面向焊接夾具設計的CATIA綜合應用研究

張利男，宋江勇

（山西科技學院 智能制造工程學院，山西 晉城 048000）

0 引言

在汽車制造四大工藝（沖壓、焊接、涂裝、總裝）中，焊接工藝作為關鍵工序，焊接夾具的研發(fā)與制造在整個汽車制造鏈中占有重要地位。焊接夾具是典型的非標準工裝，具有很強的專用性，是焊接生產(chǎn)線的核心，夾具設計和制造的費用占整個汽車制造成本的10%～20%[1]。

焊接夾具的典型設計由方案和工藝設計、夾具總體設計（功能設計）、夾具結構設計、繪制夾具圖樣和編制技術/使用說明書等步驟組成[2]。

本文以焊接夾具中BASE為例，針對其結構建模復雜、耗時長、設計效率低的問題，綜合運用CATIA多個模塊實現(xiàn)BASE的快速三維建模，提高設計效率。

1 CATIA標準件庫的創(chuàng)建

以緊固件為例，CATIA V5平臺下自帶的只有國際（ISO）、美國（US）、英國（EN）和日本（JIS）的商業(yè)三維標準件庫。為此建立符合GB的三維標準件庫[3]可以實現(xiàn)快速開發(fā)工程項目，同時避免大量重復工作、降低產(chǎn)品開發(fā)成本。

CATIA建立標準件庫的方法有三種：①零件設計模塊/草圖編輯器、目錄編輯器模塊和知識工程顧問模塊的綜合應用建庫；②使用CATIA的宏（Macro）命令進行進程內編程建庫；③基于CATIA的Automation技術、使用VB語言建庫以及基于CATIA二次開發(fā)工具RADE和庫函數(shù)CAA、使用VC語言建庫。本文以全螺紋六角頭螺栓（GB5783）為例，僅對第一種方法的建庫步驟進行闡述：

（1）設置CATIA環(huán)境：勾選“With Value”、“With Formula”和“Relations”，用于實現(xiàn)參數(shù)化設計。

（2）使用草圖編輯器或零件設計模塊創(chuàng)建緊固件模型的草圖，在草圖中創(chuàng)建尺寸約束，這些被約束的尺寸將作為特征尺寸被定義為參數(shù)變量，用于驅動零件模型的生成。

（3）將草圖拉伸為實體模型，利用Formula命令，建立用戶變量，這些變量與實體模型的特征尺寸是一一對應關系。將用戶變量賦給實體模型的特征尺寸，或通過編輯公式實現(xiàn)關系（Relations）的對應，見圖1。

圖1 全螺紋六角頭螺栓（GB5783）模型和用戶變量、關系創(chuàng)建Fig.1 The creation of Hexagon bolts（GB5783）’s Model and Parameters，Relations

（4）用Design Table功能建立設計表，使設計表與（3）創(chuàng)建的零件模型形成對應關系。表格中的參數(shù)變量即上一步驟創(chuàng)建的用戶變量，表格中的數(shù)據(jù)來自國家標準或機械行業(yè)標準，見表1。

表1 全螺紋六角頭螺栓（GB5783）模型的參數(shù)表創(chuàng)建Tab.1 The creation of Hexagon bolts（GB5783）’s design table

（5）使用目錄編輯器（Catalog Editor）創(chuàng)建緊固件的目錄文件（GB_Fastener.catalog），通過加載（3）創(chuàng)建的零件模型，將它解析成一系列的具體零件文件，見圖2。

圖2 國標（GB）緊固件庫文件的目錄Fig.2 GB fastener library file directory

（6）庫文件的調用：在裝配設計模塊下找到標準件庫文件（GB_Fastener.catalog），雙擊打開標準件庫便可調用標準件三維模型[4]。

此方法完全基于CATIA自身多個模塊的綜合應用，開發(fā)步驟明晰、簡便，庫文件調用時響應速度快。同時可以根據(jù)需要對設計表（Design Table）數(shù)據(jù)進行增刪，從而對庫文件進行增刪管理。但是與第二、三種方法相比，這種方法的開發(fā)需要大量數(shù)據(jù)存儲在表格中，且所有庫文件需要解析在文件夾中，數(shù)據(jù)量龐大，調用時需要逐步檢索。為此越來越多的企業(yè)采用第二、三種方法來創(chuàng)建標準件庫[5]。

