基于CATIA CAA的電阻焊參數(shù)化建模

陳華偉 伍權(quán) 徐衛(wèi)平 湯耿

摘 要：汽車座椅產(chǎn)品焊接點和焊接類型多，焊接要求質(zhì)量高，商業(yè)CAD焊點工藝設(shè)計效率低，而且不滿足客戶化需求，亟需通過自定義開發(fā)實現(xiàn)自動化工藝設(shè)計。針對以上問題，基于對汽車座椅骨架電阻焊工藝參數(shù)和約束條件的分析，提出了以CATIA CAA用戶界面設(shè)計、自定義對象、參數(shù)驗證和實體創(chuàng)建為技術(shù)路線的焊點/縫建?？蚣?，然后針對螺母邊焊的焊點直徑計算、焊點中心至邊線距離計算展開了參數(shù)自動計算和驗證問題研究，最后通過CAA二次開發(fā)實現(xiàn)了汽車座椅骨架電阻焊工藝中的平板凸焊和螺母焊的參數(shù)化建模。結(jié)果表明，通過CATIA高級開發(fā)功能能夠?qū)崿F(xiàn)電阻焊自定義對象創(chuàng)建和工藝參數(shù)化管理，滿足高級客戶需求。CATIA CAA具有完整的用戶界面設(shè)計、對象擴展、幾何拓撲對象編輯功能，因而具有強大的自定義對象能力，能夠有效應用于成熟客戶。

關(guān)鍵詞：計算機輔助設(shè)計;CATIA CAA;電阻焊;自定義對象;參數(shù)化建模

中圖分類號：TP391.7;TG441 ?文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2019）04-0285-09

CATIA具有優(yōu)秀的曲面造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化功能，已廣泛應用于汽車、飛機、輪船等產(chǎn)品的設(shè)計，在規(guī)?；蛣?chuàng)新驅(qū)動下，企業(yè)要求在原有設(shè)計上開發(fā)更便利的功能，從而達到提升設(shè)計效率、提高設(shè)計創(chuàng)新能力的目的。因而，隨著應用的深入，CATIA二次開發(fā)功能也在汽車[1-3]、飛機[4-8]、輪船[9-10]等行業(yè)得以優(yōu)先實施。CATIA本身具有從低到高層次的二次開發(fā)模塊[11-13]，可以很好地滿足不同層次用戶的需求。其高級開發(fā)模塊CAA（component application architecture，組件應用架構(gòu)）需要付費購買，而且模塊中的開發(fā)包非常龐大，具有自成體系的開發(fā)架構(gòu)，普通開發(fā)者需要較長時間的訓練才能掌握其開發(fā)技巧，這也限制了CAA在復雜功能開發(fā)上的應用。

汽車和飛機及其配套產(chǎn)品中，焊點建模是很重要的設(shè)計內(nèi)容，焊點本身數(shù)量多，涉及的工藝參數(shù)和約束條件多，加之CATIA自帶的焊點建模功能很難符合企業(yè)標準和高級管理需求。因此，急需通過二次開發(fā)實現(xiàn)自定義的焊點建模，為焊點設(shè)計優(yōu)化和管理打下基礎(chǔ)。從研究文獻看，中國針對焊點的二次開發(fā)主要集中于焊接標注符號的自定義[14-17]，開發(fā)層次較低，使用CAA進行高級焊點建模功能開發(fā)的研究很少。對此，將針對汽車座椅骨架的焊接工藝需求，通過對CATIA CAA界面開發(fā)、對象擴展等功能開發(fā)，實現(xiàn)電阻焊三維實體建模。

1?電阻焊的焊接工藝參數(shù)

為了保證駕乘人員的舒適性，以及在正常行駛過程中和碰撞情況下的安全性，在汽車座椅骨架生產(chǎn)過程中人們對焊接質(zhì)量要求很高。在汽車座椅骨架焊接中使用電阻焊不僅可以有效提高焊接質(zhì)量，還有助于實現(xiàn)焊接機械化和自動化，提高生成效率。汽車座椅骨架零部件的電阻焊主要包括平板凸焊和螺母焊兩種，兩者工藝參數(shù)有所不同，焊點實體形狀不同。

1.1?平板凸焊

平板凸焊如圖1所示，圖中突起部位為圓柱形焊點實體，具有直徑[WTBX]d和融深h兩個參數(shù)，分別對應圓柱體的直徑和高度。平板凸焊的工藝參數(shù)及其約束條件見表1。

