張利男，宋江勇

（山西科技學(xué)院 智能制造工程學(xué)院，山西 晉城 048000）

0 引言

在汽車(chē)制造四大工藝（沖壓、焊接、涂裝、總裝）中，焊接工藝作為關(guān)鍵工序，焊接夾具的研發(fā)與制造在整個(gè)汽車(chē)制造鏈中占有重要地位。焊接夾具是典型的非標(biāo)準(zhǔn)工裝，具有很強(qiáng)的專(zhuān)用性，是焊接生產(chǎn)線的核心，夾具設(shè)計(jì)和制造的費(fèi)用占整個(gè)汽車(chē)制造成本的10%～20%[1]。

焊接夾具的典型設(shè)計(jì)由方案和工藝設(shè)計(jì)、夾具總體設(shè)計(jì)（功能設(shè)計(jì)）、夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪制夾具圖樣和編制技術(shù)/使用說(shuō)明書(shū)等步驟組成[2]。

本文以焊接夾具中BASE為例，針對(duì)其結(jié)構(gòu)建模復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、設(shè)計(jì)效率低的問(wèn)題，綜合運(yùn)用CATIA多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)BASE的快速三維建模，提高設(shè)計(jì)效率。

1 CATIA標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的創(chuàng)建

以緊固件為例，CATIA V5平臺(tái)下自帶的只有國(guó)際（ISO）、美國(guó)（US）、英國(guó)（EN）和日本（JIS）的商業(yè)三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。為此建立符合GB的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)[3]可以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目，同時(shí)避免大量重復(fù)工作、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

CATIA建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的方法有三種：①零件設(shè)計(jì)模塊/草圖編輯器、目錄編輯器模塊和知識(shí)工程顧問(wèn)模塊的綜合應(yīng)用建庫(kù)；②使用CATIA的宏（Macro）命令進(jìn)行進(jìn)程內(nèi)編程建庫(kù)；③基于CATIA的Automation技術(shù)、使用VB語(yǔ)言建庫(kù)以及基于CATIA二次開(kāi)發(fā)工具RADE和庫(kù)函數(shù)CAA、使用VC語(yǔ)言建庫(kù)。本文以全螺紋六角頭螺栓（GB5783）為例，僅對(duì)第一種方法的建庫(kù)步驟進(jìn)行闡述：

（1）設(shè)置CATIA環(huán)境：勾選“With Value”、“With Formula”和“Relations”，用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

（2）使用草圖編輯器或零件設(shè)計(jì)模塊創(chuàng)建緊固件模型的草圖，在草圖中創(chuàng)建尺寸約束，這些被約束的尺寸將作為特征尺寸被定義為參數(shù)變量，用于驅(qū)動(dòng)零件模型的生成。

（3）將草圖拉伸為實(shí)體模型，利用Formula命令，建立用戶(hù)變量，這些變量與實(shí)體模型的特征尺寸是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。將用戶(hù)變量賦給實(shí)體模型的特征尺寸，或通過(guò)編輯公式實(shí)現(xiàn)關(guān)系（Relations）的對(duì)應(yīng)，見(jiàn)圖1。

圖1 全螺紋六角頭螺栓（GB5783）模型和用戶(hù)變量、關(guān)系創(chuàng)建Fig.1 The creation of Hexagon bolts（GB5783）’s Model and Parameters，Relations

（4）用Design Table功能建立設(shè)計(jì)表，使設(shè)計(jì)表與（3）創(chuàng)建的零件模型形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。表格中的參數(shù)變量即上一步驟創(chuàng)建的用戶(hù)變量，表格中的數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 全螺紋六角頭螺栓（GB5783）模型的參數(shù)表創(chuàng)建Tab.1 The creation of Hexagon bolts（GB5783）’s design table

（5）使用目錄編輯器（Catalog Editor）創(chuàng)建緊固件的目錄文件（GB_Fastener.catalog），通過(guò)加載（3）創(chuàng)建的零件模型，將它解析成一系列的具體零件文件，見(jiàn)圖2。

