段 維

（威馬汽車(chē)科技集團(tuán)有限公司 成都研究院，四川 成都 610100）

在設(shè)計(jì)汽車(chē)底盤(pán)懸架時(shí)，當(dāng)性能輸出懸架硬點(diǎn)后，工程部門(mén)會(huì)根據(jù)硬點(diǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)零部件的具體結(jié)構(gòu)，從而判斷該硬點(diǎn)是否可以工程化。其中一個(gè)重要步驟便是校核懸架零部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否存在干涉的可能。以前懸架雙叉臂，后懸架五連桿為例，需要判斷零部件之間的運(yùn)動(dòng)間隙約有70項(xiàng)。需得到每一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)間隙的變化曲線，并獲取每一項(xiàng)的最小空間間隙，形成規(guī)范化的報(bào)告，作為該硬點(diǎn)和零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程化是否可行的設(shè)計(jì)過(guò)程文檔。而且，每一次階段性更改硬點(diǎn)或者零件結(jié)構(gòu)，都將相應(yīng)的更新該文檔，工作量很大。

CATIA作為一款強(qiáng)大計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，在汽車(chē)行業(yè)被廣泛地使用。針對(duì)以上的問(wèn)題，目前普遍的做法是直接采用CATIA數(shù)字樣機(jī)內(nèi)置的“傳感器”功能。即先測(cè)量出兩個(gè)零件在任意狀態(tài)下的間隙，然后再用命令模擬中激活該測(cè)量的傳感器，進(jìn)而在更改驅(qū)動(dòng)命令值時(shí)，該測(cè)量將隨之更新。再用CATIA內(nèi)置的功能導(dǎo)出一系列測(cè)量值或者直接生成曲線，最后找到最小值。該方法完全能滿足工作的需求。但是，也有較明顯的缺點(diǎn)，一是操作繁瑣；二是結(jié)果圖表信息不友好，較難編輯，且無(wú)法顯示最小間隙對(duì)應(yīng)的懸架狀態(tài)。

本文基于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（Visual Basic, VB）對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將上述手動(dòng)操作過(guò)程固化為程序流程，用戶僅需要選擇測(cè)量的零件即可獲取零件之間的間隙隨懸架運(yùn)動(dòng)的變化曲線，以及最小間隙的具體值和對(duì)應(yīng)的懸架狀態(tài)。這樣，簡(jiǎn)化了人工參與的部分，使犯錯(cuò)率下降，同時(shí)，增加了圖像的可讀性和實(shí)用性?？梢詾樵O(shè)計(jì)變更提供較為清晰的方向。

1 程序開(kāi)發(fā)的工具和方法

汽車(chē)行業(yè)的3D設(shè)計(jì)軟件有很多，如CATIA、UG、Pro-E等。其中CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，它不僅僅是一款優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，在為用戶提供了豐富功能的同時(shí)，還為用戶提供了多種二次開(kāi)發(fā)的接口。如自動(dòng)化對(duì)象編程（V5 Automation）和開(kāi)放的基于組件的應(yīng)用程序編程（CAA）。本文所述程序便是利用 VB，在 CATIA的自動(dòng)化編程接口基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)。

在CATIA目錄下可以找到用于開(kāi)發(fā)的幫助文件《V5Automation.chm》。該文件提供了二次開(kāi)發(fā)所需的幾乎所有的對(duì)象、屬性和方法，用編程語(yǔ)言調(diào)用其中的對(duì)象、使用其方法，查看和修改其屬性，便可以定制我們想要的功能。《V5Automation.chm》文件提供了一個(gè)樹(shù)狀的目錄查詢結(jié)構(gòu)，我們可以根據(jù)該樹(shù)狀的結(jié)構(gòu)依次去查詢我們所需要的對(duì)象和方法，如圖1所示。

圖1 CATIA幫助文件目錄結(jié)構(gòu)

但由于其內(nèi)容過(guò)于繁雜，有時(shí)候無(wú)法確定我們所需的對(duì)象、方法。這時(shí)候可以使用CATIA的“錄制宏”功能。將我們的操作錄制為宏，然后查看宏代碼。宏代碼使用的是 VB語(yǔ)言。從中，我們可以找到整個(gè)操作使用的對(duì)象，以及如何使用該對(duì)象的屬性和方法。這對(duì)于快速獲取操作對(duì)象非常有幫助。

