林國斌，劉向堯

(貴州理工學(xué)院航空航天工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

飛機(jī)三維外形是飛機(jī)CAD中的一個(gè)重要組成部分。由于在概念設(shè)計(jì)階段飛機(jī)外形經(jīng)常需要修改，因此如何快速地生成飛機(jī)三維外形模型是一個(gè)需要解決的問題。參數(shù)化設(shè)計(jì)工作為快速地生成飛機(jī)三維外形模型提供了一種有效的途徑[1]。參數(shù)化設(shè)計(jì)是指CAD通過尺寸驅(qū)動(dòng)的方式，以獨(dú)立的幾何約束條件按既定的幾何參數(shù)生成一系列具有相同或相似幾何特征的二維或三維圖形的一種設(shè)計(jì)方法。從編程角度來看，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的途徑主要有三種：(1)基于圖形庫，如Open GL[2-3]；(2)基于已有的CAD軟件進(jìn)行二次開發(fā)?；趫D形庫的方法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)三維外形建模相對(duì)復(fù)雜些；而基于CAD軟件的方法則可以省略圖形軟件的開發(fā)，同時(shí)可以利用已有CAD系統(tǒng)的強(qiáng)大功能和通用性[4-5]。(3)直接利用CAD的基礎(chǔ)理論進(jìn)行建模編程。

本文應(yīng)用Visual Basic 6.0(以下簡(jiǎn)稱VB6.0)編程語言和CATIA二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身外形的參數(shù)化設(shè)計(jì)。首先分析不同類型的零部件設(shè)計(jì)方法，梳理在CATIA中的建模流程，再介紹VB6.0環(huán)境下CATIA二次開發(fā)的步驟，然后討論飛機(jī)參數(shù)化描述，最后以一個(gè)簡(jiǎn)單的飛機(jī)機(jī)頭外形為例，說明基于CATIA二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)外形參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及可行性。

1 在VB6.0環(huán)境下的CATIA二次開發(fā)

1.1 CATIA 二次開發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)介

CATIA作為CAD/CAM/CAM/CAPP一體化的軟件，廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等行業(yè)。尤其在航空領(lǐng)域，航空企業(yè)普遍使用CATIA進(jìn)行零部件的建模工作。然而由于用戶使用的側(cè)重點(diǎn)不同，功能再強(qiáng)大的軟件也不可能同時(shí)滿足各類用戶的需求。因此，對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)已經(jīng)受到國內(nèi)外許多企業(yè)及高校的重視。通過開發(fā)工具對(duì)CATIA的功能進(jìn)行二次開發(fā)，可以開發(fā)出針對(duì)某一功能需求，甚至針對(duì)某一用戶的特定模塊，以方便用戶使用，其是對(duì)CATIA功能的深入挖掘和拓展[4]。CATIA二次開發(fā)的過程和意義如圖1所示。

圖1 CATIA二次開發(fā)的過程和意義

CATIA二次開發(fā)主要分為以下兩種方法：一種是采用C++作為開發(fā)工具、CAA二次開發(fā)技術(shù)，另一種是采用VB作為開發(fā)工具、Automation二次開發(fā)技術(shù)。

CAA是CATIA的一套C++函數(shù)庫，該函數(shù)庫在CATIA運(yùn)行時(shí)加載，用戶可通過RADE模塊在VC++編程環(huán)境下編寫程序，與CATIA進(jìn)行通信[5]，一般在CATIA的低版本運(yùn)行。

Automation其核心技術(shù)是允許外部程序操作CATIA。此技術(shù)并不是直接進(jìn)行獲取處理CATIA數(shù)據(jù)，而是間接的通過調(diào)用CATIA類的對(duì)象和屬性，利用對(duì)象的方法和屬性來獲取、設(shè)置及處理數(shù)據(jù)。不足之處在于這種方法功能有限制，但入門輕松[6]，比如可以采用API函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。Application對(duì)象結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 CATIA二次開發(fā)的步驟

本文在此僅以VB6.0二次開發(fā)CATIA為例，敘述CATIA二次開發(fā)的一般步驟。通常情況下有以下幾個(gè)步驟：

(1)在CATIA中進(jìn)行CAD建模，初始化COM庫，獲得模板文件。

(2)打開或新建一個(gè)全局對(duì)象Application。

(3)向Application中加入Document對(duì)象，注意類和對(duì)象的區(qū)別。以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，如零件圖設(shè)計(jì)使用PartDocument，工程圖設(shè)計(jì)使用DrawingDocument。

