肖翔飛，高浩迪，孫靖，張啟倫，賀金權(quán)，龐博元，范守文

基于CAA的汽車座椅骨架快速變型設(shè)計

肖翔飛1，高浩迪1，孫靖2，張啟倫2，賀金權(quán)1，龐博元1，范守文1

（1.電子科技大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.廣西雙英集團有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545006）

汽車座椅骨架在整體構(gòu)型以及零件組成方面相似度很高，適合利用計算機輔助技術(shù)進行變型設(shè)計。在對汽車座椅進行模塊劃分后，利用CATIA二次開發(fā)的CAA技術(shù)設(shè)計了一款汽車座椅骨架快速變型設(shè)計軟件，并連接數(shù)據(jù)庫，通過人機交互的可視化界面完成座椅差異化零件的參數(shù)化建模。使用CAA的裝配API對參數(shù)化后的零件及其他配套零件完成座椅整體的自動裝配。該設(shè)計縮短了汽車座椅開發(fā)的準(zhǔn)備時間，提高了汽車座椅骨架的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

CAA；CATIA；汽車座椅骨架；快速變型設(shè)計

隨著計算機技術(shù)在汽車、飛機等行業(yè)的運用，CAD/CAE/CAM從根本上改變了過去手工繪圖、依靠圖紙組織整個生產(chǎn)過程的技術(shù)管理模式，對傳統(tǒng)汽車工業(yè)起到強大的推動作用[1]。到如今，簡單對軟件的應(yīng)用已經(jīng)不能滿足客戶的需求，如果能在軟件原有內(nèi)核的基礎(chǔ)上對軟件再進行定制修改和功能擴展，則可更進一步地提升工作效率。

關(guān)于二次開發(fā)，何朝良[2]借助于VisualC++平臺和C++語言，對基于CAA的CATIA二次開發(fā)進行深入探索，成功解決了基于CATIA/CAA平臺的虛擬裝配和路徑規(guī)劃所必備的，如交互式建模方法等一系列基本問題。Hai Qiao Wang等[3]利用Pro/Toolkit二次開發(fā)工具和Visual C++編程語言對Pro/E進行二次開發(fā)，實現(xiàn)機床零件的參數(shù)化設(shè)計。Li Juan Zhao等[4]通過對切割頭的分析與設(shè)計，以三維成型軟件Pro/E為基礎(chǔ)，以VC++ 6.0為二次開發(fā)工具，實現(xiàn)切割頭零件的自動更新與裝配。王瑞波等[5]通過Excel VBA利用COM（Component Object Model，組件對象模型）接口訪問CATIA內(nèi)部的對象，依據(jù)CATIA文檔結(jié)構(gòu)，使用API（Application Program Interface，應(yīng)用程序接口）逐級建立和獲取CATIA各層級對象，并定義相關(guān)運動副，自動完成建立汽車懸架參數(shù)化運動仿真模型。李華等[6]基于CATIA參數(shù)化建模及CAA二次開發(fā)，通過一種花紋設(shè)計方法，利用CATIA知識工程及三維建模技術(shù)，實現(xiàn)以規(guī)格為主要發(fā)布參數(shù)的模板封裝和輪胎整周花紋的快速拼接拼接，縮短了輪胎開發(fā)設(shè)計周期，提高了設(shè)計自動化水平。徐春生等[7]通過CATIA二次開發(fā)技術(shù)提取單機總裝MBD（Model Based Definition，基于模型定義）模型中的緊固件配置信息（如緊固件數(shù)量、類型、規(guī)格等），然后使用CATIA的知識工程模塊創(chuàng)建緊固件三維模型，最后按照配置信息調(diào)取緊固件三維模型，將三維模型按照位置關(guān)系自動安裝到單機三維模型中，實現(xiàn)緊固件自動裝配，顯著提高了模型裝配效率。

汽車座椅在設(shè)計建模過程中，同一類型的不同型號具有70%甚至更高的重復(fù)度，有很多零件可以通配替換，部分零件只需要在尺寸上進行調(diào)整，只有少部分零件屬于個性化零件。本文利用CATIA的CAA工具進行二次開發(fā)，在可視化操作界面下，用戶通過指定安裝點、設(shè)定差異化零件的尺寸、選擇型號可以自動生成不同的汽車座椅骨架裝配體。

