0 引言

    在航空和汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，CATIA已經(jīng)成為了必選的設(shè)計(jì)輔助工具。我國(guó)航空工業(yè)列入規(guī)范的航空標(biāo)準(zhǔn)件大約有3000多種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架空重20噸左右飛機(jī)上所用的標(biāo)準(zhǔn)件總數(shù)約為70～80萬(wàn)件，其中電氣元件占了很大一部分。如此龐大零件數(shù)量，使得其不但在設(shè)計(jì)、制造上十分困難，而且在管理上也非常困難，建立一個(gè)能夠最大程度滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的電氣元件庫(kù)十分的必要。

    用CATIA中的Catalog模塊來(lái)管理標(biāo)準(zhǔn)件的研究已經(jīng)比較深入了，但是大部種標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)區(qū)別僅僅庫(kù)名稱的不同，庫(kù)中的零件沒(méi)有自身的特性，調(diào)用庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)件后，還要對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行特征的定義，標(biāo)準(zhǔn)件人機(jī)交互性十分的不便，不利于設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。針對(duì)電氣準(zhǔn)件庫(kù)，本文提出基于知識(shí)工程的參數(shù)化建模和電氣元件的連接原則來(lái)創(chuàng)建符合實(shí)際設(shè)計(jì)的電氣元件庫(kù)，本文總體框架為如圖1所示。

圖1 電氣元件庫(kù)總體的框架

1 基于知識(shí)工程參數(shù)化設(shè)計(jì)理論

    1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概述

    所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)就是采用預(yù)先定義的辦法建立圖形的幾何約束集，選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。

    參數(shù)化設(shè)計(jì)具有很高的應(yīng)用價(jià)值，它極大地改善了產(chǎn)品圖形的修改手段，提高了設(shè)計(jì)的柔性。在概念設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、實(shí)體造型、裝配、公差分析與綜合、機(jī)構(gòu)仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中，參數(shù)化設(shè)計(jì)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于用參數(shù)(Parameters)、公式(Formula)、設(shè)計(jì)表格(Design Tables)等驅(qū)動(dòng)幾何圖形從而達(dá)到改變幾何圖形的目的。在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件、常用元件庫(kù)建立等技術(shù)問(wèn)題。這時(shí)，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，將是高效、快捷建模的最佳手段。

    1.2 基于知識(shí)工程的參數(shù)化

    CATIA的知識(shí)工程模塊是人工智能在信息處理方面的延續(xù)，它的根本目的是開發(fā)人工智能系統(tǒng)，補(bǔ)充和擴(kuò)大人腦的功能，開創(chuàng)人機(jī)共同思考的時(shí)代。利用知識(shí)工程建模，一方面，基于知識(shí)工程的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)特征尺寸的修改，通過(guò)建立尺寸與特征的關(guān)聯(lián)，使得模型的特征與尺寸的關(guān)聯(lián)信息更加明確。另一方面，可以按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)引入校核，在對(duì)變量進(jìn)行約束的同時(shí)在變量與變量之間構(gòu)建函數(shù)約束關(guān)系，組成一個(gè)設(shè)計(jì)校核庫(kù)。通過(guò)在參數(shù)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中引入CATIA知識(shí)工程模塊的相關(guān)功能，可以彌補(bǔ)參數(shù)化設(shè)計(jì)在特征關(guān)聯(lián)方面的不足。

    基于知識(shí)工程建立標(biāo)準(zhǔn)件模型的流程為：在標(biāo)準(zhǔn)件建模之前，通過(guò)formula命令，建立標(biāo)準(zhǔn)件建模過(guò)程中所需要的參數(shù)，該參數(shù)是建立標(biāo)準(zhǔn)件尺寸數(shù)據(jù)與幾何特征聯(lián)系的橋梁；在模型草圖繪制的過(guò)程中的，通過(guò)Edit Formula命令，建立參數(shù)與幾何特征的函數(shù)關(guān)系；完成標(biāo)準(zhǔn)件建模后，通過(guò)Design Table命令建立標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸信息表格；然后向尺寸信息表格中添加標(biāo)準(zhǔn)件各個(gè)型號(hào)的尺寸信息，形成標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)表；最后，選擇標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)表的每個(gè)規(guī)格，查看標(biāo)準(zhǔn)件模型特征是否變化，完成標(biāo)準(zhǔn)件幾何特征及設(shè)計(jì)表信息的校核。標(biāo)準(zhǔn)件的建模流程如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)件的建模流程