圖2 Application對(duì)象結(jié)構(gòu)圖

(4)聲明使用的對(duì)象，在模板上改寫對(duì)應(yīng)參數(shù)，繪制二次開發(fā)后的幾何形體。

(5)保存CAD文件，關(guān)閉Application，釋放COM庫，關(guān)閉VB程序。

2 機(jī)身零部件庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 程序界面

根據(jù)該程序要實(shí)現(xiàn)的功能及所需的輸入?yún)?shù)，可編制程序的運(yùn)行界面如圖3所示。在這里坐標(biāo)系采用y軸坐標(biāo)為巡航方向，從機(jī)頭指向機(jī)尾的方向?yàn)檎较?；x軸沿展向，指向艙門左側(cè)為正方向；z軸由x軸和y軸按右手法則確定。

2.2 程序結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將該系統(tǒng)劃分為一個(gè)主模塊和若干個(gè)子模塊：

1)長(zhǎng)桁類零件的設(shè)計(jì)

2)隔板類零件的設(shè)計(jì)

3)蒙皮類零件的設(shè)計(jì)

4)艙門類零件的設(shè)計(jì)

5)其他機(jī)身零件的設(shè)計(jì)

程序總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 程序的運(yùn)行界面

圖4 程序的總體結(jié)構(gòu)

2.3 程序功用

程序主界面程序是按照應(yīng)用人員要求輸入符合國家、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3D零件圖的參數(shù)，經(jīng)過程序內(nèi)運(yùn)算得到宏程序參數(shù)。

獲取保存路徑界面程序是為了方便應(yīng)用人員，將生成的宏程序和零件圖按照自定義的宏程序文件名稱、宏程序文件格式、零件名稱、零件格式到應(yīng)用人員指定的路徑進(jìn)行保存，并按照經(jīng)過程序主界面運(yùn)算得到的宏程序參數(shù)，傳入至宏文件中，生成符合應(yīng)用人員的宏程序文件和零件圖。

2.4 實(shí)現(xiàn)生成零部件圖的一般步驟

從任務(wù)的角度來解釋，不同的零部件有不同的模板，比如長(zhǎng)桁零件中的截面長(zhǎng)度、高度、厚度、倒圓和整個(gè)零件的長(zhǎng)度等工作就對(duì)應(yīng)著不同的零件模板。為了切合使用者的使用情況，為使用者提供準(zhǔn)確的數(shù)值，令使用者達(dá)到滿意，在簡(jiǎn)單的操作下將零件圖繪制到符合要求。以長(zhǎng)桁為例生成零件圖的步驟如下圖5所示。

圖5 生成零件圖的步驟

2.5 流程分析

CATIA提供了完整的參數(shù)化建模及數(shù)據(jù)管理手段，其參數(shù)化設(shè)計(jì)過程可為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的全部數(shù)據(jù)提供參數(shù)輸入和函數(shù)關(guān)系式，所有飛機(jī)結(jié)構(gòu)理論站位可依靠總體坐標(biāo)系、飛機(jī)總體設(shè)計(jì)人員發(fā)布理論外形面并通過參數(shù)轉(zhuǎn)換生成，直接提供窗框、地板、門框、前起后端框、前起艙側(cè)壁的骨架模型元素，并提取與理論外形相關(guān)的站位布局。機(jī)頭結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)首先要解決全局理論數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)站位的協(xié)調(diào)關(guān)系，確定全過程設(shè)計(jì)需求的特征面， 特征線、特征點(diǎn)。然后為模型建立一個(gè)總的布局樹，結(jié)構(gòu)站位遞歸關(guān)系一目了然。這樣既為后續(xù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)骨架模型定義打下基礎(chǔ)，也可以有效防止數(shù)據(jù)的循環(huán)引用，使錯(cuò)誤數(shù)據(jù)鏈的發(fā)生概率降到最低，同時(shí)也能快速響應(yīng)上游總體專業(yè)參數(shù)化理論外形的設(shè)計(jì)變化，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段上下游專業(yè)設(shè)計(jì)輸入與輸出之間更改影響的自動(dòng)傳遞、自動(dòng)更新，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有效性、唯一性和一致性。