1 CATIA二次開發(fā)

CATIA主要有兩種二次開發(fā)方法，一種是基于VBA（Visual Basic for Applications，Visual Basic宏語言）的宏方法，另一種是基于CAA（Component Application Architecture，組件應(yīng)用架構(gòu)）的C++或者Java應(yīng)用接口。

宏作為CATIA內(nèi)的一種實用功能，很適合簡單的二次開發(fā)。CAA則是Dassault系統(tǒng)產(chǎn)品擴展和客戶進行二次開發(fā)的最強有力工具。CAA的實現(xiàn)，采用了組件對象模型（COM，Component Object Model）和對象的連接嵌入（OLE，Object Linking and Embedding）技術(shù)，具有可復(fù)用性、抽象性、封裝性等優(yōu)點，CAA組件架構(gòu)如圖1所示。

2 汽車座椅模塊劃分

如圖2所示，為了便于對汽車座椅骨架進行開發(fā)工作，將汽車座椅骨架包括頭枕管、背靠上橫管等18個主要零部件，分為標(biāo)準(zhǔn)模塊、通用模塊、差異化模塊和個性化定制模塊四大模塊。

標(biāo)準(zhǔn)模塊是型號與規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的零部件，其二次開發(fā)采用數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的方法，直接從數(shù)據(jù)庫中讀取裝配體文件。

通用模塊是座椅骨架的主要零部件，這部分零件在快速變型設(shè)計中造型不會發(fā)生變化，用以對整個座椅進行各種參數(shù)設(shè)置。

差異化模塊是決定汽車座椅骨架變型設(shè)計的關(guān)鍵性部分。通過對差異化模塊的零件進行參數(shù)化設(shè)計，使得設(shè)計參數(shù)由下向上傳遞，最終保證汽車座椅骨架裝配體的外形參數(shù)與用戶輸入的外形參數(shù)一致。

圖1 CAA組件架構(gòu)

1.頭枕管；2.靠背上橫管；3.靠背邊板；4.座靠連接板；5.靠背簧組件；6.靠背底板；7.正駕后橫管；8.座墊邊板；9.后下架；10.正駕左后支架；11.前支架；12.座簧組件；13.高調(diào)齒板；14.右后支架；15.坐墊前橫加強管；16.前橫支撐板；17.前連桿；18.滑軌。

個性化定制模塊是基于用戶需求單獨定制的模塊，該模塊也是由采購件或者已經(jīng)生產(chǎn)完成的組件組成，不需要進行變型設(shè)計。與標(biāo)準(zhǔn)模塊不同，該模塊根據(jù)客戶需求，將會有選擇性地出現(xiàn)在設(shè)計結(jié)果中。該模塊包括加熱、通風(fēng)、腰托及按摩等模塊。

3 快速變型軟件開發(fā)

3.1 軟件主界面開發(fā)

軟件主界面作為快速變型設(shè)計功能的入口，需要嵌入包括座椅型號選擇、座椅主體參數(shù)調(diào)整、各個座椅模塊的選型，以及最后整個座椅的重生按鈕。

在實際開發(fā)過程中，考慮將部分的按鈕、標(biāo)簽以及文本框集成到主對話框中，同時保留各子模塊選型的入口。那么整個快速變型軟件的界面大致由主對話框以及參數(shù)設(shè)置子對話框和各模塊選型對話框組成。主界面既有模型重生的功能，又作為其他子模塊選型的入口容器，集成對應(yīng)按鈕入口。在完成相應(yīng)參數(shù)設(shè)置以及模塊選型后，返回并使用全局靜態(tài)變量保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)座椅整體重生時的模塊調(diào)用。

添加工具條和菜單的主要代碼為：

使用汽車座椅菜單調(diào)用build()函數(shù)顯示操作界面主窗口，如圖3所示。

3.2 座椅選型連接數(shù)據(jù)庫

在座椅的快速變型設(shè)計中，連接數(shù)據(jù)庫是標(biāo)準(zhǔn)模塊選型裝配的基石。標(biāo)準(zhǔn)模塊具有專業(yè)性強、開發(fā)周期長、開發(fā)成本高的特點。在整個汽車座椅骨架的變型設(shè)計中，標(biāo)準(zhǔn)模塊作為已經(jīng)定型的零部件，不需要二次開發(fā)，也不具備二次開發(fā)的條件，只需要在整體裝配時經(jīng)由數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出并裝配到骨架上。

