朱立達(dá)，張小麗

ZHU Li-da1,2, ZHANG Xiao-li1

（1.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工機(jī)械系，吉林 132013；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

汽車(chē)車(chē)身通常由300～500件具有復(fù)雜曲面形狀的薄壁類零件裝配焊裝而成[1]，焊裝質(zhì)量好壞直接影響著整車(chē)的質(zhì)量，因此，焊裝工藝成為汽車(chē)生產(chǎn)的四大核心工藝之一。焊裝夾具的設(shè)計(jì)與制造是保證車(chē)身焊裝工藝質(zhì)量的重要裝備之一，是降低成本、提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的重要手段，其設(shè)計(jì)制造速度成為汽車(chē)制造業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的重要條件之一[2]，隨著焊裝自動(dòng)化程度及精度的提高，對(duì)焊裝夾具的設(shè)計(jì)制造的要求也越來(lái)越高。為了使新車(chē)型開(kāi)發(fā)并行進(jìn)行，汽車(chē)制造類企業(yè)通常將夾具設(shè)計(jì)制造部分外包給專門(mén)的設(shè)計(jì)公司，因而如何實(shí)現(xiàn)焊裝夾具的高效設(shè)計(jì)成為車(chē)身研究工程的方向之一。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)焊裝夾具研究較廣泛的方法是建立參數(shù)化零件庫(kù)，并取得了一定成績(jī)，如四川大學(xué)、新疆大學(xué)、江蘇科技大學(xué)的科研工作們均研究了零件庫(kù)的設(shè)計(jì)[3～6]，但采用上述方法出現(xiàn)的問(wèn)題是數(shù)據(jù)量較大、查找不便、多針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件、管理復(fù)雜等，且沒(méi)有考慮零件屬性添加問(wèn)題后續(xù)編制明細(xì)表工作量依舊很大。本課題研究主要針對(duì)上述問(wèn)題，利用CATIA在汽車(chē)焊裝夾具設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，以CATIAV5R20為平臺(tái)，以VB6.0（Visual Basic）為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以Access2007（需要將數(shù)據(jù)庫(kù)文件存為.mdb類型）構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)用的汽車(chē)焊裝夾具專用設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)零件快速設(shè)計(jì)、屬性自動(dòng)添加，實(shí)現(xiàn)零件參數(shù)及屬性的增、刪、改、查的汽車(chē)焊裝夾具設(shè)計(jì)專用模塊。

1 汽車(chē)焊裝夾具的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

雖然焊裝夾具的種類多樣，但其結(jié)構(gòu)卻大同小異，通常由底板、定位模塊、夾緊模塊、及輔助系統(tǒng)組成。其中底板是整個(gè)夾具的基體，主要起支撐作用，底板的制造精度直接影響著整個(gè)夾具的精度，因此其形位公差和表面粗糙度要求都表為嚴(yán)格，常設(shè)計(jì)成槽系或孔系結(jié)構(gòu)。定位模塊、夾緊模塊是夾具的核心組成部分，定位模塊設(shè)計(jì)時(shí)除滿足定位精度外還需考慮剛度、硬度、可調(diào)性、維修性、尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化、尺寸系列化等問(wèn)題。常用的夾緊模塊因結(jié)構(gòu)區(qū)別可以將其分為單純支撐夾緊型、有定位銷型、有夾緊無(wú)支撐型、有支撐無(wú)夾緊型及雙極夾緊類型等，其中前三種較為常用。夾緊模塊設(shè)計(jì)除滿足夾緊力的要求外還需具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效、自動(dòng)化程度高、安全可靠及可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前夾緊模塊在企業(yè)流水線中氣動(dòng)夾緊應(yīng)用最為廣泛。每個(gè)氣動(dòng)夾緊單元通常包括角座（L座）、連接板（型板）、銷軸、定位銷、支撐塊、夾緊塊、夾緊臂、銷子塊、限位塊、擋塊、氣缸等。輔助系統(tǒng)則主要實(shí)現(xiàn)夾緊的旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)的功能，在夾具的應(yīng)用中也起到非常重要的作用。

1.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

汽車(chē)焊裝夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，為了便于設(shè)計(jì)、制造、維修和檢測(cè)，通常將其以模塊化的是形式拆分設(shè)計(jì)，最后將不同單元在底板上組裝調(diào)試而成。因車(chē)身由沖壓成型的薄壁板組成，夾具定位多采用“N-2-1”的定位形式，其中N多大于3，采取過(guò)定位形式提高系統(tǒng)的剛度，減小變形量?？紤]夾緊點(diǎn)多、零件薄壁等問(wèn)題夾緊方式多采用高效快速裝置，加緊點(diǎn)靠近支撐點(diǎn)，對(duì)于鋼板厚度小于1.2mm的夾緊力取300N～750N，厚度在1.5mm～2.5mm的加緊力取500N～3000N，同時(shí)為了降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，焊裝夾具的設(shè)計(jì)要充分考慮標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的問(wèn)題。

