0 引言

    在航空和汽車設計領域，CATIA已經成為了必選的設計輔助工具。我國航空工業列入規范的航空標準件大約有3000多種。據統計，一架空重20噸左右飛機上所用的標準件總數約為70～80萬件，其中電氣元件占了很大一部分。如此龐大零件數量，使得其不但在設計、制造上十分困難，而且在管理上也非常困難，建立一個能夠最大程度滿足實際設計的電氣元件庫十分的必要。

    用CATIA中的Catalog模塊來管理標準件的研究已經比較深入了，但是大部種標準件庫區別僅僅庫名稱的不同，庫中的零件沒有自身的特性，調用庫中標準件后，還要對每個標準件進行特征的定義，標準件人機交互性十分的不便，不利于設計的順利進行。針對電氣準件庫，本文提出基于知識工程的參數化建模和電氣元件的連接原則來創建符合實際設計的電氣元件庫，本文總體框架為如圖1所示。

圖1 電氣元件庫總體的框架

1 基于知識工程參數化設計理論

    1.1 參數化設計概述

    所謂參數化設計就是采用預先定義的辦法建立圖形的幾何約束集，選定一組尺寸作為參數與幾何約束集相關聯，并將所有的關聯式融入到應用程序中，然后采用人機交互方式通過對話框修改參數尺寸，最終由程序根據這些參數順序地執行表達式來實現的方法。

    參數化設計具有很高的應用價值，它極大地改善了產品圖形的修改手段，提高了設計的柔性。在概念設計、動態設計、實體造型、裝配、公差分析與綜合、機構仿真、優化設計等領域中，參數化設計發揮著越來越大的作用。參數化建模的關鍵在于用參數(Parameters)、公式(Formula)、設計表格(Design Tables)等驅動幾何圖形從而達到改變幾何圖形的目的。在實際的產品設計中，經常會遇到系列化產品的設計和標準件、常用元件庫建立等技術問題。這時，采用參數化設計方法，將是高效、快捷建模的最佳手段。

    1.2 基于知識工程的參數化

    CATIA的知識工程模塊是人工智能在信息處理方面的延續，它的根本目的是開發人工智能系統，補充和擴大人腦的功能，開創人機共同思考的時代。利用知識工程建模，一方面，基于知識工程的設計可以實現特征尺寸的修改，通過建立尺寸與特征的關聯，使得模型的特征與尺寸的關聯信息更加明確。另一方面，可以按照設計標準引入校核，在對變量進行約束的同時在變量與變量之間構建函數約束關系，組成一個設計校核庫。通過在參數化設計的過程中引入CATIA知識工程模塊的相關功能，可以彌補參數化設計在特征關聯方面的不足。

    基于知識工程建立標準件模型的流程為：在標準件建模之前，通過formula命令，建立標準件建模過程中所需要的參數，該參數是建立標準件尺寸數據與幾何特征聯系的橋梁；在模型草圖繪制的過程中的，通過Edit Formula命令，建立參數與幾何特征的函數關系；完成標準件建模后，通過Design Table命令建立標準件的尺寸信息表格；然后向尺寸信息表格中添加標準件各個型號的尺寸信息，形成標準件的設計表；最后，選擇標準件設計表的每個規格，查看標準件模型特征是否變化，完成標準件幾何特征及設計表信息的校核。標準件的建模流程如圖2所示。

圖2 標準件的建模流程

    通過知識工程與參數化建模相結合的方式構建的標準件模型，建立了標準件設計表，實現了標準件模型幾何信息的參數驅動，為標準件模型的參數化批量生成建立了程序接口，為構建包含所有模型的標準庫打下了基礎。圖3為基于知識的參數化設計的基本構架示意圖，這種基于產品知識的參數化設計是把知識工程與參數化設計有機地結合起來，它用知識工程原理來組織產品數據，表達成產品的知識庫。它用較完整的面向對象的高級語言來描述特征，并在特征造型中使用參數化的同時，又利用結構化的高級語言參數化地變動尺寸和特征。

圖3 基于知識的參數化設計的基本構架示意圖

2 基于連接原則的電氣元件

    基于知識工程的參數化設計的零件沒有電氣元件的特性，不是一個完整的電氣的元件，在實際電氣設計中缺乏良好的人機交互的性能，不能很好的滿足設計的需求。因此電氣屬性和電氣連接點的添加十分的必要。

    2.1 電氣屬性和電氣連接點

    在航空電氣設計領域中，根據電氣元件的實際應用和功能可分為圓形連接器，矩形連接器，尾線夾，開關，支架，斷路器，防磨邊，接線端子，卡箍等；而在CATIA電氣模塊中電氣屬性主要包括安裝設備“Mounting Equipment”、設備“Equipment”、外殼“Shell”、連接器“Connector”、端子“Contact”、盲堵“Filler plug”、后殼“Back shell”、保護層“Protective covering”和支撐“Support”，連接器按類型又可以分為單一插接連接器、軸銷、外部接頭、端子排、接線盒、多接口插接連接器、內部接頭。安裝設備與設備的區別：設備專指電氣設備（如收放機），安裝設備指用于固定電氣設備的設備（如儀表臺）。電氣元件定義完電氣屬性成后大部分電氣元件需要定義連接點，為電氣設計中的電氣元件之間合理的配合以及電氣線束的布置打下基礎。電氣連接點主要包括支撐腔“Cavity”、端點“Termination”、連接器連接點“Connector connection point”、電纜線束連接點“Bundle connection point”、腔連接點“Cavity connection point”、后殼附件連接點“Back shell connection point”和外殼連接點“shell connection point”，表1為各電氣組件的具體定義。