考慮到CAA是以接口技術(shù)為核心API的二次開發(fā)手段，在對座椅選型進行數(shù)據(jù)庫連接時采用ADO（ActiveX Data Objects，ActiveX數(shù)據(jù)對象）作為數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，同時選用Access數(shù)據(jù)庫。則首先需在連接數(shù)據(jù)庫模塊的頭文件中引入動態(tài)鏈接庫msado15.dll的信息：

典型VC應(yīng)用都已定義EOF作為常數(shù)－1，需將結(jié)束符“EOF”更換為“adoEOF”，即：

在頭文件中需要全局定義，用來返回或記錄一個空指針的_ConnectionPtr接口，記錄集CommandPtr接口和記錄集對象_RecordsetPtr接口。而且需要對所有的SQL語句進行_bstr_t強轉(zhuǎn)，同時在字符串前使用_T宏。

如圖4所示，以滑軌標(biāo)準(zhǔn)模塊為例，在實際開發(fā)過程中，只需要切換零件序號，點擊數(shù)據(jù)庫零件按鈕，選擇適合的滑軌標(biāo)準(zhǔn)模塊并裝配即可。

圖4 滑軌選型

3.3 座椅零件參數(shù)化設(shè)計

座椅零件參數(shù)化設(shè)計是快速變型設(shè)計的重要部分，也是差異化模塊變型設(shè)計的實現(xiàn)部分。參數(shù)化設(shè)計是基于尺寸參數(shù)驅(qū)動實現(xiàn)的。尺寸參數(shù)驅(qū)動是通過預(yù)定義零件文件，給定一個或多個參數(shù)，去驅(qū)動模型的相關(guān)尺寸發(fā)生變化，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速建模[8]。在對零件進行參數(shù)化設(shè)計時，需要預(yù)定義零件中的參數(shù)關(guān)系式，并通過參數(shù)遍歷和名稱匹配找到對應(yīng)的變化參數(shù)，進而調(diào)整參數(shù)值且重新生成模型。

以正駕右前支架6801211-4ABH為例，如圖5所示，提取孔相對位置等五個關(guān)鍵驅(qū)動參數(shù)，將驅(qū)動參數(shù)與添加的參數(shù)進行綁定。在通過編程進行自動參數(shù)化建模時，首先將零件文件加載至?xí)挘ㄟ^發(fā)布命令遍歷零件的參數(shù)集，對參數(shù)集中的參數(shù)進行名稱匹配，找到名稱為Height的參數(shù)，并對其進行賦值操作，驅(qū)動其他參數(shù)進行變型，最后對零件模型進行刷新操作。

圖5 正駕右前支架

在汽車座椅的快速變型設(shè)計中，已將需進行變型的零件整合到模型重生按鈕之中，所以不會產(chǎn)生細(xì)節(jié)的零件參數(shù)設(shè)計模塊。汽車座椅骨架零件的尺寸參數(shù)由靠背寬度、靠背高度、座框深度、座框?qū)挾群妥蚋叨任鍌€參數(shù)計算得來，例如正駕右前支架的驅(qū)動參數(shù)Height與座框高度參數(shù)Height_Cushion的關(guān)系為：

3.4 座椅整體裝配

座椅整體裝配是汽車座椅骨架快速變型設(shè)計的最后一步，也是非常重要的一步。裝配涉及到各零件之間的約束沖突消解問題，以及軟件的代碼實現(xiàn)問題。

關(guān)于裝配約束沖突消解問題，呂剛[9]研究了裝配約束關(guān)系網(wǎng)中節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，給出了裝配約束關(guān)系網(wǎng)的構(gòu)建方法，并從裝配約束關(guān)系網(wǎng)中的設(shè)計缺陷節(jié)點出發(fā)，采用蟻群算法對裝配設(shè)計缺陷的修正路徑進行了優(yōu)化。

座椅骨架在裝配過程中可以對稱考慮。按照模塊在座椅左右對稱零部件之間起到的作用，可以分為連接模塊和非連接模塊?？勘成蠙M管和靠背底板在裝配中起到了連接左右對稱部分的作用。整個滑軌模塊以及坐墊前橫加強管在與坐墊進行裝配時，也相當(dāng)于起到了連接的作用。將座椅骨架模型簡化，只分為靠背上橫管、左右靠背邊板、靠背底板、左右坐墊邊板、坐墊前橫加強管和滑軌八個大部分，裝配連接如圖6所示。