2 CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)

2.1 二次開(kāi)發(fā)方式

CATIA因其強(qiáng)大的功能在汽車(chē)、航空、船舶等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為了滿足不同用戶個(gè)性化、專業(yè)化要求，CATIA為用戶提供了二次開(kāi)發(fā)的接口，并提供了進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序（In-Process Application）和進(jìn)程外應(yīng)用程序（Out-Process Application）兩種開(kāi)發(fā)方式。進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用主要通過(guò)CATIA的宏命令運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)一些相對(duì)簡(jiǎn)單重復(fù)性操作過(guò)程，但不具備參數(shù)傳遞修改等功能，相對(duì)功能強(qiáng)大的進(jìn)程外方式的應(yīng)用較少，因此，二次開(kāi)發(fā)技術(shù)多指進(jìn)程外方式。在多種進(jìn)程外方式中，基于構(gòu)件的CAA V5及基于自動(dòng)化編程的CATIA Automation 方法應(yīng)用最為普遍，其中CAA V5需要以VC++為載體的RADE開(kāi)發(fā)環(huán)境，能夠創(chuàng)建新的CATIA函數(shù)，功能強(qiáng)大，但編程復(fù)雜。而CATIA Automation則利用CATIA自身提供的API接口函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)二次開(kāi)發(fā)的大部分功能，且具有COM組件的特點(diǎn)，上手快開(kāi)發(fā)效率高，能夠滿足本課題開(kāi)發(fā)所需的功能要求，因此，本課題選擇應(yīng)用CATIA Automation開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)建適合的CATIA程序。

2.2 CATIA API及重要對(duì)象

CATIA API是CATIA本身提供的一組已編譯好的應(yīng)用程序編程接口函數(shù)，位于模塊安裝目錄XDassault SystemesB20intel_acodein下的CATIA V5 SurfaceMachiningInterfaces Object Library動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中，相關(guān)函數(shù)說(shuō)明在同一目錄下的V5Automation.chm文檔內(nèi)。API將所有的數(shù)據(jù)都被封裝成對(duì)象，并按繼承與聚合關(guān)系構(gòu)建成樹(shù)裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在所有對(duì)象中Application是根對(duì)象，在其下派生出Documents、Windows、SettingControllers、Printers等Collection及FileSystem、SystemService 、SystemConfiguration等Object，每個(gè)對(duì)象都有其操縱集合的方法和屬性，例如Add()、Remove()等方法及Count等屬性。應(yīng)用API進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的基本流程[3]如圖2所示。

圖1 API文檔結(jié)構(gòu)

圖2 二次開(kāi)發(fā)流程

2.3 基于VB的二次開(kāi)發(fā)

應(yīng)用VB環(huán)境進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，按著圖2所示流程首先需要通過(guò)GetObject或CreatObject方法獲得Application對(duì)象，其VB代碼如下：

程序如正確編輯運(yùn)行需要VB引用以CATIA開(kāi)頭的所有Object Library庫(kù)文件，具體如圖3所示。

圖3 VB中引用CATIA庫(kù)文件

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及多種零件類型，零件需參數(shù)化，并符合IOS 13584（零件庫(kù)）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)專用模塊數(shù)據(jù)量大，為使數(shù)據(jù)具備重用性的同時(shí)方便管理引入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要用與存儲(chǔ)建模參數(shù)、屬性及參考圖片等信息，記錄數(shù)目多，但其中大部分為數(shù)值型數(shù)據(jù)，需要的存儲(chǔ)空間較小。

項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，因每類零件的參數(shù)不同，每類零件設(shè)計(jì)一個(gè)表，零件屬性統(tǒng)一存在一個(gè)表內(nèi)，屬性表以零件類別編號(hào)作為外健。為降低數(shù)據(jù)庫(kù)冗余度，開(kāi)發(fā)中不以項(xiàng)目為單位存儲(chǔ)零件信息，以零件類型存儲(chǔ)。同時(shí)，考慮標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)值多存放在Excel表格內(nèi)，模塊應(yīng)具備Excel參數(shù)批量導(dǎo)入導(dǎo)出功能。VB環(huán)境中Access數(shù)據(jù)庫(kù)能夠很方便的實(shí)現(xiàn)與Excel表交互訪問(wèn)，同時(shí)Access數(shù)據(jù)庫(kù)本身具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，能夠?yàn)楹罄m(xù)開(kāi)發(fā)智能夾具設(shè)計(jì)模塊奠定基礎(chǔ)，因此本課題選用Access2007構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 界面定制

