陳華偉 伍權(quán) 徐衛(wèi)平 湯耿

摘 要：汽車座椅產(chǎn)品焊接點(diǎn)和焊接類型多，焊接要求質(zhì)量高，商業(yè)CAD焊點(diǎn)工藝設(shè)計(jì)效率低，而且不滿足客戶化需求，亟需通過(guò)自定義開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)。針對(duì)以上問(wèn)題，基于對(duì)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(jì)、自定義對(duì)象、參數(shù)驗(yàn)證和實(shí)體創(chuàng)建為技術(shù)路線的焊點(diǎn)/縫建?？蚣埽缓筢槍?duì)螺母邊焊的焊點(diǎn)直徑計(jì)算、焊點(diǎn)中心至邊線距離計(jì)算展開(kāi)了參數(shù)自動(dòng)計(jì)算和驗(yàn)證問(wèn)題研究，最后通過(guò)CAA二次開(kāi)發(fā)實(shí)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(guò)CATIA高級(jí)開(kāi)發(fā)功能能夠?qū)崿F(xiàn)電阻焊自定義對(duì)象創(chuàng)建和工藝參數(shù)化管理，滿足高級(jí)客戶需求。CATIA CAA具有完整的用戶界面設(shè)計(jì)、對(duì)象擴(kuò)展、幾何拓?fù)鋵?duì)象編輯功能，因而具有強(qiáng)大的自定義對(duì)象能力，能夠有效應(yīng)用于成熟客戶。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);CATIA CAA;電阻焊;自定義對(duì)象;參數(shù)化建模

中圖分類號(hào)：TP391.7;TG441 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(jì)及優(yōu)化功能，已廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、輪船等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在規(guī)?；蛣?chuàng)新驅(qū)動(dòng)下，企業(yè)要求在原有設(shè)計(jì)上開(kāi)發(fā)更便利的功能，從而達(dá)到提升設(shè)計(jì)效率、提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的目的。因而，隨著應(yīng)用的深入，CATIA二次開(kāi)發(fā)功能也在汽車[1-3]、飛機(jī)[4-8]、輪船[9-10]等行業(yè)得以優(yōu)先實(shí)施。CATIA本身具有從低到高層次的二次開(kāi)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(jí)開(kāi)發(fā)模塊CAA（component application architecture，組件應(yīng)用架構(gòu)）需要付費(fèi)購(gòu)買，而且模塊中的開(kāi)發(fā)包非常龐大，具有自成體系的開(kāi)發(fā)架構(gòu)，普通開(kāi)發(fā)者需要較長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練才能掌握其開(kāi)發(fā)技巧，這也限制了CAA在復(fù)雜功能開(kāi)發(fā)上的應(yīng)用。

汽車和飛機(jī)及其配套產(chǎn)品中，焊點(diǎn)建模是很重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，焊點(diǎn)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(diǎn)建模功能很難符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)管理需求。因此，急需通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)自定義的焊點(diǎn)建模，為焊點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化和管理打下基礎(chǔ)。從研究文獻(xiàn)看，中國(guó)針對(duì)焊點(diǎn)的二次開(kāi)發(fā)主要集中于焊接標(biāo)注符號(hào)的自定義[14-17]，開(kāi)發(fā)層次較低，使用CAA進(jìn)行高級(jí)焊點(diǎn)建模功能開(kāi)發(fā)的研究很少。對(duì)此，將針對(duì)汽車座椅骨架的焊接工藝需求，通過(guò)對(duì)CATIA CAA界面開(kāi)發(fā)、對(duì)象擴(kuò)展等功能開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)電阻焊三維實(shí)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(guò)程中和碰撞情況下的安全性，在汽車座椅骨架生產(chǎn)過(guò)程中人們對(duì)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(shí)現(xiàn)焊接機(jī)械化和自動(dòng)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(diǎn)實(shí)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(diǎn)實(shí)體，具有直徑[WTBX]d和融深h兩個(gè)參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)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(jiàn)表1。

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

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(jì)

電阻焊參數(shù)化設(shè)計(jì)[18]程序涉及CATIA CAA的實(shí)體對(duì)象創(chuàng)建、對(duì)象擴(kuò)展和交互式界面等開(kāi)發(fā)技術(shù)。

