基于CATIA的汽車焊裝夾具專用設計模塊研究

朱立達，張小麗

ZHU Li-da1,2, ZHANG Xiao-li1

（1.吉林工業職業技術學院 化工機械系，吉林 132013；2.吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130022）

0 引言

汽車車身通常由300～500件具有復雜曲面形狀的薄壁類零件裝配焊裝而成[1]，焊裝質量好壞直接影響著整車的質量，因此，焊裝工藝成為汽車生產的四大核心工藝之一。焊裝夾具的設計與制造是保證車身焊裝工藝質量的重要裝備之一，是降低成本、提高生產效率、降低勞動強度的重要手段，其設計制造速度成為汽車制造業快速響應市場的重要條件之一[2]，隨著焊裝自動化程度及精度的提高，對焊裝夾具的設計制造的要求也越來越高。為了使新車型開發并行進行，汽車制造類企業通常將夾具設計制造部分外包給專門的設計公司，因而如何實現焊裝夾具的高效設計成為車身研究工程的方向之一。目前，國內針對焊裝夾具研究較廣泛的方法是建立參數化零件庫，并取得了一定成績，如四川大學、新疆大學、江蘇科技大學的科研工作們均研究了零件庫的設計[3～6]，但采用上述方法出現的問題是數據量較大、查找不便、多針對標準件、管理復雜等，且沒有考慮零件屬性添加問題后續編制明細表工作量依舊很大。本課題研究主要針對上述問題，利用CATIA在汽車焊裝夾具設計領域應用廣泛的特點，以CATIAV5R20為平臺，以VB6.0（Visual Basic）為開發環境，以Access2007（需要將數據庫文件存為.mdb類型）構建數據庫，開發一個實用的汽車焊裝夾具專用設計模塊，實現零件快速設計、屬性自動添加，實現零件參數及屬性的增、刪、改、查的汽車焊裝夾具設計專用模塊。

1 汽車焊裝夾具的結構組成及設計特點

1.1 結構組成

雖然焊裝夾具的種類多樣，但其結構卻大同小異，通常由底板、定位模塊、夾緊模塊、及輔助系統組成。其中底板是整個夾具的基體，主要起支撐作用，底板的制造精度直接影響著整個夾具的精度，因此其形位公差和表面粗糙度要求都表為嚴格，常設計成槽系或孔系結構。定位模塊、夾緊模塊是夾具的核心組成部分，定位模塊設計時除滿足定位精度外還需考慮剛度、硬度、可調性、維修性、尺寸的標準化、尺寸系列化等問題。常用的夾緊模塊因結構區別可以將其分為單純支撐夾緊型、有定位銷型、有夾緊無支撐型、有支撐無夾緊型及雙極夾緊類型等，其中前三種較為常用。夾緊模塊設計除滿足夾緊力的要求外還需具備結構簡單、高效、自動化程度高、安全可靠及可操作性強等特點，目前夾緊模塊在企業流水線中氣動夾緊應用最為廣泛。每個氣動夾緊單元通常包括角座（L座）、連接板（型板）、銷軸、定位銷、支撐塊、夾緊塊、夾緊臂、銷子塊、限位塊、擋塊、氣缸等。輔助系統則主要實現夾緊的旋轉、翻轉、移動的功能，在夾具的應用中也起到非常重要的作用。

1.2 設計特點

汽車焊裝夾具結構復雜，體積龐大，為了便于設計、制造、維修和檢測，通常將其以模塊化的是形式拆分設計，最后將不同單元在底板上組裝調試而成。因車身由沖壓成型的薄壁板組成，夾具定位多采用“N-2-1”的定位形式，其中N多大于3，采取過定位形式提高系統的剛度，減小變形量。考慮夾緊點多、零件薄壁等問題夾緊方式多采用高效快速裝置，加緊點靠近支撐點，對于鋼板厚度小于1.2mm的夾緊力取300N～750N，厚度在1.5mm～2.5mm的加緊力取500N～3000N，同時為了降低成本，縮短開發周期，焊裝夾具的設計要充分考慮標準化、系列化、通用化的問題。