表1 電氣組件的定義

    2.2 電氣元件之間的連接原則

    正確合理的定義電氣屬性既保證了電氣元件連接的合理性又為電氣連接點的添加提供了依據。例如，當定義電氣元件的電氣屬性為盲堵“Filler plug”時，那么此電氣元件有且只能定義連接器連接點“Connector connection point”，而且只能與定義安裝設備“Mounting Equipment”、設備“Equipment”、外殼“Shell”、連接器“Connector”的電氣元件上的支撐腔“Cavity”連接點連接配合。

    如表2所示，列出了部分電氣元件的連接原則。

表2 部分電氣元件的連接原則

3 實例論證

    MIL-DTL-38999系列電連接器具有三頭螺紋快速連接，因有防松機構，具有自銷功能，能夠防錯插、防斜插、防誤插、可實現盲插，具有很好的防電磁干擾功能，廣泛應用與航空設計中。如果能建立一個模型庫，在實際產品設計中根據設計需求從庫中調用合適的連接器，被調出的電連接器定義了電氣屬性和電氣連接點，可直接嵌入到產品的設計過程中，極大的加快了設計的速度，大幅度的降低了設計成本。下面通過MIL-DTL-38999中的圓形連接器為例說明CATIA V5R16環境下建立一個滿足航空實際設計需求的電氣元件庫。

    3.1 實體參數化建模

    首先建立所需要的參數，在建立參數的時候不僅僅只是尺寸的參數，例如PartNumber、Mass、Material參數也十分重要。然后選定一組尺寸規格參數作為建模的依據，參數化建模是通過添加尺寸約束來實現的。

    3.2 創建設計參數表

    設計表提供了產生和管理系列零件的工具，系列零件具有相同的參數、類似的結構，只是參數值不同。設計參數表功能可以將標準件的不同尺寸規格以二維表的形式組織起來加入實體模型，進而實現實體模型的表格驅動，即用戶選取表中的某一行參數，實體模型就依據這一組參數進行尺寸驅動，生成新模型，標準件規格尺寸較多，每一個規格的零件PartNumber-定是不同的。設計表靈活性在于可以隨時對設計的參數表進行修改和編輯。

    3.3 創建規則，添加檢驗

    對于參數和公式功能，所有的CATIA用戶均可使用，但是規則和檢查屬性只適用于知識工程顧問的產品。使用知識顧問(Knowledge Advisor)模塊下屬的規則功能，規則類似于程序設計語言的條件語句，在滿足條件的情況下執行一些指令，如定義參數或方程，或者發出提示信息，這種方法可以實現更為靈活的參數控制功能，例如：if(Material==ALLOY) Cost=500 else Cost=100。

    檢查是一系列判斷表達式，為用戶提供是否滿足某種狀況的信息，用來提醒用戶的違規；例如：若條件是cost>2000，則檢查可顯示警告“成本太高，變更材料”。

    3.4 添加電氣屬性和連接點

    根據MIL-DTL-38999圓形連接器在實際航空設計中的應用以及參考論文中連接原則，如圖4所示的圓形連接器，定義圓形連接器電氣屬性為單一插接連接器(Single Insert Connector)時，可定義的連接點有支撐腔(Cavity)、連接器連接點(Connector connection point)、腔連接點(Cavity Connection point)、電纜線束連接點(Bundle connection point)、后殼附件連接點(Back Shell connection point)，再根據實際設計的應用，選擇定義“connector connection point”精確而合理的與另一個圓形連接器配合，定義“Bundle connection point”為出線束的點，定義“back shell connection point”快速合理的與尾纖夾配合，尾線夾的作用是用來固定和控制線束的方向。

圖4 定義電氣屬性和電氣連接點

    3.5 建立電氣標準庫與零件的檢索

    圓形連接器MIL-DTL-38999系列標準件庫構建完成后的效果如圖5所示。

圖5 Catalog目錄結構

    當需要快速與精確的調用庫中成千上萬的零件時，可以在“filter”對話框中用（x.“參數名稱”比較運算符“具體長度（字符串）”）邏輯運算符（x.“參數名稱”比較運算符“具體長度（字符串）”）……。格式來快速的進行零件的檢索。例如當需要參數A的值為30.2，參數B的值16.53時，輸入(x.“A”==30.2mm)AND(x.“B”==16.53mm)，如圖6所示，就會迅速又精確的檢索到所需要的零件，提高設計過程中對所需零件的檢索能力。

圖6 檢索零件界面

4 結束語

    本文對CATIA的電氣模塊的標準件庫的創建進行了研究和分析，闡述了標準件庫的構建過程，采用本文闡述的方式構建的CATIA電氣模塊標準件庫可以滿足企業的實際使用需求，為設計過程中電氣元件之間的裝配的合理性以及線束的設計的打下了基礎。本文的研究成果已經應用于上海飛機設計研究院的標準件管理系統中。

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本文標題：基于CATIA電氣元件庫的設計與實現

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