基于Catia的模型标准零件库的开发与应用

2018-09-18汪永辉

数码设计 2018年2期

汪永辉

(上汽大众汽车有限公司，上海，201800)

引言

汽车研发过程中，经常会制造各类模型，如前期的风洞模型，人机工程检验模型、色彩方案展示模型、数据控制模型等等，虽然这类模型的用途不同，精度也不同，但是在设计过程中都采用一面两销的定位方式，类似汽车零件中的RPS设计思路，因此会经常用到各类标准件，那么如何在设计过程中高效运用这些标准零件呢？

1 模型标准零件的类型及使用分析

在标准库建立之前，我们需要收集模型中用到的标准件种类，对于这些常见的标准件进行分别的统计。

1.1 模型中标准零件的类型

根据标准件的用途不同，一般可以分为定位类、紧固类、调整类、导向类、运输类。

定位类标准件，一般指的是对于零件的位置起到主导作用的标准件，如定位销子、定位销套；

紧固类标准件，一般是用于固定零件位置的，防止在匹配过程或者运输过程中，零件位置产生偏移情况的，如螺纹套、螺钉、螺栓等；

调整类标准件，在高精度模型中，单件精度和总成精度都有严格的要求，因此在总成装配情况下，经常需要对零件的位置进行调整，而且部分零件由于加工时候精度误差问题，也需要在主模型上调整。调整类的主要有偏心销子、偏心销套、垫片等组成。

导向类标准件，针对大型零件的安装，一般采用直线轴承方式进行导向，可以大幅减小模型工劳动强度，导向类一般由轴承、导向套、导向杆等组成。

运输类，这些标准件主要是由于模型制造场地与验收场地经常是不一致，因此模型运输过程中需要用到这类标准件，如万向轮，吊钩等

1.2 标准件在模型中的使用分析

针对上述一系列的标准件，需要提前对这些标准件的使用方式进行详细的分析及提取[1]，目的是方便后续在Catia中减少开发冗余环节，也使得标准件库在使用过程更加便捷。

传统汽车零件一般采用定位柱和卡扣的方式，尤其内饰零件。如图1所示，这样的好处成本低、适合拆卸、设计灵活。但是模型零件的精度要求相对较高，而且通常是铣削加工而成的，不适用该结构。

图1 汽车零件定位与紧固示意

模型零件一般采用更加稳健的机械定位及紧固方式，如图2所示，零件1与零件2之间以安装面接触，定位方式是两个销子，紧固方式采用四个螺栓，优点是在反复拆件调整过程中，零件1与零件2的相对位置能够保持不变，从而使得整个模型中的零件总成精度在可控范围之内。因此从图2中不难得出，模型零件的定位与紧固主要由安装平面、定位点或紧固点及安装方向组成，如果模型标准件库包含上述基本要素，就能够在后续设计过程中方便使用。

图2 零件1与零件2安装示意

2 Catia中标准零件库的建立

Catia三维设计软件是由达索公司开发的一款用途非常广泛的设计软件，特别是在汽车行业被广泛应用。它集成了部分知识工程，用户可以结合自身产品的特性来组建合适的零件库。

2.1 Catia中catalog功能介绍

在Catia软件中有知识工程模板，其中包含了Powercopy功能，即超级副本，如图3所示，使用人员能够很方便的将自己想要的参数输入到这个里面，主要包含超级副本的名字、输入元素，参数、相关文档等。其中输入元素指的是点、线、面等几何元素，而参数是指零件长、宽、高等具体尺寸参数，文档可以是零件的一种补充说明。

图3 Catia中Powercopy功能示意

2.2 标准件库中模板建立

针对模型零件中的标准件，结合上述超级副本功能，可以进行模板的建立。以螺纹沉孔为例解释模板的建立过程。

（1）螺纹沉头孔的主要参数如图4 所示，沉头孔的起始数据面，终止数据面，孔的位置(即在起始面上的点)，孔的方向。这四个参数是在今后引用标准库零件必备参数，因此这些参数必须是相互独立的，之间完全没有直接或者间接的引用关系，否则在后期建立零件库是容易报错。通过选择这四个参数后，在新的零件结构设计中，紧固位置即可完成螺纹沉孔的设计。

图4 螺纹沉孔初始参数

（2）以定位点做沉孔方向的法平面，以此平面构建螺钉沉孔的草图1(沉头孔的大小根据螺栓头来定，可以设定为参数 1)，并投影到初始平面上，做投影对象沿安装方向的极值点，并作安装方向过这点的法平面，并偏置一定距离(偏置大小为沉头孔的深度，可以设定为参数2)。以之前投影对象安装方向拉伸，并终止于偏置平面，在偏置平面上构建螺纹过孔草图2，并以安装方向拉伸到终止面，最终完成螺纹沉头孔模板3D数据。图5所示，为以上建立过程中的具体步骤图示解释。图6为最终沉孔模板完成后的状态。