2 CATIA型材庫和板材庫創(chuàng)建

在鋼架結構設計中需要用到型材和板材，為此需要建立適用于國標（GB）的型材庫和板材庫，其創(chuàng)建流程[6-8]見表2，庫文件的目錄見圖3。

圖3 國標（GB）型材庫和板材庫文件的目錄Fig.3 Catalog of GB’s profile library and sheet library files

表2 國標（GB）型材庫和板材庫創(chuàng)建流程Tab.2 GB’s Profile library and plate library creation process

（續(xù)表2）

3 BASE鋼結構件的綜合設計

目前對于焊接夾具的BASE等鋼架結構件的三維數(shù)模設計主流方法仍是零件設計模塊和裝配設計模塊的綜合應用[8]。此方法的不足之處在于鋼架結構中的型材需要進行截面草圖繪制后拉伸為實體，草圖繪制繁瑣、用時長。且在同一鋼構中，同種型號的型材使用頻率高，但每次生成實體均需要重新繪制截面草圖，同種型號的截面草圖很難實現(xiàn)復用。整個鋼構設計過程中進行設計修改和完善時，需要對截面草圖、型材間的連接接頭等進行反復修改，工作量大。以上這些不足都造成了鋼構設計效率不高的問題。為此本文應用CATIA V5中的結構設計模塊（Structure Design，STD）對BASE進行設計，結合裝配設計模塊和知識工程顧問模塊，實現(xiàn)了BASE鋼構件快速建模、嵌入設計規(guī)則、自動更改的功能。

CATIA V5結構設計模塊是專門的鋼結構設計模塊，它采用基于線框與驅動平面的建模方式，使用時將CATIA型材庫和板材庫中的型材截面和板材賦予到已建立的骨架模型上即可生成三維模型，從而簡單快速地生成線性結構、曲線結構和板材結構。在設計修改時，只需重新選擇型材即可快速完成修改，大大簡化了設計人員的設計工作量。此外模塊擁有二次開發(fā)接口，方便進行型材庫的建立和型材間連接方法的開發(fā)[9]。

在創(chuàng)建完成的型材庫和板材庫基礎上，應用結構設計模塊、裝配設計模塊和知識工程顧問模塊綜合設計BASE。設計步驟：

（1）BASE設計規(guī)則確認：首先應該將BASE設計規(guī)則和關鍵參數(shù)進行列表，便于型材型號選擇、板材板厚選擇和設計規(guī)則的編制。表3列出BASE設計規(guī)則[8]（限于篇幅，僅討論BASE板面積S≤3.0m2的情況）。

表3 BASE設計規(guī)則Tab.3 Design rule of BASE

（2）BASE結構骨架設計、模型創(chuàng)建：BASE的主框架由槽鋼組成，在框架內部有橫豎方向的槽鋼作為加強梁。框架的頂面由板材組成BASE面板，底面則在槽鋼接頭處設置加強板。設計時根據(jù)槽鋼框架和加強梁的布置情況，利用結構設計模塊的“Grid”命令創(chuàng)建BASE結構骨架的主線框，利用“Shape”命令調用型材庫中的槽鋼截面賦予主線框即可生成結構骨架。完成骨架設計后，使用“Endcut”、“Slot”、“Cutback”等命令處理多個槽鋼接觸處的接頭形式。接著根據(jù)主線框的布置，利用“Plate”命令創(chuàng)建BASE面板和加強板。至此，一個簡單的BASE結構件的三維模型創(chuàng)建完成，比傳統(tǒng)的零件設計模塊節(jié)省設計時間。

（3）BASE模型的參數(shù)化設計：在三維模型基礎上，利用裝配設計模塊和知識工程顧問模塊將設計規(guī)則寫入模型中，實現(xiàn)骨架的自動驅動和三維模型的自動更新，從而提高設計修改效率和模型的可重用性。具體操作如下：

通過分析設計規(guī)則可知，設計更改的參數(shù)是BASE面板的面積S，而面積S可由BASE面板的長L1和寬L2相乘得到。因此首先利用“Formula”命令設計全局參數(shù)：BASE長L1、BASE寬L2和BASE面積S，其中BASE面積S=BASE長L1*BASE寬L2。這樣便可通過更改L1、L2兩個參數(shù)的值，實現(xiàn)對BASE整體結構的自動更改。

