基于CATIA CAA的電阻焊參數化建模

陳華偉 伍權 徐衛平 湯耿

摘 要：汽車座椅產品焊接點和焊接類型多，焊接要求質量高，商業CAD焊點工藝設計效率低，而且不滿足客戶化需求，亟需通過自定義開發實現自動化工藝設計。針對以上問題，基于對汽車座椅骨架電阻焊工藝參數和約束條件的分析，提出了以CATIA CAA用戶界面設計、自定義對象、參數驗證和實體創建為技術路線的焊點/縫建模框架，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自動計算和驗證問題研究，最后通過CAA二次開發實現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化建模。結果表明，通過CATIA高級開發功能能夠實現電阻焊自定義對象創建和工藝參數化管理，滿足高級客戶需求。CATIA CAA具有完整的用戶界面設計、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。

關鍵詞：計算機輔助設計;CATIA CAA;電阻焊;自定義對象;參數化建模

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

汽車和飛機及其配套產品中，焊點建模是很重要的設計內容，焊點本身數量多，涉及的工藝參數和約束條件多，加之CATIA自帶的焊點建模功能很難符合企業標準和高級管理需求。因此，急需通過二次開發實現自定義的焊點建模，為焊點設計優化和管理打下基礎。從研究文獻看，中國針對焊點的二次開發主要集中于焊接標注符號的自定義[14-17]，開發層次較低，使用CAA進行高級焊點建模功能開發的研究很少。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、對象擴展等功能開發，實現電阻焊三維實體建模。

1?電阻焊的焊接工藝參數

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過程中人們對焊接質量要求很高。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量，還有助于實現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，分別對應圓柱體的直徑和高度。平板凸焊的工藝參數及其約束條件見表1。

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

1.2??螺母焊

螺母焊又分為邊焊和環形焊，如圖2所示。

2?程序設計

電阻焊參數化設計[18]程序涉及CATIA CAA的實體對象創建、對象擴展和交互式界面等開發技術。

2.1?實體對象創建

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

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

一些更底層的操作則需要用到CGM接口，例如數學運算、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、參數曲線等）、面Surface（平面、NURBS曲面、球面、圓環面等）基礎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為頂點Vertex、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系，圖中Surface1，Surface2以及Curve1是幾何對象，它們對應的拓撲對象是Face1，Face2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，容器提供相關各類工廠Factory的接口，用于特征的創建和擴展，例如MechanicalFeature容器提供了CATISketchFactory，CATIPrtFactory和CATICstFactory分別用于創建草圖特征、結構特征和約束特征。

特征還可細分出子特征，從而形成特征結構樹，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揚了面向對象技術，它采用接口-實現（Interface-Implementation，Ⅱ）模式進行對象擴展。CATIA的所有對象在工廠中創建，因此需要使用工廠對Ⅱ對象進行再封裝。工廠中主要完成對象創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工具[20]，可進行Workshop（總菜單或工具條）、Workbench（設計平臺）和Addin（插件）3個層面的界面開發，并最終落腳為Addin的功能開發。

一般情況下，Addin調用對話框Dialog資源，響應Dialog的命令Command，因而交互式界面開發的核心是Command。Command一般設計成基于狀態的，旨在管理對話框中的交互式輸入，基于狀態的命令使用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的開發思路，針對電阻焊的工藝管理需求進行程序設計，設計流程如圖5。

其設計要點如下：

1）電阻焊的焊點屬性（參數）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機制展開設計。

4）通過自定義函數對用戶界面輸入的焊點參數進行計算和驗證。

該功能在Command響應對話框OK消息時調用。驗證通過，則生成焊點對象，并創建焊點實體，否則，退出創建。

5）通過繼承焊點對象的CATIBuild接口生成三維焊點實體。

該功能根據驗證通過的焊點參數，調用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，螺母焊環形焊的焊縫為圓環體（見圖1和圖2）。

3?參數計算

為了減少用戶交互次數，用戶界面中應只提供必要的參數入口，可計算獲取的參數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L1是焊點中心至Part1和Part2最近邊線的距離，該參數有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，平板正對螺母內孔已開孔，平板孔直徑與螺母內孔直徑相等。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，而無法正確創建，為了規避該約束，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拓撲運算函數計算點與立體的相對位置，進而對法向進行調整，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?開發與實現

在CATIA產品設計環境下，使用CAA二次開發實現了電阻焊參數化設計功能。電阻焊包含的平板凸焊和螺母凸焊輸入參數基本相同，可以統一至一個界面，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L4的約束（見表1）;環形勾選項用于控制是否創建螺母焊環形焊縫;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），環形焊時可選擇圓或圓弧（見圖2 b）），而且當環形選項勾選時，程序限定此處只能選擇圓或圓弧;內圓選項在螺母焊時啟用，用于確定螺母軸線，并用于規避L1約束條件計算（見3.2節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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