CATIA V5三維標準件庫的創建與應用

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 引言

隨著我國制造業數字化進程的不斷推進,飛機產品設計已經全面進入3D設計的數字化時代,各種3D設計軟件越來越成熟和多樣化。目前航空產品廣泛采用CATIA軟件進行數字化定義與設計,其標準件零件庫的開發已成為實現產品數字化定義與數字化裝配技術的重要基礎。為了滿足產品研發的需要,適應企業內部實現網絡化、數字化和無紙化設計的迫切需求,創建滿足企業使用的CATIA三維標準件數據庫是十分必要的。通過該數據庫的創建和應用可在企業內部實現一次建模、重復使用,達到充分共享和高效利用公共資源的目的。

2 標準件庫的構成與特點

我所開發的標準件庫應用系統由服務器端的三維標準件圖形庫和客戶端的標準件調用軟件構成。服務器端圖形數據庫中的標準件三維實體模型是根據企業實際需求,在CATIA V5軟件環境下創建的,其存儲格式為CATPart(零件)或CArIProduct(組件)文檔。數據庫中的標準件按類別和層次分解成樹狀結構,便于使用和維護。客戶端的標準件調用和維護管理軟件可根據企業需求單獨開發,也可在CATIA的Catalog功能基礎上進行少量的二次開發或直接使用CATIA的Catalog功能。具體采用的方式根據企業的實際情況決定。

標準件庫應用系統以WINDOWS中文系統和CATIA V5軟件為操作平臺,且與CATIA V5軟件直接集成,其主要特點如下:

a.在CATIA V5裝配設計環境中實現對于特定類別與規格的標準件的調用;

b.友好的全中文化人機界面,各類標準件具有直觀的三維預覽圖標,界面清晰、使用方便、操作簡單;

c.分類清楚、規格齊全、標注規范、檢索快捷、調用實時便捷;

d.采用參數化設計手段,占用存貯空間小;

e.具有開放性的接口,擴充容易,維護方便。只要補充相關的標準件,就可以滿足企業不同時期的使用需求。

3 標準件庫的創建

3.1 前期準備工作

為了縮短數據庫開發周期,首先應對企業使用的標準件進行清理、分類,必要時應征求產品開發人員的需求意見,確定數據庫結構框架和標準件清單。同時開發組還應進行任務分工,制定建庫計劃,以保證建庫工作的順利進行。

此外,如要單獨開發調用程序和數據庫維護管理程序,還應根據企業實際情況編制軟件需求報告和開發計劃。需求和計劃應保證標準件庫應用系統功能的實用性,同時控制開發風險,為軟件開發的順利進行和標準件庫應用系統按期交付使用提供保障。

3.2 參數化標準件三維實體模型的創建過程

開發該標準件庫的大部分工作是創建各類標準件的參數化三維實體模型。首先在CATIA V5環境中對各類零部件進行實體建模,在建模過程中引入參數變量,并對實體模型的尺寸元素逐個加以約束,然后按照標準文本創建設計表、驗證模型及其尺寸參數的正確性、最后將創建好的參數化模型導人數據庫應用系統。這樣,設計人員便可在CATIA V5軟件環境下通過調用程序方便快捷地對標準件庫進行檢索、瀏覽和調用了。

3.2.1 實體建模

實體建模就是用CATIA V5軟件的各個功能模塊將標準件設計成三維實體模型(如圖1所示)。這些實體模型實際上就是CATIA V5中的CATPart(零件)或CATProduct(組件)文檔。為了實現參數化,建立標準件的實體模型時需要根據標準引入參數變量(如圖2所示),并對實體的各尺寸元素逐個定義幾何約束關系(如圖3所示)。在定義約束關系過程中應使約束關系盡量優化,避免出現重復的過約束情況或遺漏必要的函數關系。

圖1 標準件實體模型

圖2 引入參數變量

圖3 對各元素定義幾何約束關系

3.2.2 參數化

CATIA V5軟件提供了參數化的零件庫設計手段。參數化設計是指系統通過尺寸驅動的方式,以獨立的幾何約束條件和簡單的等式,尋找特定的解決方案。CATIA V5中的參數化設計是指系統在一個實體模型基礎上按即定的幾何約束關系生成一系列具有相同或相似幾何特征的三維實體模型。參數化設計的優點是以后面要創建的設計表中的尺寸值來控制幾何模型,利用CATIA V5軟件創建實體模型時應參照標準不同的幾何特征對各實體元素建立獨立或相關的幾何參數和約束關系,這些參數所控制的幾何特征的相對位置是確定的,但參數的數值可以改變,這樣生成一系列不同規格的標準件實體模型。

