傳統(tǒng)的飛機制造過程是：設(shè)計文件、圖紙→模線樣板→標準樣件→各類成形模具、裝配夾具，最后制造出飛機產(chǎn)品。這種傳統(tǒng)的工作方式是把飛機的設(shè)計數(shù)據(jù)或信息，通過數(shù)以萬計的標準工藝裝備和生產(chǎn)工藝裝備以模擬量形式傳遞到飛機產(chǎn)品上（例如，直9飛機僅各類裝配工裝就有近3000套，運12飛機裝配工裝有近1000套），而設(shè)計、制造這些工裝所需工時大大超過制造飛機本身所需工時。因此，大量使用各類標準件和組件，實現(xiàn)快速工裝設(shè)計，對縮短整個飛機研制周期、提高飛機制造質(zhì)量具有舉足輕重的作用，目前，國內(nèi)大型航空企業(yè)大都建立了符合國標、航標或自己企標標準的各類標準件庫，如螺栓、螺母、墊圈、銷和鉆套等，并已投入使用，大大提高了設(shè)計效率。隨著飛機制造數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展和多年設(shè)計經(jīng)驗的不斷積累，很多企業(yè)形成了大量符合航標或企標的典型工裝結(jié)構(gòu)，即組件（如夾緊組件、定位組件等），也希望能建成類似標準件庫的組件庫，重復(fù)調(diào)用，從而加速工裝設(shè)計速度，并減少設(shè)計誤差、減少重復(fù)設(shè)計造成的人員浪費。

    在大型三維軟件日新月異的今天，CATIA V5系統(tǒng)以其支持多平臺、可擴展性、具有知識的捕捉和重用等特性，成為航空行業(yè)的主流CAD平臺，其標準件庫的開發(fā)和使用已成為飛機數(shù)字化產(chǎn)品定義和飛機快速設(shè)計的關(guān)鍵，功能已較為完善，但以CATProduct文檔形式存儲組件的三維模型無法用CATIA提供的庫瀏覽器(Catalog Browser)實現(xiàn)組件庫的瀏覽、查詢和調(diào)用等功能。采用CATPart形式建立組件的實體模型是一種解決方法，但構(gòu)成組件的各零件只能以幾何體的形式插入到零件(Part)中，相互之間不存在裝配約束關(guān)系，無法進行后續(xù)的仿真分析，如裝配仿真、強度校核和剛度校核等。因此，文中結(jié)合CATIA的實體建模、Formula和Design Table等功能，基于二次開發(fā)工具CAA(Component Application Architecture)，開發(fā)了符合航空企業(yè)實際需求的三維組件庫建庫工具，實現(xiàn)了以CATProduct形式創(chuàng)建的組件庫的查詢、預(yù)覽、調(diào)用及主要參數(shù)的三維顯示等功能，并與CATIA V5無縫連接，具有開放性的接口，易于擴展。

1 CATIA中標準件庫的建立及CAA

    1.1 CATIA中標準件庫的建立

    CATIA V5界面友好、功能強大、易于操作，利用其Formula、Design Table和Catalog功能，可建立三維標準件庫，步驟如下：

    (1)實體建模利用CATIA的各功能模塊建立標準件的實體模型，以CATPart文檔的形式存儲，便于Catalog文檔的創(chuàng)建。

    (2)創(chuàng)建參數(shù)變量利用CATIA的Formula功能，根據(jù)模型幾何尺寸的需求，設(shè)計一定的參數(shù)變量個數(shù)，給每個參數(shù)命名、賦初值并添加各幾何尺寸與參數(shù)間的關(guān)系表達式，從而實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，即通過尺寸驅(qū)動的方式控制幾何模型。

    (3)設(shè)計參數(shù)表使用當前創(chuàng)建的參數(shù)變量，創(chuàng)建與模型文件對應(yīng)的設(shè)計表，在其中添加標準件參數(shù)化的數(shù)據(jù)，即同一類型標準件的不同尺寸，表的各列代表模型的某些屬性及參數(shù)變量，包括文檔編號(PartNumber)、材料、直徑和長度等。

    (4)創(chuàng)建Catalog文件新建Catalog文檔，引入含有設(shè)計表的模型文件，最后加入零件的描述信息，生成Catalog文件，然后利用庫瀏覽器訪問新建的Catalog文件，實現(xiàn)標準件的預(yù)覽和調(diào)用。

    1.2 二次開發(fā)工具CAA

    以CATProduct文檔形式存儲的組件模型信息完整，包含了組件的幾何信息和裝配信息，很好地解決了以CATPart形式建庫所帶來的弊端，但CATIA自身的庫瀏覽器無法實現(xiàn)對其進行瀏覽和調(diào)用，因此，文中利用CAA進行二次開發(fā)，實現(xiàn)此功能。

