基于CATIA/CAA的標準件庫設計與實現

劉菡華

基于CATIA/CAA的標準件庫設計與實現

劉菡華1，2

（1.福州大學，福建福州350116；2.閩北職業技術學院，福建南平353011）

為了提高標準件的設計效率和裝配效率，研究了標準件參數化設計技術以及基于位姿矩陣的快速裝配技術，開發了基于CATIA/CAA的標準件庫系統。

CATIA；CAA；標準件庫；參數化設計；位姿矩陣

在機械制造行業中，機械產品結構的復雜性導致大量規格相似、系列化的標準件［1］被使用。標準件的設計和裝配過程往往要進行大量的重復性勞動。隨著全國范圍內數字化制造技術的進步以及多年設計經驗的累積，國內很多大型企業都形成了符合設計要求的標準件庫，本文利用VS2005以及CATIA二次開發工具CAA-RADE，研究標準件參數化設計技術以及基于位姿矩陣的快速裝配技術，開發了基于CATIA/CAA的標準件庫系統，提高了標準件的設計效率和裝配效率。

1　基于CAA的CATIA二次開發技術

CATIA是由法國達索系統公司開發，在航空航天等領域中有廣泛應用［2］。圖1為CAA V5組件應用架構圖（CAA），它是達索公司提供產品擴展和客戶定制的工具，采用面向對象的程序設計。在開發過程中，把交互的二進制模塊組合起來，并將其功能集成起來共同完成應用程序?；贑AA的CATIA二次開發的實現通過RADE（快速應用開發環境）結合不同的CATIA V5 API接口函數來完成，CAA-RADE是目前所有高端CAD/CAM開發環境中最為復雜，同時也是功能最強大的一個。API接口通過調用CATIA中對象操作的方法和工具來實現程序的開發，也實現了與CATIA原系統的無縫連接。

2　基于CATIA V5的參數化設計技術

參數化設計技術，也叫尺寸驅動，通過在建模過程中對幾何模型加以約束來控制模型幾何形狀大小和拓撲關系的方法，從而能夠通過調整尺寸參數來修改設計模型，方便地創建一系列在幾何形狀上相似的設計方案［3］。參數化技術的約束可以同時對幾何和拓撲進行約束，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。拓撲約束主要是指幾何元素之間的關系。一定數量的幾何、拓撲約束可以唯一地確定一個幾何模型，這種技術經過多年來的發展已經成為當今主流CAD系統的核心技術之一。

圖1　CAA V5組件應用架構圖

參數化設計方法以一種全新的設計思維方式將產品拆分為受一系列參數約束的幾何模型。用戶可以根據自己的需求方便地對已有的模型進行局部調整后生產新的幾何和拓撲都相似的同類型產品。利用參數化設計的這種優勢，可以將大部分標準化的零件制成實體參數化模型，利用參數在后臺支撐幾何模型的精確定義。這在一定程度上使產品設計人員從繁重的制圖工作中解脫出來，極大提高設計速度，并且可以在原來的模型上不斷擴充、豐富已有的模型庫并減少數據冗余量。

參數設計表（Design Table）［4］是CATIA提供給用戶的一個強大零件參數管理工具，它采用模型和參數分離的方式存儲三維模型，這樣有利于通過外部媒介如EXCEL來驅動三維模型。參數設計表表頭為參數變量，包括標準件的所有外形參數尺寸，其余列均為該零件某一尺寸參數，涉及的每一行代表同類型零件的不同規格型號。這樣，以EXCEL中標準件參數作為數據源，用戶通過程序選擇需要的型號，便可以由設計表中的數據來驅動標準件模型的生成。

3　基于位姿矩陣的快速裝配技術

在傳統的CATIA裝配環境內部，標準件的位置是由位姿矩陣來表示的，按照標準件的局部坐標系和裝配體的絕對坐標系重合進行定位的，當標準件尺寸相對較小或裝配產品較大時，設計人員很難找到調入的標準件。為了提高裝配效率，本文根據企業的實際需求，研究了基于位姿矩陣的標準件快速裝配技術。

在計算機圖形學理論中，幾何變換提供了構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現。在CATIA裝配環境中，無論是移動標準件還是調整標準件的姿態，都要通過改變標準件的位姿矩陣來實現［5］。標準件的位姿矩陣包含了標準件的位置信息和姿態信息，是對標準件進行平移和旋轉的信息依據。位置信息反映的是標準件相對于坐標系原點的信息，姿態信息是指標準件相對于坐標系原點沿各個坐標軸旋轉的角度信息。三維圖形的幾何變換矩陣D可以用下列數組表示：

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

4　基于CATIA/CAA標準件庫系統實現

4.1系統設計總體架構

標準件采用參數化建模設計技術進行建模，通過Design Table功能實現實例模型與驅動參數的分離，利用位姿矩陣實現標準件的快速裝配。系統總體架構如圖2所示。

圖2　系統架構圖

4.2標準件參數驅動建模功能

標準件參數化驅動建模主要包括三個過程：標準件模型的調用、標準件參數的遍歷以及標準件參數的驅動。標準件模型庫建立后，依據設計要求，選定所需的標準件類型；標準件庫系統根據選定的標準件類型后臺自動調用相應的標準件模型，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，獲取用戶輸入的標準件參數，驅動生成符合設計要求的標準件。部分關鍵代碼如下：

CATDocumentServices：：OpenDocum ent（pFilePath，pDocument）；//在后臺打開標準件模型文件，其中pFilePath為模型文件的路徑，pDocum ent為模型文檔對象指針。

（CATIPrtContainer*）p InitOnDoc-＞GetRootContainer（“CATIPrtContainer”）；//獲取標準件模型的根容器，進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方法獲取參數接口。

piParm Publisher-＞GetAllChildren（“CATICkeParm”，PartParm List）；//CATIParm Publisher接口遍歷獲取模型的所有參數，再利用參數名稱的匹配篩選出用戶輸入參數，驅動生成新的標準件實例模型。

4.3基于位姿矩陣的快速裝配功能

為使零件可以在產品的絕對坐標系下進行移動，需要調用CAA-API的CATIMovable接口，它是管理移動對象的接口，可以在絕對坐標系下完成對物體的移動；位姿矩陣由CATMathTransformation類來表示的。首先通過交互方式得到標準件目標位置，存入 CATMathTransform ation類中，使用CATMathTransformation對象的GetCoef函數和SetCoef函數可以獲取和重置矩陣值，然后將得到的矩陣進行矩陣變換。關鍵代碼如下：

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，它可以得到并設置當前零件的位姿矩陣。

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

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

4.4應用實例

圖3為標準件系統界面圖，設計人員根據實際需要選取相應的標準件類型、相關參數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準件的建模。圖4為某型號飛機通用工裝標準件中快卸銷（HB31562-78）的應用效果示意圖。

圖3　標準件系統界面圖

圖4　實施效果

5　結束語

機械制造行業中，標準件的設計過程中存在著大量重復勞動，同時大量的標準件導致裝配工作量巨大，本文利用參數化建模設計和基于位姿矩陣的快速裝配技術，開發基于CATIA/CAA的標準件庫，將繁瑣的重復勞動利用代碼封裝起來，提高了設計效率和準確性。

［1］李原，彭培林，邵毅，等.基于 CATIA的標準件庫設計與實現［J］.計算機輔助設計與圖形學報，

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的飛機結構虛擬裝配信息模型研究［D］.南京：南京航空航天大學，2005.

（責任編輯：耿繼祥）

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

LIU Hanhua1，2
（1.Fuzhou University，Fuzhou 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。