圖2 國(guó)標(biāo)（GB）緊固件庫(kù)文件的目錄Fig.2 GB fastener library file directory

（6）庫(kù)文件的調(diào)用：在裝配設(shè)計(jì)模塊下找到標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)文件（GB_Fastener.catalog），雙擊打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)便可調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件三維模型[4]。

此方法完全基于CATIA自身多個(gè)模塊的綜合應(yīng)用，開(kāi)發(fā)步驟明晰、簡(jiǎn)便，庫(kù)文件調(diào)用時(shí)響應(yīng)速度快。同時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)設(shè)計(jì)表（Design Table）數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪，從而對(duì)庫(kù)文件進(jìn)行增刪管理。但是與第二、三種方法相比，這種方法的開(kāi)發(fā)需要大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在表格中，且所有庫(kù)文件需要解析在文件夾中，數(shù)據(jù)量龐大，調(diào)用時(shí)需要逐步檢索。為此越來(lái)越多的企業(yè)采用第二、三種方法來(lái)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)[5]。

2 CATIA型材庫(kù)和板材庫(kù)創(chuàng)建

在鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要用到型材和板材，為此需要建立適用于國(guó)標(biāo)（GB）的型材庫(kù)和板材庫(kù)，其創(chuàng)建流程[6-8]見(jiàn)表2，庫(kù)文件的目錄見(jiàn)圖3。

圖3 國(guó)標(biāo)（GB）型材庫(kù)和板材庫(kù)文件的目錄Fig.3 Catalog of GB’s profile library and sheet library files

表2 國(guó)標(biāo)（GB）型材庫(kù)和板材庫(kù)創(chuàng)建流程Tab.2 GB’s Profile library and plate library creation process

（續(xù)表2）

3 BASE鋼結(jié)構(gòu)件的綜合設(shè)計(jì)

目前對(duì)于焊接夾具的BASE等鋼架結(jié)構(gòu)件的三維數(shù)模設(shè)計(jì)主流方法仍是零件設(shè)計(jì)模塊和裝配設(shè)計(jì)模塊的綜合應(yīng)用[8]。此方法的不足之處在于鋼架結(jié)構(gòu)中的型材需要進(jìn)行截面草圖繪制后拉伸為實(shí)體，草圖繪制繁瑣、用時(shí)長(zhǎng)。且在同一鋼構(gòu)中，同種型號(hào)的型材使用頻率高，但每次生成實(shí)體均需要重新繪制截面草圖，同種型號(hào)的截面草圖很難實(shí)現(xiàn)復(fù)用。整個(gè)鋼構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和完善時(shí)，需要對(duì)截面草圖、型材間的連接接頭等進(jìn)行反復(fù)修改，工作量大。以上這些不足都造成了鋼構(gòu)設(shè)計(jì)效率不高的問(wèn)題。為此本文應(yīng)用CATIA V5中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊（Structure Design，STD）對(duì)BASE進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合裝配設(shè)計(jì)模塊和知識(shí)工程顧問(wèn)模塊，實(shí)現(xiàn)了BASE鋼構(gòu)件快速建模、嵌入設(shè)計(jì)規(guī)則、自動(dòng)更改的功能。

CATIA V5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊是專(zhuān)門(mén)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，它采用基于線框與驅(qū)動(dòng)平面的建模方式，使用時(shí)將CATIA型材庫(kù)和板材庫(kù)中的型材截面和板材賦予到已建立的骨架模型上即可生成三維模型，從而簡(jiǎn)單快速地生成線性結(jié)構(gòu)、曲線結(jié)構(gòu)和板材結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)修改時(shí)，只需重新選擇型材即可快速完成修改，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作量。此外模塊擁有二次開(kāi)發(fā)接口，方便進(jìn)行型材庫(kù)的建立和型材間連接方法的開(kāi)發(fā)[9]。