    CAA是Dassault Systemes公司開發(fā)的開放式中間件和產(chǎn)品生命期開發(fā)環(huán)境，是進行CATIA二次開發(fā)的主流工具，利用CAA進行二次開發(fā)，主要是通過RADE(Rapid Application Development Environment)和庫函數(shù)API接口程序來實現(xiàn)。RADE以VC++為載體，在VC++環(huán)境中增加了CAA的開發(fā)工具，可實現(xiàn)對象的封裝、多態(tài)和繼承；API提供了操作各種對象的方法、工具和接口。CAA自帶的百科全書提供了大量參考范例，是進行CATIA二次開發(fā)的良師益友。

2 基于CAA的組件庫建庫工具的設(shè)計和開發(fā)

    2.1 組件庫建庫工具總體框架

    圖1給出了組件庫建庫工具的框架，該工具軟件以CATIA和Windows為操作平臺；基于CATIA的三維造型功能及知識模塊，進行實體建模，創(chuàng)建參數(shù)變量及其之間的關(guān)系，根據(jù)當前參數(shù)創(chuàng)建參數(shù)表保存在Excel中，實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動；利用CATIVisu、Knowledgelnterface和CATITPS等API接口開發(fā)調(diào)用模塊，通過一定的通訊機制訪問參數(shù)庫和圖形庫，實現(xiàn)組件的實例化、瀏覽和調(diào)用。組件一旦實例化并調(diào)用到裝配環(huán)境以后，便與組件庫脫離關(guān)系，形成獨立的實體，零件的物理文件名存放于“工程目錄”，對“工程目錄”內(nèi)的組件進行尺寸編輯，不會對圖形庫、參數(shù)庫產(chǎn)生任何影響。

圖1 組件庫建庫工具的框架

    2.2 組件庫的創(chuàng)建

    創(chuàng)建組件庫與標準件庫類似，分為實體建模、創(chuàng)建參數(shù)及關(guān)系、建立參數(shù)表和調(diào)用組件庫4步。

    2.2.1 實體建模

    機械產(chǎn)品由具有層次關(guān)系的零（部）件組成，一個組件一般可分解為若干個零件，其結(jié)構(gòu)樹可以直觀地反映這種層次結(jié)構(gòu)，樹中的節(jié)點表示部件或零件，線表示父節(jié)點與子節(jié)點之間的所屬關(guān)系。圖2是以CATPart和CATProduct兩種形式創(chuàng)建的腳輪組件的三維模型，從其結(jié)構(gòu)樹中可知：以CAIPart形式(見圖2(a))存在的組件庫，每個零件均以幾何體的形式插入，各幾何體共享設(shè)計坐標系，因此相互間的位置關(guān)系靠設(shè)計人員定義相對坐標來保證，不存在任何裝配約束；而以CATProduct形式(見圖2(b))創(chuàng)建的模型中，各零件有其獨立的設(shè)計坐標系，相互間的位置關(guān)系是靠Constrains（裝配約束）確定的，其中任何一個零件幾何尺寸發(fā)生改變時，與之相關(guān)聯(lián)的所有零件的相對位置隨之變化，從而保證組件中各個零件的裝配約束關(guān)系不變。因此，必須以CATProduct形式創(chuàng)建組件模型，才能完整、準確地描述組件的幾何信息和裝配約束關(guān)系。

    文中在創(chuàng)建CATProduct形式的組件模型時，首先分析組件結(jié)構(gòu)，按標準件建庫方法建立各零件庫，并按一定的命名規(guī)則保存文檔，如圖2中的腳輪由6個不同的零件組成，分別建立其零件庫，并以CATPart形式保存；然后添加裝配約束，確定各零件的相對位置，形成具有裝配約束關(guān)系的組件實體模型，以CATProduct形式保存，需要指出的是：要將組件和各零件的模型文件放在同一目錄下，并把組件的名稱命名為目錄的名稱，便于后續(xù)組件的預(yù)覽和調(diào)用。

圖2 組件的實體模型

    2.2.2 組件參數(shù)的提取

    創(chuàng)建的組件參數(shù)要能夠封裝下層幾何參數(shù)信息和上層非幾何屬性信息，為了實現(xiàn)參數(shù)對組件模型的驅(qū)動，利用知識模塊建立參數(shù)與相關(guān)零件幾何尺寸之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當參數(shù)值發(fā)生改變時，相關(guān)幾何尺寸也實時更新，從而引起組件模型的變化。

    2.2.3 主參數(shù)袁的設(shè)計

    與建立標準件庫時參數(shù)表的設(shè)計方法相同，一般包含了重要的零件外形尺寸、裝配尺寸及其他非幾何屬性信息（如材料、加工方法等）。由于企業(yè)已經(jīng)建成了以Part形式存在的組件庫，擁有較為完整的參數(shù)信息，因此，可首先引用原來的參數(shù)表，然后根據(jù)后續(xù)實例化的需要對組件參數(shù)表進行必要的擴充，大大減少了數(shù)據(jù)輸入的工作量，需要添加的數(shù)據(jù)包括組件中零件的數(shù)目、每一個組成零件在零件庫中的名稱（文件名）等，為實例化提供必要的信息。如圖3所示，PartCount列給出了腳輪組件中的零件數(shù)目為6，各Part列是每個零件在零件庫中的文件名（由設(shè)計人員在保存零件模型時給出），如第1個零件的文件名為CATPart.1.CATPart，表中其他數(shù)據(jù)均直接引用企業(yè)原有數(shù)據(jù)。