將圖6（a）中每一條實線雙向箭頭看作兩個零件之間的完全裝配，要想避免過度約束導(dǎo)致的無法裝配，最簡單的辦法是消除其中的連接環(huán)。以1、2、4、3連接環(huán)為例，靠背底板在被左靠背邊板完全定義的情況下，還要與右靠背邊板建立裝配關(guān)系，勢必會產(chǎn)生過定義，又由于圖中只選定了靠背上橫管這一個裝配基準(zhǔn)，那么消除環(huán)便可以解決過定義的問題。如圖6（b）所示，拆解原來的裝配，靠背上橫管完全定義左右靠背邊板，然后用靠背右邊板去完全定義靠背底板?？勘车装逋耆x坐墊左右邊板，坐墊左右邊板分別去完全定義坐墊前橫加強管以及滑軌。在這種情況下，由一個已經(jīng)被完全定義的零件去完全定義另一個零件，便不會出現(xiàn)過約束。

針對座椅骨架裝配的其他零件，分別也采用消除裝配連接圖中的連接環(huán)的方法，來避免裝配約束沖突。

在CAA中實現(xiàn)對零件的裝配，涉及到裝配體下零件的位置和姿態(tài)變換以及約束的創(chuàng)建。在CATIA裝配環(huán)境下零件的位置信息通過其位姿矩陣描述。位姿矩陣是虛擬裝配中對零部件進行平移和旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部信息依據(jù)[10]，是一個4×4的矩陣，可以表示為式（1）。

1.靠背上橫管；2.左靠背邊板；3.右靠背邊板；4.靠背底板；5.坐墊左邊板；6.坐墊右邊板；7.滑軌；8.坐墊前橫加強管。

式中：左上角的3×3矩陣代表繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角增量，、和分別為繞、和軸的旋轉(zhuǎn)角增量；右上角的3×1矩陣代表沿三個坐標(biāo)軸的位置增量，、和分別為沿、和軸的位置增量[11]。

約束是裝配的重要手段，約束的目的依然是位置和姿態(tài)矩陣的變換。CATIA已經(jīng)為開發(fā)人員打包了一個“工具”，開發(fā)人員可以利用該工具，完成快速裝配。李維學(xué)等[12]利用CAA實現(xiàn)了將已有部件插入到裝配體中，建立約束關(guān)系，實現(xiàn)產(chǎn)品自動裝配的功能。并提出了采用坐標(biāo)軸系統(tǒng)重合的約束方法。

在對該汽車座椅進行自動裝配時，針對部分使用孔軸配合定位的零件，預(yù)先設(shè)定其軸線以及重合面，并對軸線或者平面使用特定的名稱命名，確保能在后期對零件特征進行精準(zhǔn)尋獲，然后為其創(chuàng)建約束。

CAA中創(chuàng)建一個約束大致需要三步：

（1）找到零件上依賴為約束對象的特征；

（2）以該特征為對象建立Connector對象；

（3）在兩個Connector對象之間建立約束。

依賴為約束對象的特征就好比兩個零件同軸，那么對應(yīng)的軸即為特征。找到相應(yīng)的軸特征需要先對用于裝配的Product文件進行遍歷。

在CATIA中，一個Product以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的形式體現(xiàn)出來。只要獲取一個Product的根節(jié)點，就可獲得它的其他子節(jié)點。獲取裝配體的根節(jié)點后，通過Product接口的GetAllChildren()方法即可獲取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上每一個Product和每一個Part文件的根節(jié)點。然后通過使用CAA的CATIDescendants接口獲取到零件下屬的面、線、點等。并未出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)樹上的特征需使用CAA的拓?fù)淠K進行操作。

