基于CATIA的CAD/CAT系統集成方法研究*

高慧芳 楊建新 王君英 馬文新

（①北京工業大學機電學院，北京100124;②清華大學精密儀器與機械學系，北京100084;③第二炮兵裝備研究院第四研究所，北京 100085）

公差是零件尺寸和幾何參數的允許變動量，協調著機械裝置的工作性能與制造成本經濟性之間的關系，是機械產品設計和制造的重要技術指標［1］。國際標準化組織（ISO）制定的新一代產品幾何技術規范（GPS）標準［2］及其對應的美國 ASME Y14.5 －2009 標準［3］提出了在設計圖紙上描述公差信息的形式化語言，但是這些標準并沒有給出如何進行產品公差設計的原理性方法。

采用計算機輔助公差設計（CAT）技術確定產品幾何技術規范，不僅能夠提高產品質量，對降低產品制造成本也起著決定性的作用［4］。早期的CAT技術主要研究一維和二維方向上的尺寸公差問題，但隨著零件幾何加工精度的逐步提高，原有的尺寸公差鏈的研究越來越不能滿足日趨嚴格的產品幾何質量要求，因此對于三維公差設計理論的研究是非常必要的。目前，國內外學者在這方面做了大量的研究并取得一定的成果，O.W.Salomon［5］等人開發的 FROOM 模塊化系統基于TTRS理論自動生成零件的幾何規范，利用旋量進行公差分析;B.Anselmetti［6］指出設計人員需要分析裝配連接形式得到產品的幾何功能要求;國內學者胡潔［7］等人將基本互參考變動幾何約束劃分成27類，建立了基于三維CAD系統的計算機輔助尺寸公差和形位公差綜合設計的總體框架與原型系統。

傳統的產品設計主要依靠表格式公差標準和實際工作經驗來選擇和分配公差，設計人員的經驗直接影響產品的設計質量。因此，產品的最佳公差設計往往必須經過樣品試制過程中的不斷修改和完善才能得到，從而導致產品設計周期長、成本高。產品三維數據模型中必須包含產品的尺寸和公差信息，本文將從CAT系統和CATIA V5集成的角度出發，研究零件定位特征的識別以及公差規范的自動標注方法。

1 CATIA V5與CAT系統的集成方案設計

CATIA V5是法國Dassault Systemes公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件，廣泛應用于汽車、航空航天、船舶制造和能源等制造領域，其FT＆A（功能公差和標注）工作臺用特定的幾何尺寸和公差編輯器進行句法分析，設計人員選定基準要素和規范要素后會顯示符合選擇要素的公差類型。計算機輔助公差設計（CAT）系統主要包括公差規范、公差分析和公差綜合3大功能模塊。公差規范是指確定被規范特征的公差類型、公差值及基準，實現公差自動規范會大幅提高設計人員的工作效率;公差分析是指根據己知尺寸鏈中各組成環公差，確定最終裝配后所要保證的封閉環公差，是設計與制造高質量產品的關鍵一步;公差綜合是指在保證產品裝配技術要求下規定各組成環尺寸經濟合理的公差，是從制造和檢測角度對公差設計進行優化和補充。下面是CATIA V5與CAT系統集成的3個步驟:

（1）以CATIA V5為工作平臺，采用Automation（自動化）技術，選擇需要定義規范的功能表面，實現定位特征類型的識別和表面幾何要素信息的提取，將這些信息存儲在Excel表格中;

（2）CAT系統實現公差規范、公差分析以及公差優化，將規范結果存儲在Excel表格中;

（3）在CATIA V5中自動生成定義在各定位特征上的公差規范，包括基準、基準參考框架、公差類型、公差值和實體要求等。

具體的集成方案如圖1所示。

2 幾何要素信息提取與零件定位特征識別

常用的零件定位特征分為單一定位特征和復合定位特征，其中單一定位特征只包含1個幾何要素，復合定位特征由多個單一幾何要素按照特定的位置關系組合而成。下面先介紹單一幾何要素的分類及信息提取方法，然后以平面和圓柱面為例介紹復合定位特征的識別方法。

2.1 單一幾何要素的類型及信息提取

在新一代產品幾何技術規范中，將單一幾何要素分為7個恒定類:柱面（CT）、回轉面（CR）、螺旋面（CH）、圓柱面（CC）、平面（CP）、球面（CS）和復合面（CX），這是要素的7個基本類型［8］。采用CATIA V5的Automation技術，通過Measurable（測量）對象可以獲得被測幾何要素的信息，根據其GeometryName（幾何要素名稱）方法的返回值判斷要素的類型。

