽圖片；7）點(diǎn)擊確定，完成超級(jí)副本的創(chuàng)建，創(chuàng)建后，結(jié)構(gòu)樹上增加超級(jí)副本標(biāo)識(shí)。

圖8 CATIA 知識(shí)模板超級(jí)副本對(duì)話框

圖9 平面長圓臺(tái)參數(shù)發(fā)布對(duì)話框

2.3 保存到目錄

在模板文件中創(chuàng)建典型特征的超級(jí)副本，可以在模板文件中直接調(diào)用，也可以跨文件調(diào)用。實(shí)際應(yīng)用一般是跨文件調(diào)用，即在設(shè)計(jì)不同白車身零件時(shí)調(diào)用特征模板文件里的典型特征?？缥募{(diào)用的方法有從模板文件實(shí)例化和從目錄瀏覽器實(shí)例化2 種。從模板文件實(shí)例化，即不同特征需要調(diào)用不同的特征模板文件，特征模板較多時(shí)查找使用不方便。因此推薦采用從目錄瀏覽器調(diào)用典型特征。

保存到目錄的目的是為了建立特征數(shù)據(jù)庫，方便典型特征在不同文件中進(jìn)行調(diào)用。

點(diǎn)擊保存到目錄命令，首次保存選擇創(chuàng)建新目錄，后續(xù)保存其它特征創(chuàng)建的超級(jí)副本選擇更新現(xiàn)有目錄即可，如圖10所示。

圖10 CATIA 知識(shí)模板保存到目錄對(duì)話框

打開目錄文件，可以看到保存的平面長圓臺(tái)特征，如圖11所示。目錄文件結(jié)構(gòu)樹包含目錄、章節(jié)和系列，典型特征部件存放在系列中，關(guān)鍵字包含典型特征名稱和輸入?yún)⒖荚亍?/p>

圖11 特征庫目錄文件顯示界面

2.4 更新目錄建立特征庫

參考平面長圓臺(tái)的參數(shù)化特征建模、創(chuàng)建超級(jí)副本及保存到目錄的方法，進(jìn)行白車身孔特征、凸臺(tái)特征、陰陽臺(tái)特征、加強(qiáng)筋特征、三角筋特征、修邊特征等特征模板的創(chuàng)建，更新目錄文件，完成白車身典型特征數(shù)據(jù)庫，如圖12所示。

圖12 白車身典型特征數(shù)據(jù)庫顯示界面

3 調(diào)用典型特征

3.1 調(diào)用方法

新建或打開一個(gè)現(xiàn)有零件數(shù)據(jù)（目標(biāo)文件），確認(rèn)數(shù)據(jù)包含輸入?yún)⒖荚?。如果沒有，可以在需要插入特征的位置創(chuàng)建參考元素。

點(diǎn)擊目錄瀏覽器，從特征庫中選取調(diào)用特征（平面長圓臺(tái)），雙擊特征，彈出插入對(duì)象對(duì)話框，如圖13所示。在目標(biāo)文件中，選擇插入特征需要的參考元素（支持面和中心點(diǎn)），點(diǎn)擊參數(shù)進(jìn)行尺寸修改，點(diǎn)擊確定完成典型特征的調(diào)用，平面長圓臺(tái)特征已經(jīng)插入目標(biāo)文件輸入位置。插入典型特征后，如不滿足設(shè)計(jì)要求，可以點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹上的草圖及相關(guān)命令進(jìn)行二次修改。

圖13 CATIA 知識(shí)模板插入對(duì)象顯示界面

3.2 特征調(diào)用與手工建模對(duì)比分析

為了直觀說明特征調(diào)用方法的實(shí)用性及高效性，以圓形陰陽臺(tái)為例，對(duì)比分析特征調(diào)用及手工建模2 種方法的建模步驟。

特征調(diào)用方法只需點(diǎn)擊目錄瀏覽器一個(gè)命令，雙擊圓形陰陽臺(tái)特征，通過選擇輸入?yún)⒖荚夭⒏膮?shù)尺寸即可完成圓形陰陽臺(tái)創(chuàng)建，如圖14所示。創(chuàng)建后的特征保留了參數(shù)化建模過程，便于后期修改。

圖14 圓形陰陽臺(tái)顯示界面

手工建模方法與創(chuàng)建特征模板的方法相同，步驟如下：1）創(chuàng)建定位草圖，繪制草圖并進(jìn)行尺寸約束，修改參數(shù)調(diào)整圓臺(tái)尺寸；2）填充曲面，根據(jù)草圖創(chuàng)建填充曲面1；3）掃掠曲面1，根據(jù)草圖及基準(zhǔn)面創(chuàng)建掃掠特征曲面1；4）掃掠曲面2，根據(jù)草圖及基準(zhǔn)面創(chuàng)建掃掠特征曲面2，拔模角度與掃掠曲面1 相同，拔模方向相反；5）倒圓角1，填充曲面1 與掃掠曲面1 倒圓角；6）倒圓角2，掃掠曲面2 與支持面倒圓角；7）倒圓角3，圓角1 與圓角2 倒圓角，完成圓形陰陽臺(tái)特征創(chuàng)建，如圖14所示。

從上面的建模方法可以看出，特征調(diào)用方法與手工建模方法得到的結(jié)果是一致的。特征調(diào)用方法只需1 步，手工建模方法需要7 步。采用特征調(diào)用方法可以省去大部分的建模操作過程，減少重復(fù)性的工作。在白車身零件設(shè)計(jì)中，孔、凸臺(tái)、加強(qiáng)筋等典型特征會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，特征調(diào)用方法相對(duì)手工建模的優(yōu)越性更加明顯。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

以某車型前縱梁為例，如圖15所示。利用CATIA設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)面，如圖15a 所示；調(diào)用白車身典型特征庫，添加圓孔、方孔、圓形凸臺(tái)、長圓筋、弧形筋、三角筋等特征后的前縱梁，如圖15b所示。由于前縱梁上典型特征較多，手工建模工作量較大，利用典型特征庫可以提高建模效率，同時(shí)保證了典型特征建模的規(guī)范性，便于修改。

圖15 某車型前縱梁示意圖

4 結(jié)論

在對(duì)白車身典型特征進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法創(chuàng)建典型特征模板，利用CATIA 知識(shí)模板的超級(jí)副本、保存到目錄、目錄瀏覽器等工具，建立了白車身典型特征庫。在白車身設(shè)計(jì)中通過調(diào)用典型特征，減少了重復(fù)設(shè)計(jì)工作量，提高了建模效率，取得了良好的應(yīng)用效果。通過特征調(diào)用與手工建模對(duì)比分析，證明了白車身典型特征庫的實(shí)用性及高效性。下一步的研究方向是規(guī)范典型特征模板的參數(shù)化建模方法，提高特征調(diào)用的穩(wěn)定性，擴(kuò)大典型特征庫的應(yīng)用范圍。