基于CATIA V5知识工程专用夹具CAD系统*

崔联合

（江阴职业技术学院机电工程系，江苏江阴 214405）

基于CATIA V5知识工程专用夹具CAD系统*

崔联合

（江阴职业技术学院机电工程系，江苏江阴 214405）

基于CATIA V5软件知识工程（KBE）模块，应用VB2010软件完成专用夹具CAD系统的建构。系统设计时，先规划系统结构，再进行系统功能划分和软件界面的设计；以CATIA AUTOMATION二次开发技术为基础，在知识工程（KBE）Product Knowledge Template（PKT）模块下，采用Power copy功能建立夹具零件库；最后以实例验证系统的虚拟装配结果。实践证明：采用该系统进行夹具设计，能提高夹具设计质量和效率。

CATIA V5；专用夹具；CAD系统；知识工程

0 引言

机床专用夹具是为完成零件某道工序而专门设计的工装设备。通常，夹具设计是依靠设计人员的经验而进行，夹具定位夹紧方案的确定、数据的检索、夹紧力和定位误差的计算、工程图的绘制以及工艺的编制等均由工程人员手工完成，很显然，该过程存在很大的问题，诸如周期长、效率低、成本高，夹具的质量很难保证等。因此，实现夹具的快速设计与制造已成为业内人士研究的一项重要课题。近年来，许多专家和学者对计算机辅助夹具设计方法进行研究，柏合民［1］提出一种半智能化的夹具设计方法；张世界［2］应用成组技术原理开发一套检索式计算机辅助夹具设计系统；文献［3］将专家系统引入到夹具设计过程中；李双跃［4］提出基于三维特征建模的专业夹具CAD系统。本文从企业实际情况出发，基于CATIA V5知识工程（KBE）Product Knowledge Template模块，运用Power copy、Formula等功能实现夹具零件的参数化建模和调用，用Excel建立数据库，以VB2010软件作为系统程序编写开发工具，据此，完成“基于CATIA V5知识工程专用夹具CAD系统”的研究与开发。

1 系统体系结构

专用夹具CAD系统的结构组成如图1所示。从图中可知，执行程序是通过人机用户界面来编制和输入，由执行程序完成信息库、知识库、夹具库及其它数据库的输入与输出。夹具零件库包括图片库、程序库和参数库，其由CATIA V5和VB2010完成其建构，并通过CATIA V5开放平台实现数据库的增加、修改和删除等操作。执行程序通过API接口与CATIA V5软件连接，以使CATIA V5与用户界面进行数据交换。图2为该软件主菜单界面，当进入软件主菜单界面，点击图标时，可进行知识信息查询、夹具零件机械加工工艺编制、夹具设计和夹具校核等操作。

图1 系统结构

图2 系统主菜单界面

2 系统主要模块功能

2.1 知识信息查询模块

数据库是一种以一定的组织方式存贮在一起的相互之间有关联的数据集，它能被重复调用，并可通过删除、增加等操作加以编辑。在夹具交互设计中，分析计算阶段就要用到夹具的一些经验数据、常数、公差配合数据及夹具零件结构尺寸等数据［5］。因此，系统中数据库的建立是极为重要的一项工作，它是系统功能实现的关键。图3为本系统各数据库建立过程示意图。

图3 系统数据库建立过程示意图

系统中知识库查询模块主要包括以下内容：典型定位装置设计、典型夹紧装置设计、机床夹具传动装置、通用可调夹具和成组夹具、组合夹具和拼装夹具、机床夹具气动液压元件和机床夹具定位装置等。通过查询以上内容中各分目录可以进行如V型块尺寸计算、切削力计算、气液传动装置的选择与计算等工作。

信息库查询模块主要是为了便于工程人员在设计夹具和编制夹具零件机械加工工艺时查询相关资料，它主要包括力的单位换算、压力单位换算、功率单位换算、公差等级应用参考、光洁度与粗糙度关系参考、力矩单位换算和机床夹具公差与配合等内容。通过查询各种换算表，可及时查得压力单位换算值、功率单位换算值及常用夹具元件配合等数据。在软件界面中可以通过输入关键词进行查询，被查询的数据以图片、文本和表格的形式呈现出来。