2.6 前置處理的實(shí)現(xiàn)

(1)讀取分析宏程序內(nèi)的參數(shù)

打開錄制的宏程序文件，查找文件內(nèi)有利用價(jià)值的參數(shù)值。機(jī)身信息如表1所示。

表1 機(jī)身信息

(2)讀取分析宏程序編譯規(guī)則

根據(jù)V5Automation.chm分析宏程序編譯規(guī)則；

例如：圓弧的定義

Func CreateCircle( double iCenterX，

double iCenterY，

double iRadius，

double iStartParam，

double iEndParam) As Circle2D

進(jìn)行創(chuàng)建并返回一個(gè)2D圓弧

(3)讀取分析剩余未確定數(shù)值函數(shù)表達(dá)式

分析出已有確切數(shù)值后，對(duì)未確切數(shù)值進(jìn)行分析，建立對(duì)應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式。

(4)將確切數(shù)值及表達(dá)式轉(zhuǎn)換成VB語言

為使程序能夠正常運(yùn)行，進(jìn)行將所有參數(shù)值利用表達(dá)式轉(zhuǎn)換成VB程序語言，需要進(jìn)行格式的統(tǒng)一，便于CATIA軟件的識(shí)別。對(duì)于復(fù)雜函數(shù)，利用變量進(jìn)行運(yùn)算。在部分處理中，VB中沒有直接的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，采用自編函數(shù)的方式進(jìn)行解決，比如arcsin函數(shù)。同樣地，創(chuàng)建的平面和拉伸的凸臺(tái)與凹槽的距離，是不能確定的值，也不能利用函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，但可以利用判斷更改其值。所以針對(duì)該種參數(shù)值編寫函數(shù)進(jìn)行表達(dá)。

2.7 腳本運(yùn)行方式

在使用VB應(yīng)用程序時(shí)，可以使用以下語法：

(1)如果CATIA已經(jīng)在運(yùn)行，那么宏應(yīng)該使用GetObject方法連接到CATIA。

(2)如果CATIA還沒有運(yùn)行，宏應(yīng)該使用CreateObject方法啟動(dòng)CATIA。

一般把兩種方法合在一起，這樣訪問CATIA的時(shí)候就不會(huì)出問題。

2.8 將參數(shù)傳送到宏程序中

(1)得到一個(gè)未使用的文件號(hào)

Dim FileNumber1， FileNumber2， Stri As String

FileNumber1 = FreeFile '

(2)打開要讀取的文件

Open App.Path & "/macro737-0005-parts1_I.CATScript" For Input As #FileNumber1 ' FileNumber2 = FreeFile

(3)打開要寫入的文件

Open Dir1.Path & "/" & Text2.Text & Combo1.Text For Output As #FileNumber2 '

(4)按行讀取文件，直到最后一行

Line Input #FileNumber1， Stri '

While Not EOF(1) '

(5)'寫入替換后的內(nèi)容

Print #FileNumber2， Stri

(6)關(guān)閉文件

2.9 繪制機(jī)頭零部件

當(dāng)程序?qū)?shù)的運(yùn)算結(jié)果傳入宏程序文件后，按照模板進(jìn)行更改參數(shù)，利用語句進(jìn)行在CATIA環(huán)境中自動(dòng)打開指定路徑的宏程序文件。繪制的機(jī)頭零部件圖如圖6所示。

圖6 機(jī)頭零部件圖

3 結(jié)語

CATIA的二次開發(fā)在開發(fā)完成后，需要應(yīng)用人員利用圖紙?jiān)诔绦蛑胁檎蚁鄬?duì)應(yīng)類型的零部件，將零件圖圖紙的參數(shù)，輸入至程序中，按照規(guī)定的步驟即可得到符合要求的三維機(jī)身零件圖。同時(shí)完善二次開發(fā)相關(guān)功能使用戶體驗(yàn)佳。

本文以CATIA二次開發(fā)的問題為導(dǎo)向，提高效率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了程序，并采用CATIA和VB進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。希望本探索能有效地幫助設(shè)計(jì)人員高效率地開展零部件設(shè)計(jì)的工作。