CATIA V5 在汽車白車身焊裝與檢驗夾具設計中的應用

CATIA V5 在汽車白車身焊裝與檢驗夾具設計中的應用

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隨着目前全球汽車行業的迅猛發展，新車型的車身外觀不斷花樣翻新，汽車車身表面曲面愈加複雜，汽車車身的設計製造週期日趨縮短，所有的汽車製造商都在採用三維數據進行汽車的設計開發，車身零件的形狀、尺寸和裝配關係都採用三維數學模型來表達。傳統的二維設計和製造模式已經無法滿足汽車車身發展的要求，基於三維設計平臺的CAD/CAM 技術在焊裝與檢驗夾具的應用也就成爲汽車工業發展的必然結果。     我公司2004 年開始使用CATIA V5 進行檢驗夾具的設計，2005 年開始使用CATIA V5 進行焊裝夾具的設計。經過不斷地摸索與實踐，已經形成一整套基於CATIA V5 的焊裝與檢驗夾具三維實體設計流程，同時也積累了豐富的經驗。

    1. 焊裝方案圖的設計     方案圖是焊裝夾具設計的依據和基礎，需要將所有的夾緊截面、定位基準等清楚、準確的表達。     以往的二維焊裝方案圖有不能準確表達空間幾何和零件間裝配關係等固有缺點，設計所需信息不全，不能很有效的指導焊裝夾具的設計，容易造成後期設計大量修改。     現在，我們利用CATIA V5 進行方案圖的三維設計（如右圖），可以準確的表達各類幾何關係、裝配關係、設計信息（包括座標軸系，焊點、夾緊截面位置和夾緊方式、產品定位基準和方式、夾具零件的定位元素等），能夠有效地指導後期設計，大大減少了方案圖和夾具圖的錯誤和修改。     對於主機廠提供的方案圖，我們也要將其三維化，目的是一方面初步檢查焊裝方案的可行性，同時將後期結構設計所需要的設計信息補充完整，以方便後期結構設計加以利用。

    2. 焊裝與檢驗夾具設計     A、PowerCopy 和User Feature（UDF）的應用     我們利用CATIA 的PowerCopy 和UDF 功能，實現了一些標準樣式結構的自動化生成。例如檢驗夾具設計過程中，有很多位置使用相同的檢測方式，這些地方需要設計員做大量的曲面造型工作，而造型過程往往所用的命令、功能乃至步驟都完全一樣，只不過是初始輸入條件不同，使得造型過程費時費力。     現在我們利用PowerCopy 和UDF 生成這部分標準結構。在實際設計過程中，設計者只要處理好Point、Curve、Surface 等輸入條件，然後選取輸入條件、確定控制參數就可以快速的得到結果，再在此基礎上進行後續的結構設計。操作簡單，省時省力在製作PowerCopy 和UDF 的建模過程中，要注意Positioned Sketch（定位草圖）和Line、Plane 的方向性，因爲PowerCopy 和UDF 的通用性特點決定了它們對幾何元素的方向性有着非常嚴格的要求。如果方向性控制得不好，製成的PowerCopy 和UDF 應用後得到的就可能不是我們希望得到的結果，甚至無法執行運算。     B、基於知識工程的標準件應用     我們針對汽車焊裝夾具零件多的特點，建立了符合焊裝夾具設計特點的標準件庫。     1）構建基於知識工程的標準件。     在構建標準件幾何的時候，大規模應用CATIA 知識工程建模技術。例如：Positioned Sketch（定位草圖）、Parametric Curve（參數曲線）、Design Table（設計表）、Equivalent Dimensions（同等維）、Rule（規則）、Check（檢查）、Reactions 等，使結構相似的不同種類的標準件統一表達爲一個CATPart 文件，實現標準件從一種變化爲十種甚至幾十種，使設計者在調用標準件的時候，可以隨時變更標準件的規格。     在有結構尺寸的標準件中適當融入工程設計規範，在出現不符合設計規範或超出適用標準的情況的時候，及時提醒設計員注意改正，保證標準件幾何表達的正確。     2）採用Catalog 進行標準件和標準結構的管理。     在焊裝與檢驗夾具的實際設計工作中，會應用到不同標準體系的標註零件，這就需要使用CATIA 的Catalog 進行管理。Catalog 讓設計員能夠方便快捷的查找和調用所需要的標準零件和標準結構。

    在應用Catalog 進行標準件管理的時候，我們在文件系統下，針對不同標準體系分別建立文件夾，並在各個文件夾中分別創建Catalog，負責管理相應標準體系的標準件。在各Catalog 中按照零件的使用功能分爲若干的Chapter，每個Chapter 下逐步細化分組。然後在標準件總文件夾下創建一個Catalog 文件，應用“Add Link to Another Catalog”命令，創建鏈接分別指向不同標準體系的Catalog。     在實踐中，我們發現這種標準件管理方式使得龐大的標準件系統變得異常清晰和有條理，是最有效率和最方便的管理方式。     3）採用User Component 調用標準件。     User Component 是CATIA－Mold Tooling Design 模塊中功能非常強大的命令之一，能夠在插入標準件的同時與其它的Part 進行自動布爾運算（Add、Remove或Assemble）。我們利用User Component 這種特點，在標準件中加入名稱爲“Pad”、“Pocket”或“DrillHole”的Body，達成在插入標準件的同時自動生成零件所需的安裝臺、安裝窩座和安裝用螺釘孔及柱銷孔的目的。並通過CATIA 提供的管理工具（見下圖）對這些布爾運算進行管理。

