基于Catia的模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)的開發(fā)與應(yīng)用

汪永輝

(上汽大眾汽車有限公司，上海，201800)

引言

汽車研發(fā)過程中，經(jīng)常會(huì)制造各類模型，如前期的風(fēng)洞模型，人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑸史桨刚故灸Ｐ?、?shù)據(jù)控制模型等等，雖然這類模型的用途不同，精度也不同，但是在設(shè)計(jì)過程中都采用一面兩銷的定位方式，類似汽車零件中的RPS設(shè)計(jì)思路，因此會(huì)經(jīng)常用到各類標(biāo)準(zhǔn)件，那么如何在設(shè)計(jì)過程中高效運(yùn)用這些標(biāo)準(zhǔn)零件呢？

1 模型標(biāo)準(zhǔn)零件的類型及使用分析

在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)建立之前，我們需要收集模型中用到的標(biāo)準(zhǔn)件種類，對(duì)于這些常見的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行分別的統(tǒng)計(jì)。

1.1 模型中標(biāo)準(zhǔn)零件的類型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件的用途不同，一般可以分為定位類、緊固類、調(diào)整類、導(dǎo)向類、運(yùn)輸類。

定位類標(biāo)準(zhǔn)件，一般指的是對(duì)于零件的位置起到主導(dǎo)作用的標(biāo)準(zhǔn)件，如定位銷子、定位銷套；

緊固類標(biāo)準(zhǔn)件，一般是用于固定零件位置的，防止在匹配過程或者運(yùn)輸過程中，零件位置產(chǎn)生偏移情況的，如螺紋套、螺釘、螺栓等；

調(diào)整類標(biāo)準(zhǔn)件，在高精度模型中，單件精度和總成精度都有嚴(yán)格的要求，因此在總成裝配情況下，經(jīng)常需要對(duì)零件的位置進(jìn)行調(diào)整，而且部分零件由于加工時(shí)候精度誤差問題，也需要在主模型上調(diào)整。調(diào)整類的主要有偏心銷子、偏心銷套、墊片等組成。

導(dǎo)向類標(biāo)準(zhǔn)件，針對(duì)大型零件的安裝，一般采用直線軸承方式進(jìn)行導(dǎo)向，可以大幅減小模型工勞動(dòng)強(qiáng)度，導(dǎo)向類一般由軸承、導(dǎo)向套、導(dǎo)向桿等組成。

運(yùn)輸類，這些標(biāo)準(zhǔn)件主要是由于模型制造場(chǎng)地與驗(yàn)收?qǐng)龅亟?jīng)常是不一致，因此模型運(yùn)輸過程中需要用到這類標(biāo)準(zhǔn)件，如萬(wàn)向輪，吊鉤等

1.2 標(biāo)準(zhǔn)件在模型中的使用分析

針對(duì)上述一系列的標(biāo)準(zhǔn)件，需要提前對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)件的使用方式進(jìn)行詳細(xì)的分析及提取[1]，目的是方便后續(xù)在Catia中減少開發(fā)冗余環(huán)節(jié)，也使得標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)在使用過程更加便捷。

傳統(tǒng)汽車零件一般采用定位柱和卡扣的方式，尤其內(nèi)飾零件。如圖1所示，這樣的好處成本低、適合拆卸、設(shè)計(jì)靈活。但是模型零件的精度要求相對(duì)較高，而且通常是銑削加工而成的，不適用該結(jié)構(gòu)。

圖1 汽車零件定位與緊固示意

模型零件一般采用更加穩(wěn)健的機(jī)械定位及緊固方式，如圖2所示，零件1與零件2之間以安裝面接觸，定位方式是兩個(gè)銷子，緊固方式采用四個(gè)螺栓，優(yōu)點(diǎn)是在反復(fù)拆件調(diào)整過程中，零件1與零件2的相對(duì)位置能夠保持不變，從而使得整個(gè)模型中的零件總成精度在可控范圍之內(nèi)。因此從圖2中不難得出，模型零件的定位與緊固主要由安裝平面、定位點(diǎn)或緊固點(diǎn)及安裝方向組成，如果模型標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)包含上述基本要素，就能夠在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中方便使用。

圖2 零件1與零件2安裝示意

2 Catia中標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)的建立

Catia三維設(shè)計(jì)軟件是由達(dá)索公司開發(fā)的一款用途非常廣泛的設(shè)計(jì)軟件，特別是在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用。它集成了部分知識(shí)工程，用戶可以結(jié)合自身產(chǎn)品的特性來(lái)組建合適的零件庫(kù)。

2.1 Catia中catalog功能介紹

在Catia軟件中有知識(shí)工程模板，其中包含了Powercopy功能，即超級(jí)副本，如圖3所示，使用人員能夠很方便的將自己想要的參數(shù)輸入到這個(gè)里面，主要包含超級(jí)副本的名字、輸入元素，參數(shù)、相關(guān)文檔等。其中輸入元素指的是點(diǎn)、線、面等幾何元素，而參數(shù)是指零件長(zhǎng)、寬、高等具體尺寸參數(shù)，文檔可以是零件的一種補(bǔ)充說明。