2.2 夹具设计模块

当点击图2中的夹具设计图标时，将出现图4所示的夹具设计界面，它由夹具库、标准夹具零件库和机床库组成。如图5所示，当点击所选夹具图标时，夹具所有信息以轴测图和工程图的形式显示，并加以文本说明；夹具可以直接导入到CATIA软件中，设计人员可在此基础上进行修改、删除等操作，以达到夹具快速设计的目的。图6为点击图4机床库图标后，出现的机床库快捷图标对话框，在该对话框中，可进行机床规格、机床联系尺寸、机床加工精度等参数的查询或选择。图7为标准夹具零件库对话框，在标准夹具零件库中，可通过点选或查询的方式确定所要选择的夹具零件，零件信息以表格、轴测图和工程图的形式显示出来，当点击Create template按键时，夹具零件将按给定坐标值导入到CATIA软件中实现夹具装配。

图4 夹具设计

图5 夹具库

图6 机床库

图7 标准夹具零件库

2.3 工艺库编制模块

工艺库编制模块主要功能是要完成夹具零件机械加工工艺过程卡和工序卡的编制。通过调用工艺数据库中的工艺样本模板及添加、删除、编辑、插入等操作来完成夹具零件的工艺编制。该模块旨在对所设计的夹具零件进行工艺编制后，可实现夹具零件的快速制造，及时投入到实际生产中。

2.4 夹具校核库模块

夹具校核库是专用夹具CAD系统中一个极为重要的模块，如图8所示，它包括以下功能：①通过查询或click事件选取标准夹具零件；②读取非标准夹具零件或夹具；③对夹具进行校核：夹具定位误差分析、夹具运动仿真、静力学分析、夹具干涉检查；④对夹具零件进行校核：夹具零件夹紧力估算、夹具零件静力学分析；⑤后处理功能，它主要是完成夹具零件图或装配图的生成等操作。当点击“夹具定位误差分析”按键时，将出现图9、图10所示的常见定位方式误差计算和“一面两孔”定位方式误差计算界面，当确定具体定位方式和定位误差计算公式后，输入尺寸数据，即可计算总误差值并做出判断。图11为夹具校核流程图，从图中可知，当夹具设计完成后，按图中所示流程依次进行校核，直到所设计的夹具完成所有校核内容后，夹具设计工作才能结束。需要说明的是，在夹具校核模块中，除夹具定位误差分析功能外，夹具校核功能的实现均在CATIA V5软件中完成。

图8 夹具校核

图9 常见定位方式误差计算

图10 “一面两孔”定位方式误差计算

图11 夹具校核流程图

3 编程平台选择和部分程序介绍

本系统开发基于COM之上的CATIA Automation技术，它是由OLE Automation（Object Linking and Embedding Automation）发展而来的［6］。Automation的核心技术是允许一个应用程序去操作另外一个应用程序，图12为CATIA Automation技术的描述，从图中可知，CATIA软件可实现与外部应用程序共同分享对象数据，它向Visual basic 2010软件提供编程接口并可进行外部应用程序的访问［7］。

图12 CATIA Automation技术描述

3.1 编程平台选择

VB2010软件以其界面设计具有可视性、应用程序框架具有面向对象性、编写程序采用事件驱动方式、多线程编程和数据库功能开放性等特点，而被广泛应用在CATIA的二次开发中。本系统采用VB2010软件作为开发平台，在VB2010环境下完成程序的设计、调试和编译。

3.2 VB程序

①确定标准夹具零件库目录程序。

Public Class Form5

Private xlsLocs As Hashtable

Private basePath As String

Private part_path As String

Private Sub Form5_Load（sender As Object，e As System. EventArgs）Handles Me.Load

basePath=System.AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory（）&"attachmentForm52.Standard fixture parts library”