2.1?實(shí)體對(duì)象創(chuàng)建

電阻焊焊點(diǎn)/縫對(duì)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(diǎn)線面體的創(chuàng)建和編輯命令，GSM編程實(shí)際是模擬了用戶的“可見(jiàn)即可得”的界面操作，其操作結(jié)果作為可見(jiàn)特征直接反應(yīng)在CATIA的特征結(jié)構(gòu)樹(shù)上。

一些更底層的操作則需要用到CGM接口，例如數(shù)學(xué)運(yùn)算、拓?fù)浜蛶缀螌?duì)象編輯等。CGM提供的幾何對(duì)象包GeometricObjects涵蓋了各種點(diǎn)Point（點(diǎn)、線上點(diǎn)、面上點(diǎn)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?fù)溥\(yùn)算包TopologicalOperators，用于對(duì)幾何對(duì)象的拓?fù)洳僮鳎磳?duì)幾何對(duì)象進(jìn)行空間邊界約束，約束后的幾何對(duì)象變?yōu)轫旤c(diǎn)Vertex、邊Edge、面Face、體Volume，即0～3等4個(gè)維度的拓?fù)鋵?duì)象。圖4很好地說(shuō)明了拓?fù)鋵?duì)象和幾何對(duì)象之間的關(guān)系，圖中Surface1，Surface2以及Curve1是幾何對(duì)象，它們對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋵?duì)象是Face1，F(xiàn)ace2和Edge12。

2.2?對(duì)象擴(kuò)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(jìn)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(kuò)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(xì)分出子特征，從而形成特征結(jié)構(gòu)樹(shù)，各特征都有相應(yīng)的編程接口，特征及其接口均遵循繼承性設(shè)計(jì)原則[19]。例如MechanicalFeature特征下的子特征MechanicalPart，HybridBody，GSMTool，Sketch及其對(duì)應(yīng)的特征操作接口。

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

2.3?交互式界面

CATIA中集成了自定義的交互式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具[20]，可進(jìn)行Workshop（總菜單或工具條）、Workbench（設(shè)計(jì)平臺(tái)）和Addin（插件）3個(gè)層面的界面開(kāi)發(fā)，并最終落腳為Addin的功能開(kāi)發(fā)。

一般情況下，Addin調(diào)用對(duì)話框Dialog資源，響應(yīng)Dialog的命令Command，因而交互式界面開(kāi)發(fā)的核心是Command。Command一般設(shè)計(jì)成基于狀態(tài)的，旨在管理對(duì)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(duì)象，使用狀態(tài)機(jī)State Machine管理用戶的輸入過(guò)程。Command框架程序中已重載了BuildGraph方法，用于狀態(tài)機(jī)的定義和操作。

此外，CATIA還使用CATNls和CATRsc兩種文件對(duì)圖標(biāo)和文本資源進(jìn)行預(yù)定義，并支持資源的多語(yǔ)言定義。

2.4?程序框架

遵循CAA的開(kāi)發(fā)思路，針對(duì)電阻焊的工藝管理需求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖5。

其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

1）電阻焊的焊點(diǎn)屬性（參數(shù)）在Catalog中定義。

2）焊點(diǎn)對(duì)象和接口使用Ⅱ-Factory機(jī)制進(jìn)行自定義。

3）用戶界面使用Addin-Dialog-Command機(jī)制展開(kāi)設(shè)計(jì)。

4）通過(guò)自定義函數(shù)對(duì)用戶界面輸入的焊點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。

該功能在Command響應(yīng)對(duì)話框OK消息時(shí)調(diào)用。驗(yàn)證通過(guò)，則生成焊點(diǎn)對(duì)象，并創(chuàng)建焊點(diǎn)實(shí)體，否則，退出創(chuàng)建。

5）通過(guò)繼承焊點(diǎn)對(duì)象的CATIBuild接口生成三維焊點(diǎn)實(shí)體。

該功能根據(jù)驗(yàn)證通過(guò)的焊點(diǎn)參數(shù)，調(diào)用CGM畫(huà)圖接口畫(huà)出焊點(diǎn)實(shí)體。其中平板凸焊的焊點(diǎn)為圓柱體，螺母焊邊焊的焊點(diǎn)為橢球體，螺母焊環(huán)形焊的焊縫為圓環(huán)體（見(jiàn)圖1和圖2）。

