面向焊接夹具设计的CATIA综合应用研究

张利男，宋江勇

（山西科技学院 智能制造工程学院，山西 晋城 048000）

0 引言

在汽车制造四大工艺（冲压、焊接、涂装、总装）中，焊接工艺作为关键工序，焊接夹具的研发与制造在整个汽车制造链中占有重要地位。焊接夹具是典型的非标准工装，具有很强的专用性，是焊接生产线的核心，夹具设计和制造的费用占整个汽车制造成本的10%～20%[1]。

焊接夹具的典型设计由方案和工艺设计、夹具总体设计（功能设计）、夹具结构设计、绘制夹具图样和编制技术/使用说明书等步骤组成[2]。

本文以焊接夹具中BASE为例，针对其结构建模复杂、耗时长、设计效率低的问题，综合运用CATIA多个模块实现BASE的快速三维建模，提高设计效率。

1 CATIA标准件库的创建

以紧固件为例，CATIA V5平台下自带的只有国际（ISO）、美国（US）、英国（EN）和日本（JIS）的商业三维标准件库。为此建立符合GB的三维标准件库[3]可以实现快速开发工程项目，同时避免大量重复工作、降低产品开发成本。

CATIA建立标准件库的方法有三种：①零件设计模块/草图编辑器、目录编辑器模块和知识工程顾问模块的综合应用建库；②使用CATIA的宏（Macro）命令进行进程内编程建库；③基于CATIA的Automation技术、使用VB语言建库以及基于CATIA二次开发工具RADE和库函数CAA、使用VC语言建库。本文以全螺纹六角头螺栓（GB5783）为例，仅对第一种方法的建库步骤进行阐述：

（1）设置CATIA环境：勾选“With Value”、“With Formula”和“Relations”，用于实现参数化设计。

（2）使用草图编辑器或零件设计模块创建紧固件模型的草图，在草图中创建尺寸约束，这些被约束的尺寸将作为特征尺寸被定义为参数变量，用于驱动零件模型的生成。

（3）将草图拉伸为实体模型，利用Formula命令，建立用户变量，这些变量与实体模型的特征尺寸是一一对应关系。将用户变量赋给实体模型的特征尺寸，或通过编辑公式实现关系（Relations）的对应，见图1。

图1 全螺纹六角头螺栓（GB5783）模型和用户变量、关系创建Fig.1 The creation of Hexagon bolts（GB5783）’s Model and Parameters，Relations

（4）用Design Table功能建立设计表，使设计表与（3）创建的零件模型形成对应关系。表格中的参数变量即上一步骤创建的用户变量，表格中的数据来自国家标准或机械行业标准，见表1。

表1 全螺纹六角头螺栓（GB5783）模型的参数表创建Tab.1 The creation of Hexagon bolts（GB5783）’s design table

（5）使用目录编辑器（Catalog Editor）创建紧固件的目录文件（GB_Fastener.catalog），通过加载（3）创建的零件模型，将它解析成一系列的具体零件文件，见图2。

图2 国标（GB）紧固件库文件的目录Fig.2 GB fastener library file directory

（6）库文件的调用：在装配设计模块下找到标准件库文件（GB_Fastener.catalog），双击打开标准件库便可调用标准件三维模型[4]。

此方法完全基于CATIA自身多个模块的综合应用，开发步骤明晰、简便，库文件调用时响应速度快。同时可以根据需要对设计表（Design Table）数据进行增删，从而对库文件进行增删管理。但是与第二、三种方法相比，这种方法的开发需要大量数据存储在表格中，且所有库文件需要解析在文件夹中，数据量庞大，调用时需要逐步检索。为此越来越多的企业采用第二、三种方法来创建标准件库[5]。

2 CATIA型材库和板材库创建

在钢架结构设计中需要用到型材和板材，为此需要建立适用于国标（GB）的型材库和板材库，其创建流程[6-8]见表2，库文件的目录见图3。

图3 国标（GB）型材库和板材库文件的目录Fig.3 Catalog of GB’s profile library and sheet library files

表2 国标（GB）型材库和板材库创建流程Tab.2 GB’s Profile library and plate library creation process

（续表2）

3 BASE钢结构件的综合设计

目前对于焊接夹具的BASE等钢架结构件的三维数模设计主流方法仍是零件设计模块和装配设计模块的综合应用[8]。此方法的不足之处在于钢架结构中的型材需要进行截面草图绘制后拉伸为实体，草图绘制繁琐、用时长。且在同一钢构中，同种型号的型材使用频率高，但每次生成实体均需要重新绘制截面草图，同种型号的截面草图很难实现复用。整个钢构设计过程中进行设计修改和完善时，需要对截面草图、型材间的连接接头等进行反复修改，工作量大。以上这些不足都造成了钢构设计效率不高的问题。为此本文应用CATIA V5中的结构设计模块（Structure Design，STD）对BASE进行设计，结合装配设计模块和知识工程顾问模块，实现了BASE钢构件快速建模、嵌入设计规则、自动更改的功能。

CATIA V5结构设计模块是专门的钢结构设计模块，它采用基于线框与驱动平面的建模方式，使用时将CATIA型材库和板材库中的型材截面和板材赋予到已建立的骨架模型上即可生成三维模型，从而简单快速地生成线性结构、曲线结构和板材结构。在设计修改时，只需重新选择型材即可快速完成修改，大大简化了设计人员的设计工作量。此外模块拥有二次开发接口，方便进行型材库的建立和型材间连接方法的开发[9]。