在創(chuàng)建完成的型材庫(kù)和板材庫(kù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊、裝配設(shè)計(jì)模塊和知識(shí)工程顧問(wèn)模塊綜合設(shè)計(jì)BASE。設(shè)計(jì)步驟：

（1）BASE設(shè)計(jì)規(guī)則確認(rèn)：首先應(yīng)該將BASE設(shè)計(jì)規(guī)則和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行列表，便于型材型號(hào)選擇、板材板厚選擇和設(shè)計(jì)規(guī)則的編制。表3列出BASE設(shè)計(jì)規(guī)則[8]（限于篇幅，僅討論BASE板面積S≤3.0m2的情況）。

表3 BASE設(shè)計(jì)規(guī)則Tab.3 Design rule of BASE

（2）BASE結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計(jì)、模型創(chuàng)建：BASE的主框架由槽鋼組成，在框架內(nèi)部有橫豎方向的槽鋼作為加強(qiáng)梁?？蚣艿捻斆嬗砂宀慕M成BASE面板，底面則在槽鋼接頭處設(shè)置加強(qiáng)板。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)槽鋼框架和加強(qiáng)梁的布置情況，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊的“Grid”命令創(chuàng)建BASE結(jié)構(gòu)骨架的主線框，利用“Shape”命令調(diào)用型材庫(kù)中的槽鋼截面賦予主線框即可生成結(jié)構(gòu)骨架。完成骨架設(shè)計(jì)后，使用“Endcut”、“Slot”、“Cutback”等命令處理多個(gè)槽鋼接觸處的接頭形式。接著根據(jù)主線框的布置，利用“Plate”命令創(chuàng)建BASE面板和加強(qiáng)板。至此，一個(gè)簡(jiǎn)單的BASE結(jié)構(gòu)件的三維模型創(chuàng)建完成，比傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)模塊節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

（3）BASE模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)：在三維模型基礎(chǔ)上，利用裝配設(shè)計(jì)模塊和知識(shí)工程顧問(wèn)模塊將設(shè)計(jì)規(guī)則寫(xiě)入模型中，實(shí)現(xiàn)骨架的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)和三維模型的自動(dòng)更新，從而提高設(shè)計(jì)修改效率和模型的可重用性。具體操作如下：

通過(guò)分析設(shè)計(jì)規(guī)則可知，設(shè)計(jì)更改的參數(shù)是BASE面板的面積S，而面積S可由BASE面板的長(zhǎng)L1和寬L2相乘得到。因此首先利用“Formula”命令設(shè)計(jì)全局參數(shù)：BASE長(zhǎng)L1、BASE寬L2和BASE面積S，其中BASE面積S=BASE長(zhǎng)L1*BASE寬L2。這樣便可通過(guò)更改L1、L2兩個(gè)參數(shù)的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)BASE整體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)更改。

對(duì)于由“Plate”命令創(chuàng)建的加強(qiáng)板，利用裝配設(shè)計(jì)模塊的約束命令創(chuàng)建約束和參數(shù)。

此時(shí)所需的參數(shù)已經(jīng)全部創(chuàng)建完成，由四部分組成：骨架主線框的各面間的距離、板的草圖大小尺寸和約束尺寸、裝配約束尺寸和全局參數(shù)（L1、L2、S）。

利用“Formula”命令和“Rule”命令創(chuàng)建一系列的公式和規(guī)則，實(shí)現(xiàn)將表3設(shè)計(jì)規(guī)則嵌入到設(shè)計(jì)參數(shù)中見(jiàn)圖4，現(xiàn)以“Rule.1”的部分為例進(jìn)行說(shuō)明見(jiàn)圖5。

圖4 BASE參數(shù)化設(shè)計(jì)的目錄樹(shù)Fig.4 Parameterized design of the directory tree（parameters、formula、rule）of BASE

圖5 BASE參數(shù)化設(shè)計(jì)的rule詳解（以0.8＜S≤1.9為例）Fig.5 The rule of parametric design of BASE（0.8＜S≤1.9）