    通過(guò)知識(shí)工程與參數(shù)化建模相結(jié)合的方式構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)件模型，建立了標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)表，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件模型幾何信息的參數(shù)驅(qū)動(dòng)，為標(biāo)準(zhǔn)件模型的參數(shù)化批量生成建立了程序接口，為構(gòu)建包含所有模型的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)打下了基礎(chǔ)。圖3為基于知識(shí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本構(gòu)架示意圖，這種基于產(chǎn)品知識(shí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)是把知識(shí)工程與參數(shù)化設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，它用知識(shí)工程原理來(lái)組織產(chǎn)品數(shù)據(jù)，表達(dá)成產(chǎn)品的知識(shí)庫(kù)。它用較完整的面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言來(lái)描述特征，并在特征造型中使用參數(shù)化的同時(shí)，又利用結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言參數(shù)化地變動(dòng)尺寸和特征。

圖3 基于知識(shí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本構(gòu)架示意圖

2 基于連接原則的電氣元件

    基于知識(shí)工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)的零件沒(méi)有電氣元件的特性，不是一個(gè)完整的電氣的元件，在實(shí)際電氣設(shè)計(jì)中缺乏良好的人機(jī)交互的性能，不能很好的滿足設(shè)計(jì)的需求。因此電氣屬性和電氣連接點(diǎn)的添加十分的必要。

    2.1 電氣屬性和電氣連接點(diǎn)

    在航空電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，根據(jù)電氣元件的實(shí)際應(yīng)用和功能可分為圓形連接器，矩形連接器，尾線夾，開關(guān)，支架，斷路器，防磨邊，接線端子，卡箍等；而在CATIA電氣模塊中電氣屬性主要包括安裝設(shè)備“Mounting Equipment”、設(shè)備“Equipment”、外殼“Shell”、連接器“Connector”、端子“Contact”、盲堵“Filler plug”、后殼“Back shell”、保護(hù)層“Protective covering”和支撐“Support”，連接器按類型又可以分為單一插接連接器、軸銷、外部接頭、端子排、接線盒、多接口插接連接器、內(nèi)部接頭。安裝設(shè)備與設(shè)備的區(qū)別：設(shè)備專指電氣設(shè)備（如收放機(jī)），安裝設(shè)備指用于固定電氣設(shè)備的設(shè)備（如儀表臺(tái)）。電氣元件定義完電氣屬性成后大部分電氣元件需要定義連接點(diǎn)，為電氣設(shè)計(jì)中的電氣元件之間合理的配合以及電氣線束的布置打下基礎(chǔ)。電氣連接點(diǎn)主要包括支撐腔“Cavity”、端點(diǎn)“Termination”、連接器連接點(diǎn)“Connector connection point”、電纜線束連接點(diǎn)“Bundle connection point”、腔連接點(diǎn)“Cavity connection point”、后殼附件連接點(diǎn)“Back shell connection point”和外殼連接點(diǎn)“shell connection point”，表1為各電氣組件的具體定義。

表1 電氣組件的定義

    2.2 電氣元件之間的連接原則

    正確合理的定義電氣屬性既保證了電氣元件連接的合理性又為電氣連接點(diǎn)的添加提供了依據(jù)。例如，當(dāng)定義電氣元件的電氣屬性為盲堵“Filler plug”時(shí)，那么此電氣元件有且只能定義連接器連接點(diǎn)“Connector connection point”，而且只能與定義安裝設(shè)備“Mounting Equipment”、設(shè)備“Equipment”、外殼“Shell”、連接器“Connector”的電氣元件上的支撐腔“Cavity”連接點(diǎn)連接配合。

    如表2所示，列出了部分電氣元件的連接原則。

表2 部分電氣元件的連接原則

3 實(shí)例論證

    MIL-DTL-38999系列電連接器具有三頭螺紋快速連接，因有防松機(jī)構(gòu)，具有自銷功能，能夠防錯(cuò)插、防斜插、防誤插、可實(shí)現(xiàn)盲插，具有很好的防電磁干擾功能，廣泛應(yīng)用與航空設(shè)計(jì)中。如果能建立一個(gè)模型庫(kù)，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中根據(jù)設(shè)計(jì)需求從庫(kù)中調(diào)用合適的連接器，被調(diào)出的電連接器定義了電氣屬性和電氣連接點(diǎn)，可直接嵌入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，極大的加快了設(shè)計(jì)的速度，大幅度的降低了設(shè)計(jì)成本。下面通過(guò)MIL-DTL-38999中的圓形連接器為例說(shuō)明CATIA V5R16環(huán)境下建立一個(gè)滿足航空實(shí)際設(shè)計(jì)需求的電氣元件庫(kù)。