針對汽車座椅配套產(chǎn)品的焊接要求，表中焊點/縫基本符號和尺寸符號參考了GB/T 324—1988，參數(shù)約束條件參考了企業(yè)標準。

1.2??螺母焊

螺母焊又分為邊焊和環(huán)形焊，如圖2所示。

2?程序設(shè)計

電阻焊參數(shù)化設(shè)計[18]程序涉及CATIA CAA的實體對象創(chuàng)建、對象擴展和交互式界面等開發(fā)技術(shù)。

2.1?實體對象創(chuàng)建

電阻焊焊點/縫對象的創(chuàng)建主要由創(chuàng)成式外形建模GSM（generative shape moduler，GSM）和幾何建模器CGM（CATIA geometric modeler）完成。

GSM用于外形特征的創(chuàng)建和編輯，包括各種點線面體的創(chuàng)建和編輯命令，GSM編程實際是模擬了用戶的“可見即可得”的界面操作，其操作結(jié)果作為可見特征直接反應在CATIA的特征結(jié)構(gòu)樹上。

一些更底層的操作則需要用到CGM接口，例如數(shù)學運算、拓撲和幾何對象編輯等。CGM提供的幾何對象包GeometricObjects涵蓋了各種點Point（點、線上點、面上點等）、線Curve（直線、圓、樣條曲線、參數(shù)曲線等）、面Surface（平面、NURBS曲面、球面、圓環(huán)面等）基礎(chǔ)幾何類型的操作接口。CGM還提供了拓撲運算包TopologicalOperators，用于對幾何對象的拓撲操作，即對幾何對象進行空間邊界約束，約束后的幾何對象變?yōu)轫旤cVertex、邊Edge、面Face、體Volume，即0～3等4個維度的拓撲對象。圖4很好地說明了拓撲對象和幾何對象之間的關(guān)系，圖中Surface1，Surface2以及Curve1是幾何對象，它們對應的拓撲對象是Face1，F(xiàn)ace2和Edge12。

2.2?對象擴展

如果將CATIA文檔（CATPart，CATProduct文件）視為根特征，則該特征又分解為各種Container（容器）特征。CATIA采用容器進行特征管理，容器提供相關(guān)各類工廠Factory的接口，用于特征的創(chuàng)建和擴展，例如MechanicalFeature容器提供了CATISketchFactory，CATIPrtFactory和CATICstFactory分別用于創(chuàng)建草圖特征、結(jié)構(gòu)特征和約束特征。

特征還可細分出子特征，從而形成特征結(jié)構(gòu)樹，各特征都有相應的編程接口，特征及其接口均遵循繼承性設(shè)計原則[19]。例如MechanicalFeature特征下的子特征MechanicalPart，HybridBody，GSMTool，Sketch及其對應的特征操作接口。

CATIA固有功能及其在對象擴展方面充分發(fā)揚了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，它采用接口-實現(xiàn)（Interface-Implementation，Ⅱ）模式進行對象擴展。CATIA的所有對象在工廠中創(chuàng)建，因此需要使用工廠對Ⅱ?qū)ο筮M行再封裝。工廠中主要完成對象創(chuàng)建及返回對象接口指針的任務。

2.3?交互式界面

CATIA中集成了自定義的交互式應用開發(fā)工具[20]，可進行Workshop（總菜單或工具條）、Workbench（設(shè)計平臺）和Addin（插件）3個層面的界面開發(fā)，并最終落腳為Addin的功能開發(fā)。

一般情況下，Addin調(diào)用對話框Dialog資源，響應Dialog的命令Command，因而交互式界面開發(fā)的核心是Command。Command一般設(shè)計成基于狀態(tài)的，旨在管理對話框中的交互式輸入，基于狀態(tài)的命令使用Agent獲取用戶操作的事件和選擇的對象，使用狀態(tài)機State Machine管理用戶的輸入過程。Command框架程序中已重載了BuildGraph方法，用于狀態(tài)機的定義和操作。

此外，CATIA還使用CATNls和CATRsc兩種文件對圖標和文本資源進行預定義，并支持資源的多語言定義。

2.4?程序框架

遵循CAA的開發(fā)思路，針對電阻焊的工藝管理需求進行程序設(shè)計，設(shè)計流程如圖5。

其設(shè)計要點如下：

1）電阻焊的焊點屬性（參數(shù)）在Catalog中定義。

2）焊點對象和接口使用Ⅱ-Factory機制進行自定義。

3）用戶界面使用Addin-Dialog-Command機制展開設(shè)計。

4）通過自定義函數(shù)對用戶界面輸入的焊點參數(shù)進行計算和驗證。

該功能在Command響應對話框OK消息時調(diào)用。驗證通過，則生成焊點對象，并創(chuàng)建焊點實體，否則，退出創(chuàng)建。

5）通過繼承焊點對象的CATIBuild接口生成三維焊點實體。

該功能根據(jù)驗證通過的焊點參數(shù)，調(diào)用CGM畫圖接口畫出焊點實體。其中平板凸焊的焊點為圓柱體，螺母焊邊焊的焊點為橢球體，螺母焊環(huán)形焊的焊縫為圓環(huán)體（見圖1和圖2）。