本文便是利用上述方法，在一個(gè)已有的CATIA懸架DMU運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用VB創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)測(cè)量零件與零件之間運(yùn)動(dòng)間隙的可視化程序。其輸入輸出界面如圖2所示。

圖2 程序輸入輸出界面

在“懸架及位置信息”框架中選擇懸架的位置，確認(rèn)后，將在“行程信息顯示”框架中顯示懸架跳動(dòng)的轉(zhuǎn)向行程和輪跳行程（后懸無(wú)轉(zhuǎn)向行程），緊接著，在測(cè)量零件信息中選擇需要測(cè)量的兩個(gè)零件。點(diǎn)擊“選擇并生成”按鈕后，將自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量并將最終結(jié)果顯示在輸出界面，包含最小間隙和最小間隙對(duì)應(yīng)的懸架狀態(tài)，以及間隙隨懸架運(yùn)動(dòng)的圖像。

2 使用VB進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)

2.1 開(kāi)發(fā)前準(zhǔn)備和開(kāi)發(fā)流程

在進(jìn)行開(kāi)發(fā)之前，我們需要將懸架的電子樣機(jī)（Digital Mock-Up, DMU）運(yùn)動(dòng)模型搭建好。本文以前懸為例，前懸架包含一個(gè)轉(zhuǎn)向齒條驅(qū)動(dòng)和左、右輪跳驅(qū)動(dòng)。因不同場(chǎng)景和使用方法不同，某些情況下可能僅包含左側(cè)輪跳，或者輪跳驅(qū)動(dòng)更改為減震器驅(qū)動(dòng)。

此外，啟動(dòng)VB，創(chuàng)建一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)EXE”工程后，需要對(duì)CATIA的所有類庫(kù)進(jìn)行引用，這樣才能在VB中使用CATIA的所有對(duì)象的屬性和方法。

完成準(zhǔn)備后，首先，需要遍歷運(yùn)動(dòng)模型的所有運(yùn)動(dòng)零件和運(yùn)動(dòng)副，獲取驅(qū)動(dòng)值；然后，通過(guò)交互選擇得到需要測(cè)量的零件；之后，按照一定的規(guī)則使機(jī)構(gòu)分步運(yùn)動(dòng)起來(lái)，并記錄每一步測(cè)量零件的間隙值，同時(shí)比較更新最小間隙值；最后將記錄的每一步間隙值繪制成圖形。相應(yīng)的開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.2 獲取DMU對(duì)象和相應(yīng)信息

在打開(kāi)運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)后，首先需要用 VB獲取當(dāng)前的CATIA對(duì)象。

Set CATIA =GetObject(,"catia.Application")

獲取 CATIA對(duì)象后，便可以根據(jù)《V5Automation.chm》文件提供的目錄結(jié)構(gòu)獲取運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)象。它存在于產(chǎn)品文件對(duì)象下的 Technological Object中，相應(yīng)的代碼如下：

我們同時(shí)獲取了當(dāng)前運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品文件對(duì)象（oRootproduct）和機(jī)構(gòu)對(duì)象（Mec）。我們遍歷oRootproduct對(duì)象下的子零件，然后將其子零件的名稱存入到組合框列表中（combo），相應(yīng)的代碼如下：

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件是通過(guò)運(yùn)動(dòng)副（joint）來(lái)連接彼此的。在本文所述前懸架DMU中，輪跳和齒條的運(yùn)動(dòng)副均為“棱形副”，英文名稱為“prismatic”。同時(shí)，還為輪跳和轉(zhuǎn)向齒條的運(yùn)動(dòng)副設(shè)置了驅(qū)動(dòng)值，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)輪胎跳動(dòng)和進(jìn)行轉(zhuǎn)向，并帶動(dòng)相應(yīng)的零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此，為了獲取輪跳的上下極限行程和轉(zhuǎn)向齒條行程，只需要找到含有驅(qū)動(dòng)值的“棱形副”即可，并通過(guò)該運(yùn)動(dòng)副的屬性獲取相應(yīng)的極限值。但是，輪跳和轉(zhuǎn)向均為“棱形副”，我們需要將其區(qū)分開(kāi)。本文采用的方法是：若運(yùn)動(dòng)副的上下極限行程絕對(duì)值不同，則可以判斷為輪跳；反之，若上下極限行程絕對(duì)值是相等的，則可判斷為轉(zhuǎn)向。筆者目前還沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)懸架上下行程精確相同的案例。