人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)CATIA建模與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的聯(lián)系，具備對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的增、刪、改、查及在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建新表的功能。設(shè)計(jì)時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)讀取的內(nèi)容顯示在DataGrid中，當(dāng)雙擊DataGrid中數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)一條記錄能夠填充到界面內(nèi)相關(guān)的Text控件中，控件中的內(nèi)容作為參數(shù)傳遞給CATIA函數(shù)用于創(chuàng)建模型，模塊的建模界面如圖4所示。建模參數(shù)可直接輸入或從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取，并根據(jù)零件類型自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相關(guān)屬性并將其添加到屬性界面相關(guān)的Text中，屬性界面如圖5所示，做相應(yīng)修改后將零件屬性自動(dòng)填充到CATIA模塊的零件屬性中，用于自動(dòng)生產(chǎn)BOM表。每個(gè)企業(yè)需要BOM表的形式不同，通過(guò)程序遍歷零件屬性自動(dòng)生成BOM，這樣可以大幅度減少人工重復(fù)勞動(dòng)強(qiáng)度。模塊實(shí)現(xiàn)Excel數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入的界面如圖6所示。

圖4 建模主界面

圖5 零件屬性界面

圖6 Excel數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入界面

3.3 CATIA建模程序開(kāi)發(fā)

為加快程序開(kāi)發(fā)進(jìn)程，首先分析零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，然后利用CATIA宏錄制的方法將建模過(guò)程錄制為VBScript角本文件，快速的找到相關(guān)的CATIA函數(shù)，再將角本復(fù)制到VB中配合API進(jìn)行相關(guān)修改。如角座零件建模過(guò)程涉及到的主要Method包括add(Product iProduct)、item(CATVariant iIndex)、Create Reference From Name (CATBSTR i Label)、AddNew Pad From Ref(Reference iProfileElt,double iHeight)、GetItem(CATBSTR IDName))、CreatePoint(double iX, double iY))、Create Line(double iX1, double iY1, double iUX, double iUY)、Create Reference From Object()、Add Bi Elt Cst(CatConstraint Typei Cst Type, Reference iFirst Elem, Reference iSecond Elem)、Create Projections(CATBSTRiLabel))、CreateClosedCircle(double iCenterX, double iCenterY, doublei Radius)等。屬性賦值主要涉及p a r t.UserRefProperties及相關(guān)CreateReal(CATBSTR iName, double iValue)、CreateString(CATBSTR iName, CATBSTR iValue)等創(chuàng)建屬性的方法。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

“角座”為連接元件，起支撐作用，用于連接底板和連接板，屬于企業(yè)自制標(biāo)準(zhǔn)元件，多采用直角鑄鐵座，設(shè)計(jì)時(shí)需滿足系列化和互換性要求，一般高度不超600mm，寬度多為100mm，厚度可選加工后16、19或20mm，定位孔直徑Φ10mm，四個(gè)與底板連接螺栓孔徑為Φ12mm，與連接板連接孔徑為Φ14mm，孔寬距70mm，有加強(qiáng)筋，棱邊倒圓角?！敖亲苯＿^(guò)程中參數(shù)分為兩類，系列化常修改的為驅(qū)動(dòng)參數(shù)，不常修改或與驅(qū)動(dòng)參數(shù)關(guān)聯(lián)的尺寸為可選參數(shù)。建模時(shí)可直接在建模界面輸入?yún)?shù)，也可從數(shù)據(jù)庫(kù)中直接讀取，數(shù)據(jù)庫(kù)中“角座”參數(shù)存儲(chǔ)在“FootSeat”數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)表共有13個(gè)字段分別為ID（主鍵）、H、W、L、Rib、TH、W1、Φ1、Φ2、Φ3、R1、R2。屬性參數(shù)存放在“PartProperties”表中，表中包括13個(gè)字段分別為Proper_ID（主鍵）、Part_ID（外鍵-零件類別）、Para_MangCode、Para_PartNumber、Para_PartName、Para_Material、Para_Remark、Para_PartType、Source_Type、Weight、TDMX_MATERIAL、Pro_Supplier、Drawing_Fromat、Surface_Treatmen。實(shí)例中零件模型參數(shù)從數(shù)據(jù)庫(kù)直接獲得，自動(dòng)從屬性表中讀取零件的屬性值，提取的屬性如與設(shè)計(jì)屬性不同可適當(dāng)修改。圖7為應(yīng)用開(kāi)發(fā)模塊自動(dòng)生產(chǎn)的角座零件，與直接建模不同的是草圖單列在模型樹(shù)中，屬性已自動(dòng)填寫(xiě)，后續(xù)自動(dòng)生成BOM表可直接遍歷零件屬性并根據(jù)要求做適當(dāng)取舍。

圖7 角座

5 結(jié)論

通過(guò)CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)了用于汽車(chē)焊裝夾具設(shè)計(jì)的專用模塊，應(yīng)用模塊能夠更加快速生成設(shè)計(jì)零件，通過(guò)從屬性庫(kù)中調(diào)用同類零件屬性能夠快速設(shè)置零件屬性，利于自動(dòng)生成BOM表。模塊的開(kāi)發(fā)降低了對(duì)設(shè)計(jì)者軟件應(yīng)用水平的要求，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了夾具設(shè)計(jì)的效率，縮短了新車(chē)型上市時(shí)間，并為后續(xù)智能夾具設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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