在创建完成的型材库和板材库基础上，应用结构设计模块、装配设计模块和知识工程顾问模块综合设计BASE。设计步骤：

（1）BASE设计规则确认：首先应该将BASE设计规则和关键参数进行列表，便于型材型号选择、板材板厚选择和设计规则的编制。表3列出BASE设计规则[8]（限于篇幅，仅讨论BASE板面积S≤3.0m2的情况）。

表3 BASE设计规则Tab.3 Design rule of BASE

（2）BASE结构骨架设计、模型创建：BASE的主框架由槽钢组成，在框架内部有横竖方向的槽钢作为加强梁。框架的顶面由板材组成BASE面板，底面则在槽钢接头处设置加强板。设计时根据槽钢框架和加强梁的布置情况，利用结构设计模块的“Grid”命令创建BASE结构骨架的主线框，利用“Shape”命令调用型材库中的槽钢截面赋予主线框即可生成结构骨架。完成骨架设计后，使用“Endcut”、“Slot”、“Cutback”等命令处理多个槽钢接触处的接头形式。接着根据主线框的布置，利用“Plate”命令创建BASE面板和加强板。至此，一个简单的BASE结构件的三维模型创建完成，比传统的零件设计模块节省设计时间。

（3）BASE模型的参数化设计：在三维模型基础上，利用装配设计模块和知识工程顾问模块将设计规则写入模型中，实现骨架的自动驱动和三维模型的自动更新，从而提高设计修改效率和模型的可重用性。具体操作如下：

通过分析设计规则可知，设计更改的参数是BASE面板的面积S，而面积S可由BASE面板的长L1和宽L2相乘得到。因此首先利用“Formula”命令设计全局参数：BASE长L1、BASE宽L2和BASE面积S，其中BASE面积S=BASE长L1*BASE宽L2。这样便可通过更改L1、L2两个参数的值，实现对BASE整体结构的自动更改。

对于由“Plate”命令创建的加强板，利用装配设计模块的约束命令创建约束和参数。

此时所需的参数已经全部创建完成，由四部分组成：骨架主线框的各面间的距离、板的草图大小尺寸和约束尺寸、装配约束尺寸和全局参数（L1、L2、S）。

利用“Formula”命令和“Rule”命令创建一系列的公式和规则，实现将表3设计规则嵌入到设计参数中见图4，现以“Rule.1”的部分为例进行说明见图5。

图4 BASE参数化设计的目录树Fig.4 Parameterized design of the directory tree（parameters、formula、rule）of BASE

图5 BASE参数化设计的rule详解（以0.8＜S≤1.9为例）Fig.5 The rule of parametric design of BASE（0.8＜S≤1.9）

为保证加强梁的加强效果，一般规定梁间距不大于700mm，为此需要满足“L1≤2300mm”、“L2≤1600mm”和“L1≥L2”。同时与表3对应，需要设置“S≤3m2”。将上述设计规则写入“Rule.2”：

/*Rule created by Administrator*/

if`BASE长L1`＜`BASE宽L2`

{Message（"Forbidden：L1＜L2！"）}

if`BASE长L1`＞2300mm

{Message（"Forbidden：L1＞2300mm"）}

if`BASE宽L2`＞1600mm

{Message（"Forbidden：L2＞1600mm"）}

if`BASE面积S`＞3m2

{Message（"Forbidden：S＞3m2"）}

当满足if条件时，在CATIA界面弹出对话框显示警告信息。

至此BASE的主体结构三维设计完成，通过更改L1、L2两个参数的值，再点击更新命令，实现对BASE整体结构的自动更改。

综上所述，当设计结构类似的钢构件时，综合应用结构设计模块、装配设计模块和知识工程顾问模块，可以实现三维模型快速创建和修改、设计规则嵌入、模型自动更新等功能，体现了知识工程原理，提高了设计效率，缩短了设计用时，有利于钢构件的标准化设计。

4 CATIA在焊接夹具设计中的应用趋势

传统的焊接夹具设计工作量大、周期长、效率低，且直接受设计者的经验技能和知识水平所限。为此出现了基于知识的智能设计的新理论和新方法[10-11]，具体表现为：①知识工程（KBE）技术在CAD软件中的模块化嵌入应用[12-15]，比如CATIA中的Knowledgeware模组中的各类模块；②面向对象的编程技术用于CAD软件的二次开发，包括了内嵌机制[16]和外部开发机制[17-18]；③计算机辅助夹具设计（CAFD）从第一代到第四代的兴起和应用[19-24]。三者的关系见图6。

图6 CATIA知识工程与二次开发和计算机辅助夹具设计的关系Fig.6 The relationship between CATIA’s KBE and CAFD

5 结束语

本文基于焊接夹具的设计流程，针对焊接夹具中BASE结构件建模复杂、耗时长、设计效率低的问题，综合应用零件设计模块、装配设计模块、结构设计模块、目录编辑器模块和知识工程顾问模块等创建了国标（GB）标准件库、型材库和板材库。在此基础上，建立了一种对于焊接夹具中BASE的快速三维建模方法和流程，缩短了夹具设计周期。

面对新时代对于生产方式和敏捷制造的需求，焊接夹具朝向柔性化方向发展，并要求夹具设计周期缩短、成本降低、质量提高。为此，作为CAD软件的CATIA以知识工程（KBE）技术为接口，通过面向对象编程技术实现二次开发，通过人工智能技术等的集成应用走向计算机辅助夹具设计（CAFD），使得CATIA朝着基于知识的智能化设计方向发展，为设计者提供更高效便捷的设计工具。