劉菡華

基于CATIA/CAA的標(biāo)準(zhǔn)件庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉菡華1，2

（1.福州大學(xué)，福建福州350116；2.閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平353011）

為了提高標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)效率和裝配效率，研究了標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)以及基于位姿矩陣的快速裝配技術(shù)，開發(fā)了基于CATIA/CAA的標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)。

CATIA；CAA；標(biāo)準(zhǔn)件庫；參數(shù)化設(shè)計(jì)；位姿矩陣

在機(jī)械制造行業(yè)中，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致大量規(guī)格相似、系列化的標(biāo)準(zhǔn)件［1］被使用。標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)和裝配過程往往要進(jìn)行大量的重復(fù)性勞動(dòng)。隨著全國范圍內(nèi)數(shù)字化制造技術(shù)的進(jìn)步以及多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積，國內(nèi)很多大型企業(yè)都形成了符合設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)件庫，本文利用VS2005以及CATIA二次開發(fā)工具CAA-RADE，研究標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)以及基于位姿矩陣的快速裝配技術(shù)，開發(fā)了基于CATIA/CAA的標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)，提高了標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)效率和裝配效率。

1　基于CAA的CATIA二次開發(fā)技術(shù)

CATIA是由法國達(dá)索系統(tǒng)公司開發(fā)，在航空航天等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用［2］。圖1為CAA V5組件應(yīng)用架構(gòu)圖（CAA），它是達(dá)索公司提供產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶定制的工具，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。在開發(fā)過程中，把交互的二進(jìn)制模塊組合起來，并將其功能集成起來共同完成應(yīng)用程序。基于CAA的CATIA二次開發(fā)的實(shí)現(xiàn)通過RADE（快速應(yīng)用開發(fā)環(huán)境）結(jié)合不同的CATIA V5 API接口函數(shù)來完成，CAA-RADE是目前所有高端CAD/CAM開發(fā)環(huán)境中最為復(fù)雜，同時(shí)也是功能最強(qiáng)大的一個(gè)。API接口通過調(diào)用CATIA中對(duì)象操作的方法和工具來實(shí)現(xiàn)程序的開發(fā)，也實(shí)現(xiàn)了與CATIA原系統(tǒng)的無縫連接。

2　基于CATIA V5的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，也叫尺寸驅(qū)動(dòng)，通過在建模過程中對(duì)幾何模型加以約束來控制模型幾何形狀大小和拓?fù)潢P(guān)系的方法，從而能夠通過調(diào)整尺寸參數(shù)來修改設(shè)計(jì)模型，方便地創(chuàng)建一系列在幾何形狀上相似的設(shè)計(jì)方案［3］。參數(shù)化技術(shù)的約束可以同時(shí)對(duì)幾何和拓?fù)溥M(jìn)行約束，幾何約束用于描述幾何元素或者幾何元素之間的形狀、方向或位置等信息。拓?fù)浼s束主要是指幾何元素之間的關(guān)系。一定數(shù)量的幾何、拓?fù)浼s束可以唯一地確定一個(gè)幾何模型，這種技術(shù)經(jīng)過多年來的發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今主流CAD系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

圖1　CAA V5組件應(yīng)用架構(gòu)圖

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法以一種全新的設(shè)計(jì)思維方式將產(chǎn)品拆分為受一系列參數(shù)約束的幾何模型。用戶可以根據(jù)自己的需求方便地對(duì)已有的模型進(jìn)行局部調(diào)整后生產(chǎn)新的幾何和拓?fù)涠枷嗨频耐愋彤a(chǎn)品。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)的這種優(yōu)勢，可以將大部分標(biāo)準(zhǔn)化的零件制成實(shí)體參數(shù)化模型，利用參數(shù)在后臺(tái)支撐幾何模型的精確定義。這在一定程度上使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員從繁重的制圖工作中解脫出來，極大提高設(shè)計(jì)速度，并且可以在原來的模型上不斷擴(kuò)充、豐富已有的模型庫并減少數(shù)據(jù)冗余量。