為保證加強(qiáng)梁的加強(qiáng)效果，一般規(guī)定梁間距不大于700mm，為此需要滿(mǎn)足“L1≤2300mm”、“L2≤1600mm”和“L1≥L2”。同時(shí)與表3對(duì)應(yīng)，需要設(shè)置“S≤3m2”。將上述設(shè)計(jì)規(guī)則寫(xiě)入“Rule.2”：

/*Rule created by Administrator*/

if`BASE長(zhǎng)L1`＜`BASE寬L2`

{Message（"Forbidden：L1＜L2！"）}

if`BASE長(zhǎng)L1`＞2300mm

{Message（"Forbidden：L1＞2300mm"）}

if`BASE寬L2`＞1600mm

{Message（"Forbidden：L2＞1600mm"）}

if`BASE面積S`＞3m2

{Message（"Forbidden：S＞3m2"）}

當(dāng)滿(mǎn)足if條件時(shí)，在CATIA界面彈出對(duì)話框顯示警告信息。

至此BASE的主體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)完成，通過(guò)更改L1、L2兩個(gè)參數(shù)的值，再點(diǎn)擊更新命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)BASE整體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)更改。

綜上所述，當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類(lèi)似的鋼構(gòu)件時(shí)，綜合應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊、裝配設(shè)計(jì)模塊和知識(shí)工程顧問(wèn)模塊，可以實(shí)現(xiàn)三維模型快速創(chuàng)建和修改、設(shè)計(jì)規(guī)則嵌入、模型自動(dòng)更新等功能，體現(xiàn)了知識(shí)工程原理，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)用時(shí)，有利于鋼構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

4 CATIA在焊接夾具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用趨勢(shì)

傳統(tǒng)的焊接夾具設(shè)計(jì)工作量大、周期長(zhǎng)、效率低，且直接受設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)技能和知識(shí)水平所限。為此出現(xiàn)了基于知識(shí)的智能設(shè)計(jì)的新理論和新方法[10-11]，具體表現(xiàn)為：①知識(shí)工程（KBE）技術(shù)在CAD軟件中的模塊化嵌入應(yīng)用[12-15]，比如CATIA中的Knowledgeware模組中的各類(lèi)模塊；②面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)用于CAD軟件的二次開(kāi)發(fā)，包括了內(nèi)嵌機(jī)制[16]和外部開(kāi)發(fā)機(jī)制[17-18]；③計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（CAFD）從第一代到第四代的興起和應(yīng)用[19-24]。三者的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 CATIA知識(shí)工程與二次開(kāi)發(fā)和計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)的關(guān)系Fig.6 The relationship between CATIA’s KBE and CAFD

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于焊接夾具的設(shè)計(jì)流程，針對(duì)焊接夾具中BASE結(jié)構(gòu)件建模復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、設(shè)計(jì)效率低的問(wèn)題，綜合應(yīng)用零件設(shè)計(jì)模塊、裝配設(shè)計(jì)模塊、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊、目錄編輯器模塊和知識(shí)工程顧問(wèn)模塊等創(chuàng)建了國(guó)標(biāo)（GB）標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、型材庫(kù)和板材庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，建立了一種對(duì)于焊接夾具中BASE的快速三維建模方法和流程，縮短了夾具設(shè)計(jì)周期。

面對(duì)新時(shí)代對(duì)于生產(chǎn)方式和敏捷制造的需求，焊接夾具朝向柔性化方向發(fā)展，并要求夾具設(shè)計(jì)周期縮短、成本降低、質(zhì)量提高。為此，作為CAD軟件的CATIA以知識(shí)工程（KBE）技術(shù)為接口，通過(guò)面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)人工智能技術(shù)等的集成應(yīng)用走向計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（CAFD），使得CATIA朝著基于知識(shí)的智能化設(shè)計(jì)方向發(fā)展，為設(shè)計(jì)者提供更高效便捷的設(shè)計(jì)工具。