確定邊界及不同部分之間的連接，其中用于表征對象的稱為拓?fù)鋵ο蟆ATIA使用“cell complexes”的技術(shù)完成計算機圖形建模，這樣能夠以統(tǒng)一的方式處理多維概念，進而也能表征流形和非流形對象。CATIA基本的拓?fù)湓╟ell、domain和body。如果要獲取一個面，只需獲取對應(yīng)的cell即可。在一個Part文件中包含了CATProdCont（產(chǎn)品容器）、CATPrtCont（特征容器）、CATMFBRP（拓?fù)淙萜鳎┖虲GMGeom（幾何容器）四個特征。以特征容器為接口進而獲取零件實體，然后對零件進行拓?fù)浞纸?，便獲取了所有的cell。cell屬于拓?fù)湓?，不能作為裝配的connector選擇對象，需要進一步將cell特征化，特征化之后即可作為裝配元素使用。

關(guān)鍵代碼為：

獲取零件的特征對象后，使用全局函數(shù)Get Product Connector生成對應(yīng)對象的Connector，然后對Connector集合使用Create Constraint命令，生成相應(yīng)的裝配約束。在標(biāo)準(zhǔn)模塊的選型中，選定相應(yīng)型號后，對該模塊的所有零件使用CAA進行自動裝配，獲得標(biāo)準(zhǔn)模塊的裝配模型，如圖7所示。

3.5 汽車座椅骨架變型實例

座椅骨架變型設(shè)計的基本流程如圖8所示。以SYP01電動款座椅骨架為例，在軟件主窗口上選擇默認(rèn)安裝點：（1483.923, -586.723, 6.7），（1042.355, -587.615, 48.191），（1042.355, -152.615, 48.191）。設(shè)置安裝點主要是為了在完成座椅和其他汽車部件的裝配時具有一個確定的相對位置關(guān)系。設(shè)置座椅的差異化參數(shù)為：靠背寬度424.4 mm，靠背高度601.01 mm，座框深度502.27 mm，座框?qū)挾?41 mm，座框高度33 mm。然后對其標(biāo)準(zhǔn)模塊進行選型?；夁x擇第一個型號，點擊導(dǎo)入零件，將所需的全部零件導(dǎo)入子裝配體，然后點擊裝配，刷新、保存及關(guān)閉子窗口。調(diào)角器和高調(diào)器相同。最后點擊模型重生按鈕，將三個主要的子裝配體以及其他非標(biāo)準(zhǔn)模塊零件導(dǎo)入總裝裝配體，并完成自動裝配，座椅骨架總裝模型如圖9所示。

圖7 滑軌裝配模型

圖8 座椅骨架變型設(shè)計基本流程

圖9 座椅骨架總裝模型

4 結(jié)論

基于CAA，實現(xiàn)了一個以汽車座椅骨架為實例的快速變型設(shè)計軟件平臺。使用CAA進行參數(shù)化變型設(shè)計不太適合包含復(fù)雜曲面模型的零件，因為這類零件要么需要選擇的驅(qū)動參數(shù)過多，要么根本無法選擇驅(qū)動參數(shù)，參數(shù)化難度較高。在解決座椅骨架裝配中的約束沖突時，選擇了比較簡單的消除連接環(huán)方法，因為本文涉及的裝配約束基本都是完全定義約束。

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Rapid Variant Design of Automobile Seat Frame Based on CAA

XIAO Xiangfei1，GAO Haodi1，SUN Jing2，ZHANG Qilun2，HE Jinquan1，PANG Boyuan1，F(xiàn)AN Shouwen1

( 1.School of Mechanical and Electrical Engneering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 2.Guangxi Shuangying Group Co., Ltd., Liuzhou 545006, China)

There is a high degree of similarity between different automobile seat frames in overall configuration and parts. It is of great practical significance to make full use of computer-aided technology in variant design of automobile seat frames. By the secondary development technology of CATIA based on CAA ( Component Application Architecture ), a rapid variant design software for automobile seat frames is developed. The parametric modeling and integral assembly of the seat differentiated parts are implemented through the visual interface of man-machine interaction by using the assembly API of CAA. The preparation time of automobile seat frames development is shorten, and design quality and efficiency are improved.

CAA；CATIA；automobile seat frame；rapid variant design

TP391.7；U462.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.02.005

1006-0316 (2022) 02-0030-08

2021-03-29

四川省科技廳創(chuàng)新人才項目（2019JDRC0009）

肖翔飛（1997－），男，湖北荊州人，碩士研究生，主要研究方向為自動化設(shè)計與智能設(shè)計，E-mail：feiundo@163.com；范守文（1968－），男，湖北武漢人，博士研究生，教授，主要研究方向為設(shè)計自動化、機器人機構(gòu)學(xué)。