End Sub

②在标准夹具零件库模块下，确定所选夹具零件在CATIA界面中的坐标位置，即VB与CATIA通信程序。

Dim MYpartAs Part=MYpartDocument.Part

Dim MYbodiesAs Bodies=MYpart.Bodies

Dim MYbody As Body=MYbodies.Item（"PartBody"）

Dim MyHB As HybridBody=MYpart.HybridBodies.Add（）

MyHB.Name="Inputs"

Dim MyHSFAsHybridShapeFactory=MYpart.Hybrid-ShapeFactory

Dim center As HybridShapePointCoord

=MyHSF.AddNewPointCoord（CDbl（Me.txtCtrX.Text），CDbl（Me.txtCtrY.Text），CDbl（Me.txtCtrZ.Text））

MyHB.AppendHybridShape（center）

Dim lineZDir As HybridShapeDirection=MyHSF.AddNew-DirectionByCoord（0.0，1.0，1.0）

Dim lineZ As HybridShapeLinePtDir=MyHSF.AddNew-LinePtDir（center，lineZDir，0，100.0，False）

MyHB.AppendHybridShape（lineZ）

MYpart.InWorkObject=lineZ

MYpart.Update（）

4 标准夹具零件库建构和夹具虚拟装配

专用夹具CAD系统基于CATIA V5软件Mechanical design下的Partdesign模块来进行零件的参数化建模，应用知识工程（KBE）下的Product knowledge template（PKT）功能来完成零件的Power copy的建构［8］；应用VB2010软件完成夹具零件库程序编写和软件界面的设计，用EXCEL建立数据库。夹具虚拟装配设计时，从专用夹具CAD系统中向CATIA V5软件导入夹具零件，通过在夹具各零件之间建立位置约束或尺寸约束，实现夹具的虚拟装配。

4.1 标准夹具零件库建构

目前，大部分国家都已为夹具零件（包括全部组合夹具零件和常用专用夹具零件）制定标准，夹具零件上的大部分结构特征，如通孔、螺纹孔、键槽、T型槽等，是相同或相似的［9］，对于这种标准化的零件采用参数化的设计方法可明显提高设计效率并一定程度地减少人为错误。本夹具CAD系统中零件设计采用Formula设计方法，对建立的图形采用预定义的办法来确定尺寸约束关系，将一组尺寸设定成相互关联的几何约束集，再将所有的关联式采用Power copy命令复制到应用程序中，最后通过选定专用夹具CAD系统界面中不同参数尺寸值达到设计不同尺寸零件的目的［4］。在进行夹具零件建模和工程图生成的同时，为每一种夹具零件生成轴测图或工程图的JPEG图像，当在专用夹具CAD系统中查询、调用夹具零件时，这些图片可以显现出来，其以直观的形式表达零件的结构和尺寸信息。

在标准夹具零件库的建构过程中，为了便于对夹具零件的操作、管理和建模，以及CAD系统界面的设计和程序的编写，根据国家标准，对整个夹具零件进行分类划分，图13为标准夹具零件库结构图。当对夹具零件进行建模，或通过软件界面查询、调用夹具时，其次序和目录清单与图7中Treeview控件是一致的。

图13 夹具零件库结构

4.2 夹具虚拟装配

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术为设计者提供视、听、触觉一体化设计环境和对产品分析提供新手段［10］，因此，虚拟装配成为一门研究虚拟现实技术的重要课题。图14为采用专用夹具CAD系统设计夹具时的虚拟装配流程图，从图14中可以看出，夹具设计时，夹具非标零件用CATIA软件建模，标准夹具零件由专用夹具CAD系统导入，在CATIA软件中完成夹具由上而下和由下而上相结合的虚拟装配，然后按图8所示流程对夹具进行校核，若未通过校核，则重新设计非标件或重新选择标准件，直到满足夹具技术要求为止。