2 CATIA二次開發技術

2.1 二次開發方式

CATIA因其強大的功能在汽車、航空、船舶等行業得到廣泛應用，為了滿足不同用戶個性化、專業化要求，CATIA為用戶提供了二次開發的接口，并提供了進程內應用程序（In-Process Application）和進程外應用程序（Out-Process Application）兩種開發方式。進程內應用主要通過CATIA的宏命令運行，能夠實現一些相對簡單重復性操作過程，但不具備參數傳遞修改等功能，相對功能強大的進程外方式的應用較少，因此，二次開發技術多指進程外方式。在多種進程外方式中，基于構件的CAA V5及基于自動化編程的CATIA Automation 方法應用最為普遍，其中CAA V5需要以VC++為載體的RADE開發環境，能夠創建新的CATIA函數，功能強大，但編程復雜。而CATIA Automation則利用CATIA自身提供的API接口函數，能夠實現二次開發的大部分功能，且具有COM組件的特點，上手快開發效率高，能夠滿足本課題開發所需的功能要求，因此，本課題選擇應用CATIA Automation開發技術創建適合的CATIA程序。

2.2 CATIA API及重要對象

CATIA API是CATIA本身提供的一組已編譯好的應用程序編程接口函數，位于模塊安裝目錄XDassault SystemesB20intel_acodein下的CATIA V5 SurfaceMachiningInterfaces Object Library動態鏈接庫中，相關函數說明在同一目錄下的V5Automation.chm文檔內。API將所有的數據都被封裝成對象，并按繼承與聚合關系構建成樹裝結構，其結構如圖1所示，在所有對象中Application是根對象，在其下派生出Documents、Windows、SettingControllers、Printers等Collection及FileSystem、SystemService 、SystemConfiguration等Object，每個對象都有其操縱集合的方法和屬性，例如Add()、Remove()等方法及Count等屬性。應用API進行二次開發的基本流程[3]如圖2所示。

圖1 API文檔結構

圖2 二次開發流程

2.3 基于VB的二次開發

應用VB環境進行二次開發，按著圖2所示流程首先需要通過GetObject或CreatObject方法獲得Application對象，其VB代碼如下：

程序如正確編輯運行需要VB引用以CATIA開頭的所有Object Library庫文件，具體如圖3所示。

圖3 VB中引用CATIA庫文件

3 關鍵技術

3.1 數據庫技術

夾具設計過程中涉及多種零件類型，零件需參數化，并符合IOS 13584（零件庫）設計標準，整個專用模塊數據量大，為使數據具備重用性的同時方便管理引入數據庫技術。數據庫主要用與存儲建模參數、屬性及參考圖片等信息，記錄數目多，但其中大部分為數值型數據，需要的存儲空間較小。

項目整體設計一個數據庫，因每類零件的參數不同，每類零件設計一個表，零件屬性統一存在一個表內，屬性表以零件類別編號作為外健。為降低數據庫冗余度，開發中不以項目為單位存儲零件信息，以零件類型存儲。同時，考慮標準件數值多存放在Excel表格內，模塊應具備Excel參數批量導入導出功能。VB環境中Access數據庫能夠很方便的實現與Excel表交互訪問，同時Access數據庫本身具有強大的數據分析功能，能夠為后續開發智能夾具設計模塊奠定基礎，因此本課題選用Access2007構建數據庫。