3?參數(shù)計算

為了減少用戶交互次數(shù)，用戶界面中應只提供必要的參數(shù)入口，可計算獲取的參數(shù)應盡可能地由程序完成。

3.1?螺母焊邊焊的焊點直徑計算

螺母焊邊焊生成橢球體焊點，焊點直徑是根據(jù)用戶選擇的焊接參考邊確定的，焊接參考邊可為直線或者曲線，如圖6所示。

針對焊接參考邊為直線和曲線的情況，應分別制定焊點中心[WTBX]Pt和直徑d的計算規(guī)則。當參考邊為直線時，Pt為直線中點，d為直線長度;為圓和優(yōu)弧時，Pt為圓心，d為直徑;為劣弧或一般曲線時，Pt為曲線中點，d為曲線兩端點的直線距離。

3.2?焊點中心至邊線距離L1的計算

參數(shù)L1是焊點中心至Part1和Part2最近邊線的距離，該參數(shù)有L1≥3+d/2的約束，旨在保證焊點不會過于靠近零件邊緣。該參數(shù)計算中，應注意以下3種情況。

1）Case1：同心圓

如圖7 a）中螺母與平板焊接，平板正對螺母內(nèi)孔已開孔，平板孔直徑與螺母內(nèi)孔直徑相等。該實例下焊點本應是正確的，但是顯然因無法滿足[WTBX]L1條件，而無法正確創(chuàng)建，為了規(guī)避該約束，則必須過濾掉平板上與螺母軸線同心的開孔圓。

首先通過垂直投影，獲得焊點至平板立體表面的法向。由于誤差或用戶操作問題，用戶選擇的焊點有可能在平板的外部或內(nèi)部，如圖8所示。計算[WTBX]Pt0在Face1和Face2上的[WTBX]投影點PtProj1和PtProj2，計算法向n1=Pt0-PtProj1，n2=Pt0-PtProj2。顯然投影法無法直接判斷法向的朝向，CATIA提供了CATCreatePositionPtVolOperator拓撲運算函數(shù)計算點與立體的相對位置，進而對法向進行調(diào)整，保證法向朝向體外，圖8中顯示的n1，n2均為校正后的法向。

2）Case2：圓角

如圖7 b）中，平板凸焊的焊點倒有圓角，如果按照Case1處理，則仍然報L1參數(shù)錯誤。一般焊點圓角半徑小于0.5 mm，因此，對同心圓弧可以通過給定容差，以保證小半徑圓角也能夠正常通過參數(shù)驗證。修改后的同心弧約束條件是：rc≤r0+0.5。

3）Case3：邊線的拓撲約束

在焊點中心（軸線）與邊線距離計算時，還應注意拓撲和幾何對象的差異。圖9 a）中使用的邊線為拓撲對象，具有起點和終點約束，因此能正確計算出焊點中心軸線至邊線終點為最近距離，距離值為10.951 mm;但是圖9 b）中使用了邊線的幾何對象，即邊線的無限延長線，因而計算的是焊點軸線至邊線直線的空間距離，距離值為3.46 mm，是錯誤的計算。

4?開發(fā)與實現(xiàn)

在CATIA產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境下，使用CAA二次開發(fā)實現(xiàn)了電阻焊參數(shù)化設(shè)計功能。電阻焊包含的平板凸焊和螺母凸焊輸入?yún)?shù)基本相同，可以統(tǒng)一至一個界面，如圖10所示。

電阻焊界面中，實體選項限制了用戶只能選入兩個焊接母體;電極直徑是翻邊距離參數(shù)L4的約束（見表1）;環(huán)形勾選項用于控制是否創(chuàng)建螺母焊環(huán)形焊縫;圓/線是焊點/縫的位置線，平板凸焊中可選擇線或者圓，螺母焊邊焊時可選擇直線或曲線（見圖2 a）、圖6），環(huán)形焊時可選擇圓或圓?。ㄒ妶D2 b）），而且當環(huán)形選項勾選時，程序限定此處只能選擇圓或圓弧;內(nèi)圓選項在螺母焊時啟用，用于確定螺母軸線，并用于規(guī)避L1約束條件計算（見3.2節(jié)Case1）;投影參考是焊點的附著面;翻邊參考用于選擇翻邊面上的一條邊線（直線或曲線），用于L4計算。

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