參數(shù)設(shè)計(jì)表（Design Table）［4］是CATIA提供給用戶的一個(gè)強(qiáng)大零件參數(shù)管理工具，它采用模型和參數(shù)分離的方式存儲(chǔ)三維模型，這樣有利于通過外部媒介如EXCEL來驅(qū)動(dòng)三維模型。參數(shù)設(shè)計(jì)表表頭為參數(shù)變量，包括標(biāo)準(zhǔn)件的所有外形參數(shù)尺寸，其余列均為該零件某一尺寸參數(shù)，涉及的每一行代表同類型零件的不同規(guī)格型號(hào)。這樣，以EXCEL中標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)作為數(shù)據(jù)源，用戶通過程序選擇需要的型號(hào)，便可以由設(shè)計(jì)表中的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)件模型的生成。

3　基于位姿矩陣的快速裝配技術(shù)

在傳統(tǒng)的CATIA裝配環(huán)境內(nèi)部，標(biāo)準(zhǔn)件的位置是由位姿矩陣來表示的，按照標(biāo)準(zhǔn)件的局部坐標(biāo)系和裝配體的絕對(duì)坐標(biāo)系重合進(jìn)行定位的，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)件尺寸相對(duì)較小或裝配產(chǎn)品較大時(shí)，設(shè)計(jì)人員很難找到調(diào)入的標(biāo)準(zhǔn)件。為了提高裝配效率，本文根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，研究了基于位姿矩陣的標(biāo)準(zhǔn)件快速裝配技術(shù)。

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論中，幾何變換提供了構(gòu)造和修改圖形的一種方法，圖形在位置、方向、尺寸和形狀上面的改變都可以通過幾何變換來實(shí)現(xiàn)。在CATIA裝配環(huán)境中，無論是移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)件還是調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)件的姿態(tài)，都要通過改變標(biāo)準(zhǔn)件的位姿矩陣來實(shí)現(xiàn)［5］。標(biāo)準(zhǔn)件的位姿矩陣包含了標(biāo)準(zhǔn)件的位置信息和姿態(tài)信息，是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)的信息依據(jù)。位置信息反映的是標(biāo)準(zhǔn)件相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)的信息，姿態(tài)信息是指標(biāo)準(zhǔn)件相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)沿各個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度信息。三維圖形的幾何變換矩陣D可以用下列數(shù)組表示：

其中，矩陣D1=與比例、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等幾何變換相關(guān)；矩陣D2=［d41d42d43d44］與平移相關(guān)；矩陣D3=與投影變換相關(guān)；矩陣D4=［d44］與整體比例變換相關(guān)。

4　基于CATIA/CAA標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)件采用參數(shù)化建模設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行建模，通過Design Table功能實(shí)現(xiàn)實(shí)例模型與驅(qū)動(dòng)參數(shù)的分離，利用位姿矩陣實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的快速裝配。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模功能

標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模主要包括三個(gè)過程：標(biāo)準(zhǔn)件模型的調(diào)用、標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)的遍歷以及標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)的驅(qū)動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)件模型庫建立后，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，選定所需的標(biāo)準(zhǔn)件類型；標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)根據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)件類型后臺(tái)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件模型，并獲取該模型的根容器指針和零件特征句柄；最后遍歷該模型的所有參數(shù)，獲取用戶輸入的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)，驅(qū)動(dòng)生成符合設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)件。部分關(guān)鍵代碼如下：

CATDocumentServices：：OpenDocum ent（pFilePath，pDocument）；//在后臺(tái)打開標(biāo)準(zhǔn)件模型文件，其中pFilePath為模型文件的路徑，pDocum ent為模型文檔對(duì)象指針。

（CATIPrtContainer*）p InitOnDoc-＞GetRootContainer（“CATIPrtContainer”）；//獲取標(biāo)準(zhǔn)件模型的根容器，進(jìn)而獲取模型的零件的特征。

spPart-＞Query Inerface（IID_CATIParm Publisher，（void**）&piParm Publisher）；//spPart為上述獲取的模型零件特征，通過Query Inerface方法獲取參數(shù)接口。

piParm Publisher-＞GetAllChildren（“CATICkeParm”，PartParm List）；//CATIParm Publisher接口遍歷獲取模型的所有參數(shù)，再利用參數(shù)名稱的匹配篩選出用戶輸入?yún)?shù)，驅(qū)動(dòng)生成新的標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)例模型。