3.2 界面定制

人機界面設計主要實現CATIA建模與數據庫之間的聯系，具備對現有數據庫內容的增、刪、改、查及在數據庫中創建新表的功能。設計時從數據庫內讀取的內容顯示在DataGrid中，當雙擊DataGrid中數據時對應一條記錄能夠填充到界面內相關的Text控件中，控件中的內容作為參數傳遞給CATIA函數用于創建模型，模塊的建模界面如圖4所示。建模參數可直接輸入或從數據庫讀取，并根據零件類型自動從數據庫中讀取相關屬性并將其添加到屬性界面相關的Text中，屬性界面如圖5所示，做相應修改后將零件屬性自動填充到CATIA模塊的零件屬性中，用于自動生產BOM表。每個企業需要BOM表的形式不同，通過程序遍歷零件屬性自動生成BOM，這樣可以大幅度減少人工重復勞動強度。模塊實現Excel數據批量導入的界面如圖6所示。

圖4 建模主界面

圖5 零件屬性界面

圖6 Excel數據批量導入界面

3.3 CATIA建模程序開發

為加快程序開發進程，首先分析零件的參數化設計特點，然后利用CATIA宏錄制的方法將建模過程錄制為VBScript角本文件，快速的找到相關的CATIA函數，再將角本復制到VB中配合API進行相關修改。如角座零件建模過程涉及到的主要Method包括add(Product iProduct)、item(CATVariant iIndex)、Create Reference From Name (CATBSTR i Label)、AddNew Pad From Ref(Reference iProfileElt,double iHeight)、GetItem(CATBSTR IDName))、CreatePoint(double iX, double iY))、Create Line(double iX1, double iY1, double iUX, double iUY)、Create Reference From Object()、Add Bi Elt Cst(CatConstraint Typei Cst Type, Reference iFirst Elem, Reference iSecond Elem)、Create Projections(CATBSTRiLabel))、CreateClosedCircle(double iCenterX, double iCenterY, doublei Radius)等。屬性賦值主要涉及p a r t.UserRefProperties及相關CreateReal(CATBSTR iName, double iValue)、CreateString(CATBSTR iName, CATBSTR iValue)等創建屬性的方法。

4 設計實例

“角座”為連接元件，起支撐作用，用于連接底板和連接板，屬于企業自制標準元件，多采用直角鑄鐵座，設計時需滿足系列化和互換性要求，一般高度不超600mm，寬度多為100mm，厚度可選加工后16、19或20mm，定位孔直徑Φ10mm，四個與底板連接螺栓孔徑為Φ12mm，與連接板連接孔徑為Φ14mm，孔寬距70mm，有加強筋，棱邊倒圓角。“角座”建模過程中參數分為兩類，系列化常修改的為驅動參數，不常修改或與驅動參數關聯的尺寸為可選參數。建模時可直接在建模界面輸入參數，也可從數據庫中直接讀取，數據庫中“角座”參數存儲在“FootSeat”數據表中，數據表共有13個字段分別為ID（主鍵）、H、W、L、Rib、TH、W1、Φ1、Φ2、Φ3、R1、R2。屬性參數存放在“PartProperties”表中，表中包括13個字段分別為Proper_ID（主鍵）、Part_ID（外鍵-零件類別）、Para_MangCode、Para_PartNumber、Para_PartName、Para_Material、Para_Remark、Para_PartType、Source_Type、Weight、TDMX_MATERIAL、Pro_Supplier、Drawing_Fromat、Surface_Treatmen。實例中零件模型參數從數據庫直接獲得，自動從屬性表中讀取零件的屬性值，提取的屬性如與設計屬性不同可適當修改。圖7為應用開發模塊自動生產的角座零件，與直接建模不同的是草圖單列在模型樹中，屬性已自動填寫，后續自動生成BOM表可直接遍歷零件屬性并根據要求做適當取舍。

圖7 角座

5 結論

通過CATIA二次開發技術設計了用于汽車焊裝夾具設計的專用模塊，應用模塊能夠更加快速生成設計零件，通過從屬性庫中調用同類零件屬性能夠快速設置零件屬性，利于自動生成BOM表。模塊的開發降低了對設計者軟件應用水平的要求，降低了勞動強度，提高了夾具設計的效率，縮短了新車型上市時間，并為后續智能夾具設計奠定了基礎。

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