獲取運(yùn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)上下極限值的方法用Joint.LowerLimit1和Joint. UpperLimit1。相應(yīng)的代碼如下：

2.3 測(cè)量運(yùn)動(dòng)間隙

2.3.1 定義測(cè)量對(duì)象

在2.2中，通過(guò)遍歷DMU運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品文件的方法獲得了所有的運(yùn)動(dòng)子零件，并且將子零件的名稱全都儲(chǔ)存到form中的組合框列表中。因此，用戶無(wú)需在CATIA中選擇需要測(cè)量的零件，僅需要在組合框下拉列表中分別選擇“零件一”和“零件二”的零件名稱即可。

2.3.2 運(yùn)動(dòng)方式

本文目的是測(cè)量?jī)蓚€(gè)零件在隨懸架運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中的間隙。我們無(wú)法測(cè)量所有狀態(tài)的間隙，也只能測(cè)量離散狀態(tài)的間隙。因此，必須考慮用某種運(yùn)動(dòng)方式來(lái)盡量精確代表零件間的運(yùn)動(dòng)間隙，而且不要錯(cuò)過(guò)最小位置。業(yè)內(nèi)主要使用“矩形運(yùn)動(dòng)”的方法，如圖4所示。

圖4 懸架“矩形運(yùn)動(dòng)”示意圖

矩形的橫軸代表轉(zhuǎn)向，縱軸代表輪跳。矩形及矩形內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)代表懸架的一個(gè)狀態(tài)。將所有的狀態(tài)都進(jìn)行測(cè)量是不可能的。我們的做法是僅選取矩形邊框上的點(diǎn)，它們代表了懸架所有的極限狀態(tài)。我們認(rèn)為，懸架零件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最小的間隙一般都在這些極限位置中。但是，矩形邊框上的點(diǎn)也是無(wú)窮多的。我們需要將其離散成有限數(shù)量的點(diǎn)。

本文中，每一條邊等分取了10個(gè)點(diǎn)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)共41個(gè)點(diǎn)。將懸架分別運(yùn)動(dòng)到這些點(diǎn)中，再測(cè)量零件的間隙，最終便可以形成曲線，并找到最小值。當(dāng)然，其中每一條邊可以取更多的點(diǎn)以提高精度，視具體情況而定。

用VB執(zhí)行“矩形運(yùn)動(dòng)”的代碼如下：

其中，Acc_Num_Sum是采取的總點(diǎn)數(shù)，此處為 41；Acc_Num 表示每一條邊線采取的點(diǎn)的數(shù)量，此處為10；Neg_TurnValue和Pos_Turn_Value分別是轉(zhuǎn)向齒條總行程的一半，前者為負(fù)，表示內(nèi)轉(zhuǎn)向；UpValue和LowValue分別是輪跳的上、下極限值，后者為負(fù)值。我們將每一個(gè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向、輪跳行程驅(qū)動(dòng)值賦值到數(shù)組dValcmd()中，使用的代碼如下：

Mec是獲取的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)象。使用它的 Put CommandValues方法將數(shù)組dValcmd()中的驅(qū)動(dòng)值傳給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就能使懸架運(yùn)動(dòng)到指定的狀態(tài)下。