圖3 Catia中Powercopy功能示意

2.2 標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中模板建立

針對(duì)模型零件中的標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)合上述超級(jí)副本功能，可以進(jìn)行模板的建立。以螺紋沉孔為例解釋模板的建立過程。

（1）螺紋沉頭孔的主要參數(shù)如圖4 所示，沉頭孔的起始數(shù)據(jù)面，終止數(shù)據(jù)面，孔的位置(即在起始面上的點(diǎn))，孔的方向。這四個(gè)參數(shù)是在今后引用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)零件必備參數(shù)，因此這些參數(shù)必須是相互獨(dú)立的，之間完全沒有直接或者間接的引用關(guān)系，否則在后期建立零件庫(kù)是容易報(bào)錯(cuò)。通過選擇這四個(gè)參數(shù)后，在新的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，緊固位置即可完成螺紋沉孔的設(shè)計(jì)。

圖4 螺紋沉孔初始參數(shù)

（2）以定位點(diǎn)做沉孔方向的法平面，以此平面構(gòu)建螺釘沉孔的草圖1(沉頭孔的大小根據(jù)螺栓頭來(lái)定，可以設(shè)定為參數(shù) 1)，并投影到初始平面上，做投影對(duì)象沿安裝方向的極值點(diǎn)，并作安裝方向過這點(diǎn)的法平面，并偏置一定距離(偏置大小為沉頭孔的深度，可以設(shè)定為參數(shù)2)。以之前投影對(duì)象安裝方向拉伸，并終止于偏置平面，在偏置平面上構(gòu)建螺紋過孔草圖2，并以安裝方向拉伸到終止面，最終完成螺紋沉頭孔模板3D數(shù)據(jù)。圖5所示，為以上建立過程中的具體步驟圖示解釋。圖6為最終沉孔模板完成后的狀態(tài)。

圖5 沉孔標(biāo)準(zhǔn)件模板示意

圖6 螺紋沉孔示意

2.3 模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)的建立

分別提取定位類、緊固類、調(diào)整類、導(dǎo)向類、運(yùn)輸類等標(biāo)準(zhǔn)件的使用過程中的參數(shù)，根據(jù)上述模板建立的方式，建立一系列的標(biāo)準(zhǔn)件模板。

因?yàn)椴煌臉?biāo)準(zhǔn)件，具體的參數(shù)不一樣。關(guān)于參數(shù)的更改，在Catia中提供了設(shè)計(jì)表(Design Table)批量輸入零件參數(shù)[2-3]，最后完成整個(gè)模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的建立，如圖7所示，包含了銷子、銷套、螺紋套、螺栓、導(dǎo)向等一系列常用標(biāo)準(zhǔn)件，在模型零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)候可以方便的調(diào)用，大大提高了零件設(shè)計(jì)效率。

圖7 模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)

3 模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)的應(yīng)用

模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)的建立使得模型設(shè)計(jì)的效率大幅度的提升。在以往的模型設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常需要查詢各類標(biāo)準(zhǔn)零件參數(shù)，并繪制到實(shí)際數(shù)模中，如果設(shè)計(jì)零件多，手工輸入方式不但效率地，還容易出錯(cuò)。通過模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)，可以通過直接選擇類型，并通過幾何元素的選擇來(lái)完成上述步驟，十分的便捷。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)在人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膽?yīng)用

在汽車研發(fā)過程的人體工程,就是以人(駕駛員、乘客) 為中心,研究車身設(shè)計(jì)(包括布置和設(shè)備等) 如何適應(yīng)人的需要,創(chuàng)造一個(gè)舒適的、操縱輕便的、可靠的駕駛環(huán)境和乘坐環(huán)境,即設(shè)計(jì)一個(gè)最佳的人-車-環(huán)境系統(tǒng)。在新車型的開發(fā)過程中離不開人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這類模型能夠讓開發(fā)人員直觀感受到各種人機(jī)交互，從而使得產(chǎn)品更加符合客戶的需求。

圖8所示，為典型人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械牡装褰Y(jié)構(gòu)，圖示為前排座椅安裝的拆件位置，為了節(jié)約制造成本，底板一般采用低密度的聚氨酯代木，而座椅在評(píng)價(jià)過程中會(huì)前后調(diào)節(jié)，因此受到一定的沖擊力，低密度代木無(wú)法承受這樣的沖擊，故作了拆件處理，拆件采用更高密度聚氨酯代木。在底板上會(huì)布置很多圖示中的銷套孔及螺紋套孔，當(dāng)確定了孔位置及零件安裝方向后，可以選擇使用標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)[4]。