識別出功能表面的幾何類型后，可以提取要素信息。不同類型功能表面提取的特征信息不同。例如平面需要提取法向量n和該平面內的1個點坐標p;圓柱需要提取圓柱的軸線向量，垂直于軸線的向量以及與這2個向量都垂直的向量，同時還可以獲得上底面和下底面的中心坐標。表1列出了幾種單一幾何要素的提取信息:

為了判斷選擇的圓柱面屬于孔還是軸，需要在半徑為r1的圓柱上添加1個半徑為r2的偏置圓柱，如果r2＜r1，則此圓柱為孔，反之為軸。

2.2 復合定位特征的類型和識別

復合定位特征由2個或者2個以上的單一幾何要素組成。當組成復合定位特征的單一幾何要素數量相同但位置關系不同時，組成的復合定位特征類型也不同，即復合定位特征的類型不僅取決于組成幾何要素的數量，還取決于各要素之間的幾何關系。這里以平面和圓柱為例說明。

根據組成特征的幾何關系，包含2個平面特征的復合定位特征可以分為平行平面、共面平面以及對稱平行平面3種，包含2個圓柱特征的復合定位特征可以分為同軸圓柱和圓柱組2種。具體的幾何關系及圖示見表2。

實現了特征類型的識別和表面信息的提取之后，采用Automation技術將這些信息存儲在Excel表格中。

3 三維公差自動標注

在產品公差設計過程中，公差規范的標注是十分繁瑣但又非常重要的。特別是在三維CAD模型上進行公差標注，費時費力且容易出錯。因此，實現三維公差的自動標注不僅可以縮短設計時間，還可以為后續的二維繪圖和工藝設計奠定基礎。對于產品的三維幾何模型，通過查詢CAT系統的生成結果，得到需要在各功能表面上定義的公差規范數據后，可以實現尺寸公差和幾何公差的自動標注。

3.1 創建Usersurface（用戶表面）

在CATIA V5中，創建公差規范和提取表面信息不同，表面信息提取是在功能表面上建立參考元素，從參考元素上提取信息;而公差規范則需要在參考元素上建立對應的Usersurface，然后在Usersurface上進行標注。

Usersurface的建立以Clement等人提出的TTRS理論［9］為基礎。該理論有2個重要概念:TTRS（與技術和拓撲相關的表面）是指同一實體上由于技術上（工程方面）或拓撲上（幾何方面）的需求而彼此相互聯系的表面組合;MGDE（最小幾何基準要素）是指能夠確定相應功能表面恒定類的參考點、參考線或參考面的最小集合。公差可以表示為各TTRS基本面的本質特性變動及其MGRE之間的方位特性變動，在CAD系統中層次式地表示出公差信息。單一表面彼此相互聯系可以形成復合TTRS;多個TTRS也可再次聯系組合成新的TTRS。

1個幾何要素只需要建立單一的Usersurface，多個幾何要素需要建立復合的Usersurface來確定要素之間的幾何關系。幾何要素的數目不同，建立Usersurface的方式也不同。例如:如果要規范包含2個單一幾何要素的復合定位特征，需要先分別建立2個要素各自的Usersurface，然后再建立這2個Usersurface共同的Usersurface。圖2分別表示了包含2個和4個平面要素的復合定位特征建立Usersurface的過程。

3.2 功能公差標注對象模型

公差規范在CATIA V5中的FT＆A工作臺中生成。建立Usersurface后，根據CAT系統保存在Excel中的公差規范信息自動在三維CAD模型上進行公差標注［10］，其對象層次結構如圖3所示。

建立1個零件文檔時，會自動生成1個零件對象，它是零件結構的根對象。標注總集對象包含了多個標注集合。標注集合對象為實體提供了產品幾何技術產品規范的集合，將生成規范的各種方法統一集成在1個標注工廠對象中。在CATIA V5平臺中，用標注工廠對象創建標注內容主要有以下幾個方面:

（1）生成基準 在進行公差規范之前應該先生成基準。選定作為基準的要素后，利用標注工廠對象的CreateDatum方法創建基準。

（2）生成基準參考框架 選定基準后，用Create-DatumReferenceFrame方法建立基準參考框架，用Set-Frame方法生成基準名稱。

（3）生成尺寸和幾何公差規范 用標注工廠的CreateSemanticDimension方法可以創建尺寸標注，并用PutLimits定義尺寸的上下極限值;用CreateTolerance-WithDRF方法可以創建有基準的幾何公差，用Create-ToleranceWithoutDRF方法創建無基準的幾何公差;設置標注的Form和Value屬性可以分別定義公差帶的形狀和公差值大小;用注解方法可以創建公差或者基準參考框架體系的實體要求。

（4）生成視圖 采用視圖方法不僅可以規范三維標注，還可以很方便地轉換為二維圖紙。視圖分為正視圖、截面視圖、剖面視圖3類。1個視圖中可以創建多個標注，每個標注應該遵從以下原則:

表3 要素的提取信息

①規范圓柱或者同軸圓柱特征時，需要創建通過軸線的橫截面視圖;

②規范平面特征時，需要創建一個垂直于規范平面的視圖;

③規范一系列平行孔特征時，需要創建垂直于孔軸線的正視圖。

按照以上步驟就可以實現零件的三維自動公差標注。

4 實例

下面以一零件為例說明用CATIA V5和CAT系統集成的方法實現自動公差規范。如圖4所示，首先選擇要規范的要素，零件中需要進行規范的幾何要素包括2個圓柱（圓柱1和圓柱2），3個平面（平面1、平面2和平面3）。以3個平面為基準（基準A、基準B和基準C）組成零件的基準參考框架體系，確定圓柱的位置。這些特征的規范信息保存在Excel中，表3和表4分別是規范特征的提取信息和規范信息。最后將表格中的規范信息反映在零件上，自動實現三維公差標注。圖5顯示了規范后的基準、平面度、圓柱直徑、垂直度和位置度等公差信息。

規范結果在圖5的CATIA目錄樹中對應相應的規范名稱。這些規范都在正視圖2中建立，平面1、平面2、平面3的形狀公差規范名稱分別為:平面度.1、垂直度.1、垂直度.2，基準規范名稱分別為:簡單基準.1、簡單基準.2和簡單基準.3。圓柱1和圓柱2的幾何公差規范名稱為位置度.1，尺寸公差規范名稱為線性公差.1。基準A、B形成基準參考系3.A|B，基準A、B、C形成基準參考系5.A|B|C。規范內容見表4。

表4 要素規范信息

5 結語

本文通過CATIA V5與CAT系統集成的方法，將存儲在Excel中的要素提取信息進行規范，實現了常見零件定位特征的自動公差規范。這種方法為實際生產中設計人員進行單個零件的公差規范提供了很好的解決方法。與以往依賴于設計人員經驗的公差規范方法相比，這種方法更簡單、方便，實例的結果證明了該方法的正確性和可行性。本文采用VBA技術實現，與CAA技術相比，更易掌握和實現，但由于CATIA V5提供的應用程序編程接口的限制，目前還不能進行螺紋特征的公差標注。

［1］吳昭同.計算機輔助公差優化設計［M］.杭州:浙江大學出版社，1999.

［2］蔣向前.新一代GPS標準理論與應用［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［3］ASME Y14.5.Dimensioning and tolerancing［S］.The American Society of Mechanical Engineers，NY，2009.

［4］吳昭同.現代質量工程中幾個重要問題的研究進展［J］.工程設計，2000（4）:l－4.

［5］Salomons O W，Jonge Poerink H J，Haalboom F J，et al.A computer aided tolerancing tool I:Tolerance specification［J］.Computers in Industry，1996，31（2）:161 －174.

［6］Anselmetti B，Mejbri H，Mawussi K.Functional tolerancing of complex mechanisms:identification and specification of key parts［J］.Computers and Industrial Engineering，2005，49（2）:241 －265.

［7］胡潔，熊光楞，吳昭同.基于變動幾何約束網絡的公差設計研究［J］.中國機械工程，2003，39（5）:20－26.

［8］Clement A，Valade C，Riviere A.The TTRSs:13 oriented constraints for dimensioning，tolerancing and inspection［C］.Proceedings of Euroconference:Advanced Mathematical Tools in Metrology III.Berlin，Germany，1996:24－42.

［9］徐旭松.基于新一代GPS的功能公差設計理論與方法研究［D］.杭州:浙江大學，2008.

［10］Anselmetti B，Chavanne R，Yang Jianxin，et al.Quick GPS:A new CAT system for single － part tolerancing［J］.Computer Aided Design，2010，42（9）:768 －780.