2.3.3 在運(yùn)動(dòng)中測(cè)量

將懸架DMU運(yùn)動(dòng)按照“矩形運(yùn)動(dòng)”的規(guī)則運(yùn)動(dòng)到某一個(gè)狀態(tài)后，就需要在該狀態(tài)下測(cè)量對(duì)象零件間的間隙值。在日常使用CATIA中，我們直接用測(cè)量工具（Measure Between）來(lái)測(cè)量產(chǎn)品（Product）到產(chǎn)品（Product）的距離。在CATIA提供的《V5Automation.chm》文件中，我們很容易就聯(lián)想到使用 GetWorkbench方法獲取 SPAWorkbench對(duì)象，使用其中的 Measurable對(duì)象來(lái)進(jìn)行處理。但是，Measurable對(duì)象并不支持產(chǎn)品到產(chǎn)品的測(cè)量。而應(yīng)該使用Distance對(duì)象。并且，Distance對(duì)象也只能在根文件（root product）使用下面方法進(jìn)行調(diào)用：

使用 Distance對(duì)象，我們需要先定義元素（Component），即零件對(duì)象；然后，將元素添加到組（Group）中；進(jìn)而給 Distance的 Firstgroup和Secondgroup進(jìn)行賦值，最后進(jìn)行計(jì)算。也即，Group中可以包含多個(gè)零件元素，能達(dá)到多產(chǎn)品與多產(chǎn)品之間的間隙測(cè)量。值得注意的是，如果零件處于隱藏狀態(tài)，間隙測(cè)量是無(wú)法正確計(jì)算的，需要將隱藏的零件顯示。如下所示代碼是測(cè)量前的相關(guān)初始化工作。

將計(jì)算得出的值保存到 DistanceValu()數(shù)組中，并和最小間隙值 MinDistance和最大間隙值MaxDistance進(jìn)行比較。如果過(guò)程值比MinDistance小，則用過(guò)程值替換掉MinDistance；如果過(guò)程值比 MaxDistance大，則用過(guò)程值替換掉 Max Distance。同時(shí)用另外一個(gè)數(shù)組Mincmd()儲(chǔ)存下最小間隙值對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)值dValcmd()。如此迭代，保證最后運(yùn)行完成之后能得到最大間隙值和最小間隙值及其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)值，以便之后輸出。

值得注意的是，在完成一個(gè)“矩形運(yùn)動(dòng)”后，我們獲得了兩個(gè)零件的測(cè)量信息。此時(shí)，需要將過(guò)程信息刪除，以便為下一次測(cè)量提供足夠的內(nèi)存。此處，刪除所有的組和 Distance結(jié)果，代碼如下：

2.4 結(jié)果輸出

2.4.1 最小值輸出

要將計(jì)算的結(jié)果輸出到窗格中，只需要將對(duì)應(yīng)的 label用 2.3中的 MinDistance和對(duì)應(yīng)的Mincmd()替換輸出即可。

此外，本文添加了一個(gè)最小值查看功能。即“goto”按鈕。點(diǎn)擊該按鈕，便可以將懸架模型驅(qū)動(dòng)到最小值對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，并顯示最小間隙值的位置。由于我們已經(jīng)存儲(chǔ)了最小間隙值對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)值數(shù)組Mincmd()，因此只需要將此值賦值給懸架運(yùn)動(dòng)模型即可。而要顯示最小值，可以將3.3中所述兩個(gè)零件的測(cè)量過(guò)程重新運(yùn)行一次即可，這里不再贅述。

其間需要注意一點(diǎn)的是在程序和CATIA窗口之間的視點(diǎn)切換問(wèn)題。啟動(dòng)程序時(shí)，我們需要將視點(diǎn)固定在CATIA窗口中，以便查看其測(cè)量是否正常；完成測(cè)量后，視點(diǎn)需要切換到程序界面以查看結(jié)果；點(diǎn)擊“goto”時(shí)，又需要切換回CATIA窗口。

切換到CATIA視點(diǎn)代碼：

AppActivate "catia", wait

切換到程序視點(diǎn)代碼：

AppActivate "測(cè)量懸架桿系運(yùn)動(dòng)間隙", wait

2.4.2 圖像繪制前準(zhǔn)備

VB雖然提供了較為友好的可視化界面、豐富的控件。但是其在圖形繪制方面的功能卻顯得捉襟見(jiàn)肘。VB僅提供了點(diǎn)和線的繪制功能，并沒(méi)有提供坐標(biāo)軸的繪制模塊。因此，我們需要自己繪制坐標(biāo)軸。