4.3基于位姿矩陣的快速裝配功能

為使零件可以在產(chǎn)品的絕對(duì)坐標(biāo)系下進(jìn)行移動(dòng)，需要調(diào)用CAA-API的CATIMovable接口，它是管理移動(dòng)對(duì)象的接口，可以在絕對(duì)坐標(biāo)系下完成對(duì)物體的移動(dòng)；位姿矩陣由CATMathTransformation類來表示的。首先通過交互方式得到標(biāo)準(zhǔn)件目標(biāo)位置，存入 CATMathTransform ation類中，使用CATMathTransformation對(duì)象的GetCoef函數(shù)和SetCoef函數(shù)可以獲取和重置矩陣值，然后將得到的矩陣進(jìn)行矩陣變換。關(guān)鍵代碼如下：

HRESULTrm=sp InstanceProduct-＞Query Interface（IID_CATIMovable，void**）&pCATIMovable）；//通過查詢組件所支持的CATIMovable接口，獲得pCATIMovable接口，它可以得到并設(shè)置當(dāng)前零件的位姿矩陣。

spPointAbs-＞GetAbsPosition（RefPosition）；//交互操作得到的目標(biāo)位置矩陣

pCATIMovab le-＞SetPosition（new RefPosition，NULL_var）；//重置標(biāo)準(zhǔn)件的位姿矩陣

4.4應(yīng)用實(shí)例

圖3為標(biāo)準(zhǔn)件系統(tǒng)界面圖，設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際需要選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件類型、相關(guān)參數(shù)和基于位姿矩陣的快速裝配位置后，單擊“確定”按鈕即可完成所需標(biāo)準(zhǔn)件的建模。圖4為某型號(hào)飛機(jī)通用工裝標(biāo)準(zhǔn)件中快卸銷（HB31562-78）的應(yīng)用效果示意圖。

圖3　標(biāo)準(zhǔn)件系統(tǒng)界面圖

圖4　實(shí)施效果

5　結(jié)束語

機(jī)械制造行業(yè)中，標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)過程中存在著大量重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)大量的標(biāo)準(zhǔn)件導(dǎo)致裝配工作量巨大，本文利用參數(shù)化建模設(shè)計(jì)和基于位姿矩陣的快速裝配技術(shù)，開發(fā)基于CATIA/CAA的標(biāo)準(zhǔn)件庫，將繁瑣的重復(fù)勞動(dòng)利用代碼封裝起來，提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

［1］李原，彭培林，邵毅，等.基于 CATIA的標(biāo)準(zhǔn)件庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào)，

2005，17（8）:1873-1877.

［2］Rantzau D，Maurer F，Mayer C，et al.The integration o f immersive Virtual Reality applications into Catia V5［M］.Springer Vienna，2001.

［3］Myung S，Han S.Know ledge-based parametric design of mechanical products based on configuration design method［J］.Expert Systems with Applications，2001，21（2）:99-107.

［4］Taleb H，Musleh M A.App lying urban parametric design optim isation processes to a hot climate:Case study of the UAE［J］.Sustainable Cities and Society，2015，14:236-253.

［5］曹俊生.基于 CATIA/CAA的飛機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬裝配信息模型研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

（責(zé)任編輯：耿繼祥）

Design and Im plementation of Standard Part Library Based On CATIA/CAA

LIU Hanhua1，2
（1.Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China；2.Minbei Vocational&Technical College，Nanping 353011，China）

In order to im prove the design efficiency and the assembly efficiency of the standard parts，the parametric design technology and rapid assembly technology based on the pose matrix of standard parts w as investigated，and the system o f standard part library based on CATIA/CAA was developed.

CATIA；CAA；standard part library；Parametric Design；the pose matrix

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2015.03.008

2015-01-13；

2015-03-10

劉菡華（1984-），女，福建建甌人，碩士，研究方向：CAD/CAM。