標準件的三維實體建模,要求對這些實體模型進行優化的參數化設計。根據實體的外形、尺寸(直徑、長度、角度)等來選擇適當的參數變量。按此要求設計出的實體才能適用于每組不同的參數值。CATIA V5中的實體模型由系統特定的關鍵字來描述控制,這些關鍵字包括實體類型、直徑、長度、角度等。將這些關鍵字用參數變量或根據約束關系生成的表達式來表達,這個過程就是參數化。參數化定義的圖形是完全受約束的,參數化的設計方法更適合于標準件這類設計過程和目標比較明確的零件。

3.3 創建設計參數表

CATIA V5的設計參數表給我們提供了一種快速創建三維標準件實體的方法和工具。同一系列標準件的區別可能僅僅在于它們之間的參數值不同(對大部分標準件而言是這樣的,只有少數標準件可能因規格變化,其幾何特征有所不同)。對同一系列的標準件需要建立一個設計參數表(Design Table),如圖4所示,再根據系統提示將之前定義的有效獨立變量添加為將要建立的Excel數據表的列參數,如圖5所示。然后用Excel表格處理軟件生成數據表(如GB931.xls),通過這個數據表產生CATIA文檔的外部數值。在數據表的首行對參數變量進行定義,數據表的每列代表CATIA文檔的某些屬性,如標記示例代表文檔名稱和編號,其它列是與文檔中各參數(獨立關鍵字)相關聯的參數變量名。數據表的每行代表一組區別于同一類零件不同規格的尺寸參數和標識(如圖6所示)。

圖4 創建設計參數表

圖5 添加外部數據表列參數

圖6 生成設計參數表數據

3.4 參數化標準件模型的入庫

保存前面所做的工作,至此,一個參數化標準件三維實體模型的創建過程已基本完成。為了保證實體模型的正確入庫,在完成參數化實體建模后,應參照標準文本校驗模型的正確性和系列尺寸可驅動性(如圖7所示)。如果在校驗過程中發現實體模型有誤,可回到Sketcher或實體狀態對其進行修改,直至與標準一致。最后的工作是用數據庫維護和管理程序對參數化標準件實體模型進行入庫。這樣只要在客戶端安裝標準件庫調用軟件,便可在CATIA V5環境下方便地調用庫中的標準件實體模型,共享該標準件數據庫中的模型信息資源。

圖7 參數化標準件實體尺寸驅動

4 標準件庫的使用和維護

我所開發的CATIA三維標準件庫應用系統包括了現階段我所常用的典型標準件三維數字化實體模型,已廣泛地應用于各類產品的設計建模工作中。通過網絡,設計人員可以實時便捷地得到所需的三維標準件圖形,極大地減少了設計過程中重復創建標準件模型或對不同裝配狀態的標準件模型所進行修改的工作量,快速實現對飛機各零件的連接與協調,大大減少了制造過程中的不合格品率,避免由此造成的巨大浪費。

在提供給設計使用的同時,我們很注重收集各方面的使用反饋意見,及時地修正和完善該標準件庫應用系統的不足之處,及時補充新的標準件模型,逐步豐富和完善調用軟件的功能特性。同時做好數據庫的維護管理工作,以便更好地滿足設計使用需要,為提高設計和協調效率及企業的標準化水平服務。

5 意義與作用

標準件在飛機的設計和生產中具有重要的作用,合理地采用標準件可以減少設計和生產工作量,縮短研制周期,降低研制風險,提高飛機的可靠性、維修性,提高飛機的“三化”水平。隨著設計手段和生產工藝水平的不斷提高,異地無紙設計生產是未來飛機設計生產的發展方向。由于異地無紙化設計的基礎是三維數字產品定義,所以三維標準件庫就成為三維產品數字化定義中重要的組成部分。

標準件庫系統的創建和使用,免去了工程技術人員在設計過程中創建標準件三維模型的工作,為產品研制三維建模、二維發圖和實現數字化預裝配及協調提供了極大的方便。該標準件庫在三維數字產品定義的設計工作中實時便捷地向設計人員提供實體了標準件與標準相關方面的技術信息,保證了設計人員在計算機上能快速完成各零件的連接與協調,為方便設計員開展飛機數字化設計和協調,全面實現電子樣機打好了基礎。

標準件庫系統的全面應用大大減少了設計人員設計工作量和設計時間,對于提高工程設計質量,有效利用人力資源,提高設計人員的工作效率,縮短整個產品的研制周期,有效降低設計成本,具有重要的應用價值。同時對提高企業的CAD技術水平創造了良好的技術基礎條件,對信息技術下的標準化工作有著積極的影響和推動作用。

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