對于由“Plate”命令創(chuàng)建的加強板，利用裝配設計模塊的約束命令創(chuàng)建約束和參數(shù)。

此時所需的參數(shù)已經(jīng)全部創(chuàng)建完成，由四部分組成：骨架主線框的各面間的距離、板的草圖大小尺寸和約束尺寸、裝配約束尺寸和全局參數(shù)（L1、L2、S）。

利用“Formula”命令和“Rule”命令創(chuàng)建一系列的公式和規(guī)則，實現(xiàn)將表3設計規(guī)則嵌入到設計參數(shù)中見圖4，現(xiàn)以“Rule.1”的部分為例進行說明見圖5。

圖4 BASE參數(shù)化設計的目錄樹Fig.4 Parameterized design of the directory tree（parameters、formula、rule）of BASE

圖5 BASE參數(shù)化設計的rule詳解（以0.8＜S≤1.9為例）Fig.5 The rule of parametric design of BASE（0.8＜S≤1.9）

為保證加強梁的加強效果，一般規(guī)定梁間距不大于700mm，為此需要滿足“L1≤2300mm”、“L2≤1600mm”和“L1≥L2”。同時與表3對應，需要設置“S≤3m2”。將上述設計規(guī)則寫入“Rule.2”：

/*Rule created by Administrator*/

if`BASE長L1`＜`BASE寬L2`

{Message（"Forbidden：L1＜L2！"）}

if`BASE長L1`＞2300mm

{Message（"Forbidden：L1＞2300mm"）}

if`BASE寬L2`＞1600mm

{Message（"Forbidden：L2＞1600mm"）}

if`BASE面積S`＞3m2

{Message（"Forbidden：S＞3m2"）}

當滿足if條件時，在CATIA界面彈出對話框顯示警告信息。

至此BASE的主體結構三維設計完成，通過更改L1、L2兩個參數(shù)的值，再點擊更新命令，實現(xiàn)對BASE整體結構的自動更改。

綜上所述，當設計結構類似的鋼構件時，綜合應用結構設計模塊、裝配設計模塊和知識工程顧問模塊，可以實現(xiàn)三維模型快速創(chuàng)建和修改、設計規(guī)則嵌入、模型自動更新等功能，體現(xiàn)了知識工程原理，提高了設計效率，縮短了設計用時，有利于鋼構件的標準化設計。

4 CATIA在焊接夾具設計中的應用趨勢

傳統(tǒng)的焊接夾具設計工作量大、周期長、效率低，且直接受設計者的經(jīng)驗技能和知識水平所限。為此出現(xiàn)了基于知識的智能設計的新理論和新方法[10-11]，具體表現(xiàn)為：①知識工程（KBE）技術在CAD軟件中的模塊化嵌入應用[12-15]，比如CATIA中的Knowledgeware模組中的各類模塊；②面向對象的編程技術用于CAD軟件的二次開發(fā)，包括了內嵌機制[16]和外部開發(fā)機制[17-18]；③計算機輔助夾具設計（CAFD）從第一代到第四代的興起和應用[19-24]。三者的關系見圖6。

圖6 CATIA知識工程與二次開發(fā)和計算機輔助夾具設計的關系Fig.6 The relationship between CATIA’s KBE and CAFD

5 結束語

本文基于焊接夾具的設計流程，針對焊接夾具中BASE結構件建模復雜、耗時長、設計效率低的問題，綜合應用零件設計模塊、裝配設計模塊、結構設計模塊、目錄編輯器模塊和知識工程顧問模塊等創(chuàng)建了國標（GB）標準件庫、型材庫和板材庫。在此基礎上，建立了一種對于焊接夾具中BASE的快速三維建模方法和流程，縮短了夾具設計周期。

面對新時代對于生產(chǎn)方式和敏捷制造的需求，焊接夾具朝向柔性化方向發(fā)展，并要求夾具設計周期縮短、成本降低、質量提高。為此，作為CAD軟件的CATIA以知識工程（KBE）技術為接口，通過面向對象編程技術實現(xiàn)二次開發(fā)，通過人工智能技術等的集成應用走向計算機輔助夾具設計（CAFD），使得CATIA朝著基于知識的智能化設計方向發(fā)展，為設計者提供更高效便捷的設計工具。