    支特稱道的是，CATIA V5R16 對User Component 增加了新功能，使得我們可以更加方便地使用User Component。下面左圖所示這些命令可以讓我們十分方便的管理（修改、刪除、複製、替換等）我們所調用的Component。     下面右圖所示可以讓我們在CATIA 加工模塊中提取自動布爾運算生成的螺釘孔及柱銷孔的加工信息，從而生成這些孔的NC 加工程序。

C、明細表和提料表     焊裝與檢驗夾具由大量的非標零件和標準件構成，人工生成明細表和材料清單工作量較大，同時錯誤率比較高，嚴重影響生產效率。通過對CATIA 的BOM 表生成功能的研究，我們將目光聚焦在零件的屬性上，並通過客戶化編程基本達成了明細表和材料清單的自動生成的目的。     我們對標準件的屬性進行了基於知識工程的參數化編程，將零件的信息全部寫進零件的屬性和附加屬性，包括件號、名稱、數量、材料、規格、標準、來源、附件（螺釘、柱銷、螺塞、墊片等）、提料信息等。這樣在設計員調用標準零件的時候，標準件的屬性與明細表和材料清單信息就會自動對應生成。而對於非標零件，我們則要求設計員手工填寫零件的屬性和附加屬性。     然後提取這些信息，生成明細表與提料表。與以往完全由設計員手工填寫明細表的方式，大大提高了效率和準確率。     D、運動仿真及干涉檢查     在以往的二維圖設計過程中，產品與夾具零件之間、夾具零件之間、夾具與焊鉗之間、夾具部件內部的及部件之間的運動關係、操作空間等難予判定，經常出現夾具在製造完成之後發現干涉或者操作空間不夠而造成修改甚至造成報廢的情況。     針對這種狀況，我們應用CATIA 提供的空間分析模塊－Space Analysis對各個Part 之間進行干涉檢查和空間關係的判定；利用運動分析模塊— DMU Kinematics 對焊接夾具的運動部件進行運動關係仿真；對於某些不能直接利用KIN 模塊進行運動關係仿真的部件，我們利用CATIA 的運動副的Mechanism Dressup 功能，達到模擬運動關係的目的。     DMU 模塊的應用，使得零件關係的空間關係的判定變得簡單容易，從根本上避免了干涉問題的出現，大幅提高了設計質量和效率。

    E、工程圖     針對焊裝和檢驗夾具的設計特點，我們將工程圖的生成標準進行了客戶化，定製了我公司的內部標準，對標註、文字等進行了統一的規範，並將各種特殊符號製成標準Detail。特別是將各種幅面的圖框標題欄中的各項內容與參數相連，在實際應用的時候，只需將所有參數修改一遍，即可保證所有圖紙的標題欄的統一、正確。      另外，焊裝和檢驗夾具的二維工程圖要求將座標線投影出來，CATIA以往的版本並沒有提供此種功能。CATIA V5R16 提供了此種功能—基於3D Support 的Generative ViewStyle。

進行這種投影前，需要做一些準備工作：     ① 首先需要製作一個名稱爲WorkOnSupport3DCustumizedStyle 的xml 文件放置在/intel_a/resources/standard/generativeparameters 目錄下， 對此功能提供支持； ② 將Options/Drafting/Administration 頁面下“Prevent generative view style usage”選項（如右上圖）取消，激活這項功能。     右下圖所示爲投影后得到的結果。進行投影時，先打開需要投影的CATPart，進入Generative Shape Design 模塊，創建一個3D Support，定義3D Support 的網絡間隔和座標軸名稱並將其設定爲當前工作支撐。進入Drafting 模塊，新建一個drawing，點擊FrontView 後，在出現的“Generative view style”工具條的下拉列表中選擇“WorkOnSupport3DCustumizedStyle” （見右圖），然後按正常投影步驟，即可得到上面的結果。

    但十分可惜的是，這種功能目前還只能對Part 進行工程圖投影，還無法在Product 級別下應用，期待Dassault Systemes 能夠儘快升級。

    3. 加工製造     設計階段的三維實體化，使加工基礎數據由二維圖紙轉化爲三維數模。     而CATIA 作爲CAD/CAM 一體化的三維設計軟件，提供了多個加工模塊，覆蓋了從2.5D 加工到五軸加工再到加工仿真的NC 加工全過程，使得設計數據可以不通過數據格式轉換直接進入到NC 程序編制階段，並能夠直接提取一部分加工信息。     目前我們正在進行CATIA 加工部分的客戶化應用開發，我們相信通過PKT 和編制宏程序可以達到部分NC 加工程序的自動生成。

    4、結束語     目前，我們正在逐步完善基於CATIA V5 的汽車白車身焊裝與檢驗夾具設計平臺，進一步應用知識工程模塊將更多的知識融入到設計平臺中，進一步提高設計效率和設計質量，結合ENOVIA SmarTeam 的產品數據管理系統，讓3D 數學模型貫穿整個設計—製造流程，最終實現數字化、無紙化設計製造。