    3.1 實(shí)體參數(shù)化建模

    首先建立所需要的參數(shù)，在建立參數(shù)的時(shí)候不僅僅只是尺寸的參數(shù)，例如PartNumber、Mass、Material參數(shù)也十分重要。然后選定一組尺寸規(guī)格參數(shù)作為建模的依據(jù)，參數(shù)化建模是通過(guò)添加尺寸約束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

    3.2 創(chuàng)建設(shè)計(jì)參數(shù)表

    設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)參數(shù)表功能可以將標(biāo)準(zhǔn)件的不同尺寸規(guī)格以二維表的形式組織起來(lái)加入實(shí)體模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型的表格驅(qū)動(dòng)，即用戶選取表中的某一行參數(shù)，實(shí)體模型就依據(jù)這一組參數(shù)進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)，生成新模型，標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格尺寸較多，每一個(gè)規(guī)格的零件PartNumber-定是不同的。設(shè)計(jì)表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。

    3.3 創(chuàng)建規(guī)則，添加檢驗(yàn)

    對(duì)于參數(shù)和公式功能，所有的CATIA用戶均可使用，但是規(guī)則和檢查屬性只適用于知識(shí)工程顧問(wèn)的產(chǎn)品。使用知識(shí)顧問(wèn)(Knowledge Advisor)模塊下屬的規(guī)則功能，規(guī)則類似于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的條件語(yǔ)句，在滿足條件的情況下執(zhí)行一些指令，如定義參數(shù)或方程，或者發(fā)出提示信息，這種方法可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的參數(shù)控制功能，例如：if(Material==ALLOY) Cost=500 else Cost=100。

    檢查是一系列判斷表達(dá)式，為用戶提供是否滿足某種狀況的信息，用來(lái)提醒用戶的違規(guī)；例如：若條件是cost>2000，則檢查可顯示警告“成本太高，變更材料”。

    3.4 添加電氣屬性和連接點(diǎn)

    根據(jù)MIL-DTL-38999圓形連接器在實(shí)際航空設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及參考論文中連接原則，如圖4所示的圓形連接器，定義圓形連接器電氣屬性為單一插接連接器(Single Insert Connector)時(shí)，可定義的連接點(diǎn)有支撐腔(Cavity)、連接器連接點(diǎn)(Connector connection point)、腔連接點(diǎn)(Cavity Connection point)、電纜線束連接點(diǎn)(Bundle connection point)、后殼附件連接點(diǎn)(Back Shell connection point)，再根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的應(yīng)用，選擇定義“connector connection point”精確而合理的與另一個(gè)圓形連接器配合，定義“Bundle connection point”為出線束的點(diǎn)，定義“back shell connection point”快速合理的與尾纖夾配合，尾線夾的作用是用來(lái)固定和控制線束的方向。

圖4 定義電氣屬性和電氣連接點(diǎn)

    3.5 建立電氣標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)與零件的檢索

    圓形連接器MIL-DTL-38999系列標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)構(gòu)建完成后的效果如圖5所示。

圖5 Catalog目錄結(jié)構(gòu)

    當(dāng)需要快速與精確的調(diào)用庫(kù)中成千上萬(wàn)的零件時(shí)，可以在“filter”對(duì)話框中用（x.“參數(shù)名稱”比較運(yùn)算符“具體長(zhǎng)度（字符串）”）邏輯運(yùn)算符（x.“參數(shù)名稱”比較運(yùn)算符“具體長(zhǎng)度（字符串）”）……。格式來(lái)快速的進(jìn)行零件的檢索。例如當(dāng)需要參數(shù)A的值為30.2，參數(shù)B的值16.53時(shí)，輸入(x.“A”==30.2mm)AND(x.“B”==16.53mm)，如圖6所示，就會(huì)迅速又精確的檢索到所需要的零件，提高設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)所需零件的檢索能力。

圖6 檢索零件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文對(duì)CATIA的電氣模塊的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的創(chuàng)建進(jìn)行了研究和分析，闡述了標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程，采用本文闡述的方式構(gòu)建的CATIA電氣模塊標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)可以滿足企業(yè)的實(shí)際使用需求，為設(shè)計(jì)過(guò)程中電氣元件之間的裝配的合理性以及線束的設(shè)計(jì)的打下了基礎(chǔ)。本文的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院的標(biāo)準(zhǔn)件管理系統(tǒng)中。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于CATIA電氣元件庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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