以圖9中的銷套孔為例，在模型零件中建立安裝面，選擇好銷孔的位置，一般銷孔需要涵蓋整個(gè)零件，采取對(duì)角線分布，這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)于零件的定位效果較好。零件的安裝方向確定，像底板類的零件一般為車身坐標(biāo)Z向向下安裝。首先打開模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)，選擇銷套類的標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)零件的大小規(guī)格選擇銷套的規(guī)格，如圖示9采用了D8-D12的銷套規(guī)格，因此在標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)中即可選擇該類型，打開后呈現(xiàn)圖9對(duì)話框。具體操作步驟如下：

（1）選擇銷套孔的安裝方向，一般是指向安裝平面上的定位點(diǎn)，如果自動(dòng)選擇方向不正確，可以通過手動(dòng)調(diào)整；

（2）選擇零件的定位點(diǎn)，即今后銷套安裝的實(shí)際位置。定位點(diǎn)應(yīng)該與零件邊界保持一定的距離，否則容易在鑲嵌銷套時(shí)候使得零件開裂；

（3）選擇銷套孔的安裝面；

通過以上步驟，可以實(shí)現(xiàn)底板上所有孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如果底板上的孔位較多，通過模型標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)能夠的運(yùn)用不但能夠提升設(shè)計(jì)效率，而且能夠減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的發(fā)生。

圖8 人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ筒糠值装褰Y(jié)構(gòu)

圖9 標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)中銷套孔使用過程

3.2 標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)在數(shù)據(jù)控制模型中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)控制模型(德語(yǔ)簡(jiǎn)稱為DKM-Daten Kontroll Modell)[5]，根據(jù)光順數(shù)據(jù)制造出與數(shù)據(jù)相適應(yīng)的，用聚氨酯材料加工而成的實(shí)體物理模型，其中所有單件都是拆件制作。通過對(duì)實(shí)體物理模型的評(píng)價(jià)，最終對(duì)CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)驗(yàn)證。該模型對(duì)于零件直接的各種縫隙要求極高，必須嚴(yán)格按照CAD數(shù)據(jù)制造,表面質(zhì)量要求在平行燈光反射下均勻，單件及總成都經(jīng)過激光測(cè)量?jī)x的嚴(yán)格測(cè)量，單件制造精度為±0.15mm, 局部模型總成制造精度為±0.25mm，整車模型總成制造精度為±0.4mm）[6]。

如圖10 所示，為DKM中典型的前蓋零件結(jié)構(gòu)。包含安裝面、安裝點(diǎn)、定位點(diǎn)、導(dǎo)向位置等，由于該模型精度高，因此在設(shè)計(jì)時(shí)候一般會(huì)在零件和安裝面之間預(yù)留一定的調(diào)整間隙，用于安裝方向的調(diào)整，而前蓋在 X、Y方向的調(diào)整一般是通過偏心銷套或者偏心銷進(jìn)行調(diào)整。前蓋上的定位孔位置一般成百對(duì)稱布置，便于后期零件加工，螺紋孔均勻分布零件的安裝面上，具體的標(biāo)準(zhǔn)零件使用步驟與人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨?，選定安裝方向、選擇定位點(diǎn)，最后確定安裝面，如圖11所示，為前蓋在設(shè)計(jì)過程中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)的使用過程。

圖10 DKM中典型前蓋結(jié)構(gòu)

圖11 前蓋使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)過程

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的使用極大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程中人工輸入?yún)?shù)的設(shè)計(jì)過程，只需要選擇固定的幾何元素便可以方便的完成模型零件的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車研發(fā)過程中需要制造各類物理模型用于檢驗(yàn)零件結(jié)構(gòu)或者造型數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些模型中標(biāo)準(zhǔn)件使用的分析，提取其共同參數(shù)，建立模型專用標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)，極大的提高了設(shè)計(jì)效率，降低了錯(cuò)誤率，并在人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)據(jù)控制模型中進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，為后續(xù)汽車各類模型設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]李慧.探究基于 CATIA 的結(jié)構(gòu)類標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)設(shè)計(jì)與運(yùn)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2017, (26): 98-100.

[2]杜寶江.鄭飛飛, 等.CATIA 標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)的開發(fā).電子科技[J].2017, (9):34-41.

[3]沈衛(wèi)東, 林芳.柔性人機(jī)工程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖灾餮邪l(fā)與制造[J].汽車工程師, 2006, (7): 11-14.

[4]沈燕輝, 鄒凌華, 等.基于CATIA標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)建立[J].汽車工程師, 2012, (9): 53-55.

[5]沈衛(wèi)東.數(shù)據(jù)控制模型[J].上海汽車, 2001, (12): 28-30.

[6]沈衛(wèi)東, 顧力強(qiáng).CAD／CAM與制造業(yè)信息化, 2006, (9): 32-35.