图5 沉孔标准件模板示意

图6 螺纹沉孔示意

2.3 模型标准零件库的建立

分别提取定位类、紧固类、调整类、导向类、运输类等标准件的使用过程中的参数，根据上述模板建立的方式，建立一系列的标准件模板。

因为不同的标准件，具体的参数不一样。关于参数的更改，在Catia中提供了设计表(Design Table)批量输入零件参数[2-3]，最后完成整个模型标准库的建立，如图7所示，包含了销子、销套、螺纹套、螺栓、导向等一系列常用标准件，在模型零件结构设计时候可以方便的调用，大大提高了零件设计效率。

图7 模型标准零件库

3 模型标准零件库的应用

模型标准零件库的建立使得模型设计的效率大幅度的提升。在以往的模型设计过程中，经常需要查询各类标准零件参数，并绘制到实际数模中，如果设计零件多，手工输入方式不但效率地，还容易出错。通过模型标准零件库，可以通过直接选择类型，并通过几何元素的选择来完成上述步骤，十分的便捷。

3.1 标准零件库在人机工程检验模型中的应用

在汽车研发过程的人体工程,就是以人(驾驶员、乘客) 为中心,研究车身设计(包括布置和设备等) 如何适应人的需要,创造一个舒适的、操纵轻便的、可靠的驾驶环境和乘坐环境,即设计一个最佳的人-车-环境系统。在新车型的开发过程中离不开人机工程检验模型，这类模型能够让开发人员直观感受到各种人机交互，从而使得产品更加符合客户的需求。

图8所示，为典型人机工程检验模型中的底板结构，图示为前排座椅安装的拆件位置，为了节约制造成本，底板一般采用低密度的聚氨酯代木，而座椅在评价过程中会前后调节，因此受到一定的冲击力，低密度代木无法承受这样的冲击，故作了拆件处理，拆件采用更高密度聚氨酯代木。在底板上会布置很多图示中的销套孔及螺纹套孔，当确定了孔位置及零件安装方向后，可以选择使用标准零件库[4]。

以图9中的销套孔为例，在模型零件中建立安装面，选择好销孔的位置，一般销孔需要涵盖整个零件，采取对角线分布，这样的结构对于零件的定位效果较好。零件的安装方向确定，像底板类的零件一般为车身坐标Z向向下安装。首先打开模型标准零件库，选择销套类的标准件，根据零件的大小规格选择销套的规格，如图示9采用了D8-D12的销套规格，因此在标准零件库中即可选择该类型，打开后呈现图9对话框。具体操作步骤如下：

（1）选择销套孔的安装方向，一般是指向安装平面上的定位点，如果自动选择方向不正确，可以通过手动调整；

（2）选择零件的定位点，即今后销套安装的实际位置。定位点应该与零件边界保持一定的距离，否则容易在镶嵌销套时候使得零件开裂；

（3）选择销套孔的安装面；

通过以上步骤，可以实现底板上所有孔的结构设计。如果底板上的孔位较多，通过模型标准零件库能够的运用不但能够提升设计效率，而且能够减少设计错误的发生。

图8 人机工程检验模型部分底板结构

图9 标准零件库中销套孔使用过程

3.2 标准零件库在数据控制模型中的应用

数据控制模型(德语简称为DKM-Daten Kontroll Modell)[5]，根据光顺数据制造出与数据相适应的，用聚氨酯材料加工而成的实体物理模型，其中所有单件都是拆件制作。通过对实体物理模型的评价，最终对CAD数据进行确认验证。该模型对于零件直接的各种缝隙要求极高，必须严格按照CAD数据制造,表面质量要求在平行灯光反射下均匀，单件及总成都经过激光测量仪的严格测量，单件制造精度为±0.15mm, 局部模型总成制造精度为±0.25mm，整车模型总成制造精度为±0.4mm）[6]。

如图10 所示，为DKM中典型的前盖零件结构。包含安装面、安装点、定位点、导向位置等，由于该模型精度高，因此在设计时候一般会在零件和安装面之间预留一定的调整间隙，用于安装方向的调整，而前盖在 X、Y方向的调整一般是通过偏心销套或者偏心销进行调整。前盖上的定位孔位置一般成百对称布置，便于后期零件加工，螺纹孔均匀分布零件的安装面上，具体的标准零件使用步骤与人机工程检验模型相似，选定安装方向、选择定位点，最后确定安装面，如图11所示，为前盖在设计过程中对于标准零件库的使用过程。