這里，我們使用“Picture”控件來(lái)繪制圖形。軸定義為“事件”，即測(cè)量的順次。我們一共測(cè)量了41次，因此最大值定義為45，每5次一個(gè)刻度；軸定義為間隙值，單位為mm。但是，由于每一對(duì)零件和零件的運(yùn)動(dòng)間隙最大值均不同，我們的坐標(biāo)刻度值必須兼容所有的情況。若將刻度最大值定義得過(guò)大，對(duì)于某一些間隙值較小的情況，圖像將顯得不協(xié)調(diào)；反之，若將刻度值定義的較小，某些圖像將顯示不全。因此，我們的軸必須是動(dòng)態(tài)的，根據(jù)每一次操作得到的具體值重新繪制。為了滿足需求，我們做了以下三個(gè)約定和假設(shè)。

（1）零部件之間的動(dòng)態(tài)間隙最大值和最小值不能差異過(guò)大，一般＜200 mm；

（2）軸的刻度數(shù)量最大為10個(gè)；

（3）軸刻度從0開(kāi)始。

從2.3中，我們可以獲得零件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大間隙值 MaxDistance和最小間隙值 MinDistance。對(duì)于任何最大間隙值，都可以用科學(xué)計(jì)數(shù)法來(lái)表示：

式中，是間隙的最大值；是有效數(shù)字，0＜＜10；Level為指數(shù)，為整數(shù)。

坐標(biāo)軸的單位長(zhǎng)度也用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示：

式中，iStep是軸的單位長(zhǎng)度；是其有效數(shù)字，0＜＜10。

為了獲取較為合適的單位長(zhǎng)度，這里約定：

若/0.25＜10，則=0.25；

若/0.5＜10，則=0.5；

若/1＜10，則=1；

如此，我們便根據(jù)最大值求出了較為合適的軸單位長(zhǎng)度。進(jìn)而，我們可以得到軸的最大刻度值，對(duì)應(yīng)代碼如下：

2.4.3 繪制坐標(biāo)軸和曲線

有了、軸的單位長(zhǎng)度和最大刻度，便可以通過(guò)VB的PictureBox中的line方法繪制坐標(biāo)軸。

首先需要對(duì)控件“Picture”設(shè)置畫(huà)布的坐標(biāo)范圍。采用Picture中的scale方法。scale方法參數(shù)是兩個(gè)點(diǎn)，以此形成一個(gè)矩形區(qū)域。第一個(gè)點(diǎn)是矩形的左上角，第二個(gè)點(diǎn)是矩形的右下角。

此處的范圍比2.4.3中所述最大值略大，比最小值略小，是需要在多出的空白部分可以添加刻度值和軸標(biāo)題。

然后在該矩形區(qū)域內(nèi)繪制坐標(biāo)軸：

要添加文字，首先需要使用 Picture.CurrentX和Picture.CurrentY方法定義文字的坐標(biāo)點(diǎn)。該坐標(biāo)點(diǎn)指代的是文本框的左上角的點(diǎn)。然后，使用Picture.Print功能添加具體的文字內(nèi)容。

繪制曲線的圖像，僅需要使用Picture.Line方法依次將各個(gè)間隙點(diǎn)連接起來(lái)即可。繪制坐標(biāo)軸、軸標(biāo)題和曲線的相關(guān)代碼如下：

至此，便可以獲得如圖2所示的結(jié)果圖形輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文使用VB連接CATIA開(kāi)發(fā)接口，用VB程序調(diào)用CATIA各個(gè)自動(dòng)化對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)CATIA懸架運(yùn)動(dòng)模型中的零部件之間的運(yùn)動(dòng)間隙的測(cè)量，并根據(jù)結(jié)果利用 VB自帶的控件自動(dòng)繪制圖形。此方法在處理DMU運(yùn)動(dòng)間隙校核方面首次被提出，符合業(yè)內(nèi)對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件的測(cè)量方法，圖形繪制滿足業(yè)內(nèi)需求。