图14 装配流程

图15为某阀座零件采用虚拟装配技术装配好的钻夹具，图16为CATIA软件生成的夹具物料清单，图17为阀座零件三维模型。图18为本钻夹具中所用的部分标准夹具零件。从图15、图16中可以看出，该钻夹具标准夹具零件数量约占夹具所有零件数量的50%以上，设计时，若对这些标准夹具零件一一建模，则其工作量相当大，而采用专用夹具CAD系统来设计就可以节省大量时间。从图15装配目录树可知，夹具虚拟装配时，通过选择固定组件、平行、同心、垂直、相切、距离等约束关系来建立零件之间的装配关系，从而完成夹具的虚拟装配设计和模型的建构。

图15 钻夹具

图16 夹具物料清单

图17 阀座零件

图18 夹具中部分标准夹具零件

5 结束语

本文基于CATIA V5软件，应用VB2010、Excel软件完成专用夹具CAD系统的开发。在进行该系统研究开发时，先要对“夹具CAD系统”进行功能划分，以确定数据库数量及层次，再进行各类数据库的建立和软件主次界面的设计，最后完成系统程序的编写。从虚拟装配和系统设计过程可知：

（1）在设计专用夹具CAD系统时，系统整体结构划分及功能确定较为重要，它是软件编程、界面设计和功能实现的基础；

（2）从CAD系统结构图中可知，本系统中最大、最繁锁的工作是各类数据库的建立，数据库是系统的精髓，只有建立内容全面、数据准确、结构科学的数据库，才能保证系统发挥更加强大的功能；

（3）系统实现的关键技术是CATIA V5知识工程（KBE）的Product Knowledge Template（PKT）参数化建模技术、VB程序编写以及VB与CATIA通信接口技术；

（4）从实例看，采用本系统设计专用夹具能提高设计效率和设计质量，可在一定程度上避免设计错误的发生。

［1］柏合民，刘文剑，金天国.基于特征与参数化的夹具半自动化设计方法［J］.计算机辅助设计与制造，1998（9）：29-32.

［2］张世界，王新海，刘彦华.检索式计算机辅助夹具设计系统［J］.机械工艺师，1995（10）：20-22.

［3］Pham DT，SamA，Iazaro.Auto fix：an expert CAD system for jig and fixture［J］.Int of Mach Tool，Manufact，1990（30）：403-411.

［4］李双跃，殷国富，陈田.基于三维特征建模的专用夹具CAD系统［J］.四川大学学报，2001，33（3）：96-98.

［5］范炳炎，周卫华，缪薇.柔性夹具CAD系统研究［J］.南京航空学院学报，1992，24（4）：361-369.

［6］龙峰，樊留群.CATIAV5二次开发技术探讨［J］.淮阴工学院学报，2005，14（5）：21-27.

［7］黄莹.基于CATIA的圆盘烘口机关键部件参数化设计研究［D］.天津：天津科技大学，2008.

［8］尤春风.CATIA V5高级应用［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［9］李坤宏.基于CATIA的汽车焊装夹具计算机辅助设计［D］.重庆：重庆大学，2007.

［10］Fan Dai.Virtual Reality for Industrial Applications［M］. Berlin：Springer，1998.

（编辑 赵蓉）

Special Fixture CAD System Based on CATIA V5 Know ledge-Based Engineering

CUILian-he
（Mechanical Engineering Department，Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin Jiangsu 214405，China）

Based on CATIA V5 Know ledge-Based Engineering（KBE）functions，this paper presents the establishment of"novel fixture design system"using VB2010 software.During the system design stage，the system structure is planned firstly，then the system function is divided into sub-functions and the software interface is also designed.On the basis of the secondary development technology on CATIA Automation，the fixture parts library is established using the function of Power copy under the product know ledge template（PKT）module of Know ledge-Based Engineering.Finally，an example is used to demonstrate the results of virtual assembly.Demonstrated results have shown that proposed methods can improve the quality and efficiency of fixture design.

CATIA V5；special fixture；CAD system；know ledge-based engineering

TH166；TG65

A

1001-2265（2015）08-0127-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.033

2014-10-29

江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修计划资助（2012）

崔联合（1968-），男，安徽铜陵人，江阴职业技术学院副教授，硕士，研究方向为材料成形及机械制造，（E-mail）cuilianhe@126.com。