3?參數(shù)計(jì)算

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

3.1?螺母焊邊焊的焊點(diǎn)直徑計(jì)算

螺母焊邊焊生成橢球體焊點(diǎn)，焊點(diǎn)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(duì)焊接參考邊為直線和曲線的情況，應(yīng)分別制定焊點(diǎn)中心[WTBX]Pt和直徑d的計(jì)算規(guī)則。當(dāng)參考邊為直線時(shí)，Pt為直線中點(diǎn)，d為直線長(zhǎng)度;為圓和優(yōu)弧時(shí)，Pt為圓心，d為直徑;為劣弧或一般曲線時(shí)，Pt為曲線中點(diǎn)，d為曲線兩端點(diǎn)的直線距離。

3.2?焊點(diǎn)中心至邊線距離L1的計(jì)算

參數(shù)L1是焊點(diǎn)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(diǎn)不會(huì)過(guò)于靠近零件邊緣。該參數(shù)計(jì)算中，應(yīng)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(duì)螺母內(nèi)孔已開(kāi)孔，平板孔直徑與螺母內(nèi)孔直徑相等。該實(shí)例下焊點(diǎn)本應(yīng)是正確的，但是顯然因無(wú)法滿足[WTBX]L1條件，而無(wú)法正確創(chuàng)建，為了規(guī)避該約束，則必須過(guò)濾掉平板上與螺母軸線同心的開(kāi)孔圓。

首先通過(guò)垂直投影，獲得焊點(diǎn)至平板立體表面的法向。由于誤差或用戶操作問(wèn)題，用戶選擇的焊點(diǎn)有可能在平板的外部或內(nèi)部，如圖8所示。計(jì)算[WTBX]Pt0在Face1和Face2上的[WTBX]投影點(diǎn)PtProj1和PtProj2，計(jì)算法向n1=Pt0-PtProj1，n2=Pt0-PtProj2。顯然投影法無(wú)法直接判斷法向的朝向，CATIA提供了CATCreatePositionPtVolOperator拓?fù)溥\(yùn)算函數(shù)計(jì)算點(diǎn)與立體的相對(duì)位置，進(jìn)而對(duì)法向進(jìn)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(diǎn)倒有圓角，如果按照Case1處理，則仍然報(bào)L1參數(shù)錯(cuò)誤。一般焊點(diǎn)圓角半徑小于0.5 mm，因此，對(duì)同心圓弧可以通過(guò)給定容差，以保證小半徑圓角也能夠正常通過(guò)參數(shù)驗(yàn)證。修改后的同心弧約束條件是：rc≤r0+0.5。

3）Case3：邊線的拓?fù)浼s束

在焊點(diǎn)中心（軸線）與邊線距離計(jì)算時(shí)，還應(yīng)注意拓?fù)浜蛶缀螌?duì)象的差異。圖9 a）中使用的邊線為拓?fù)鋵?duì)象，具有起點(diǎn)和終點(diǎn)約束，因此能正確計(jì)算出焊點(diǎn)中心軸線至邊線終點(diǎn)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(duì)象，即邊線的無(wú)限延長(zhǎng)線，因而計(jì)算的是焊點(diǎn)軸線至邊線直線的空間距離，距離值為3.46 mm，是錯(cuò)誤的計(jì)算。

4?開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

在CATIA產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境下，使用CAA二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了電阻焊參數(shù)化設(shè)計(jì)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(gè)界面，如圖10所示。

電阻焊界面中，實(shí)體選項(xiàng)限制了用戶只能選入兩個(gè)焊接母體;電極直徑是翻邊距離參數(shù)L4的約束（見(jiàn)表1）;環(huán)形勾選項(xiàng)用于控制是否創(chuàng)建螺母焊環(huán)形焊縫;圓/線是焊點(diǎn)/縫的位置線，平板凸焊中可選擇線或者圓，螺母焊邊焊時(shí)可選擇直線或曲線（見(jiàn)圖2 a）、圖6），環(huán)形焊時(shí)可選擇圓或圓?。ㄒ?jiàn)圖2 b）），而且當(dāng)環(huán)形選項(xiàng)勾選時(shí)，程序限定此處只能選擇圓或圓弧;內(nèi)圓選項(xiàng)在螺母焊時(shí)啟用，用于確定螺母軸線，并用于規(guī)避L1約束條件計(jì)算（見(jiàn)3.2節(jié)Case1）;投影參考是焊點(diǎn)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(jì)算。

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