圖3 腳輪的參數(shù)表

    2.2.4 組件庫預(yù)覽、調(diào)用模塊的設(shè)計和實現(xiàn)

    CATIA創(chuàng)建的Catalog文檔，并不適用于包含設(shè)計表的*.CATProduct文檔，因此雖然CATIA可以實現(xiàn)組件的參數(shù)化及參數(shù)表驅(qū)動，卻不具備組件實例化功能，即無法實現(xiàn)組件庫的預(yù)覽和調(diào)用，所以實例化是組件庫的關(guān)鍵步驟。

    組件的查詢和三維預(yù)覽是調(diào)用組件庫的前提，根據(jù)企業(yè)的實際情況，將組件庫按部門需求及標準類別進行分類，結(jié)果如圖4所示，用戶可根據(jù)此樹狀結(jié)構(gòu)，逐級選擇查找所需組件，找到需要的組件后，讀取并顯示主參數(shù)表中的所有參數(shù)供用戶選擇；然后根據(jù)所選參數(shù)系列進行組件的配置，即可調(diào)出與之參數(shù)匹配的實例；再利用CATNavigation3 Dviewer、CAT3 Dviewpoint和CATI3 DGeoVisu等相關(guān)接口函數(shù)實現(xiàn)組件的三維預(yù)覽，具體的實現(xiàn)步驟可參考文獻。在進行組件配置時，首先要獲取組件的主參數(shù)表CATIDesignTable*myDesignTable，然后再通過myDesignTable→SetCurrentConfiguration()函數(shù)對所選參數(shù)進行配置。

圖4 組件庫分類示意圖

    組件的實例化必須對組件及其組成零件分別進行實例化，這是實現(xiàn)組件實例化的主要思想和關(guān)鍵所在，而要實現(xiàn)在裝配文檔中調(diào)用組件，僅僅對所選參數(shù)系列進行配置來實現(xiàn)組件的實例化是遠遠不夠的，因為產(chǎn)品連接參考總是與原始庫文件相關(guān)聯(lián)，每次實例化后原文件也會隨之改變配置，即每次新的調(diào)用都會影響以前的調(diào)用（見圖5），因此必須去除實例化對原文件的影響（如圖5中虛箭頭所示），從而保證每次裝配的相對獨立。實現(xiàn)該功能的偽代碼如下：

圖5 組件調(diào)用與原始庫文件的關(guān)系

    裝配組件時，本系統(tǒng)對組件及各組成零件的文件名稱、裝配樹中的名稱、各文件的保存路徑等均做了合理的安排和設(shè)置，以徹底消除實例化后的組件對組件庫的影響，同時可有效地減少存儲空間，加快裝配體的讀寫和處理速度，例如，組件和各組成零件保存在同一文件下，相同零件只保存一個文件，組件的文件名采用Part Number命名等。

3 應(yīng)用實例

    圖6為飛機前艙罩膠接夾具中裝配腳輪的應(yīng)用示例，找到所需組件位置，打開相應(yīng)的庫文件，選擇所需參數(shù)系列，獲取參數(shù)值并與圖形庫相關(guān)聯(lián)，便可實現(xiàn)組件更新和實時預(yù)覽，如圖6(a)所示。預(yù)覽框可顯示此系列組件的三維模型，并可進行縮放、平移和旋轉(zhuǎn)等操作；此外還可以顯示主要參數(shù)的相應(yīng)位置，如頂板的長A、寬H等，方便了解各參數(shù)的具體意義，避免頻繁地翻閱手冊，點擊“將組件裝入當前產(chǎn)品”即可將組件調(diào)入所選成品層次中，然后添加必要的約束條件實現(xiàn)裝配，腳輪裝配后的示例見圖6(b)。

圖6 組件庫實例

4 結(jié)語

    文中以CATIA中標準件庫的創(chuàng)建和調(diào)用為基礎(chǔ)，研究了面向航空產(chǎn)品工裝的組件庫建庫工具的設(shè)計與實現(xiàn)方法�；�于二次開發(fā)工具CAA，結(jié)合CATIA的實體建模、Formula和Design Table等功能開發(fā)了針對航空領(lǐng)域的三維組件庫建庫工具，實現(xiàn)了以CATProduct形式創(chuàng)建的組件庫的查詢、三維預(yù)覽、調(diào)用及主要參數(shù)的三維顯示等功能。企業(yè)實際應(yīng)用表明，整個組件庫的創(chuàng)建和使用過程簡單，操作方便，能夠提高設(shè)計效率和產(chǎn)品的互換性，開發(fā)的建庫工具直接集成到CATIA V5上，實現(xiàn)了與CATIA V5版本的無縫連接。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的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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本文標題：基于CATIA的組件庫建庫工具的設(shè)計與實現(xiàn)

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