基于Catia的模型標準零件庫的開發與應用

汪永輝

(上汽大眾汽車有限公司，上海，201800)

引言

汽車研發過程中，經常會制造各類模型，如前期的風洞模型，人機工程檢驗模型、色彩方案展示模型、數據控制模型等等，雖然這類模型的用途不同，精度也不同，但是在設計過程中都采用一面兩銷的定位方式，類似汽車零件中的RPS設計思路，因此會經常用到各類標準件，那么如何在設計過程中高效運用這些標準零件呢？

1 模型標準零件的類型及使用分析

在標準庫建立之前，我們需要收集模型中用到的標準件種類，對于這些常見的標準件進行分別的統計。

1.1 模型中標準零件的類型

根據標準件的用途不同，一般可以分為定位類、緊固類、調整類、導向類、運輸類。

定位類標準件，一般指的是對于零件的位置起到主導作用的標準件，如定位銷子、定位銷套；

緊固類標準件，一般是用于固定零件位置的，防止在匹配過程或者運輸過程中，零件位置產生偏移情況的，如螺紋套、螺釘、螺栓等；

調整類標準件，在高精度模型中，單件精度和總成精度都有嚴格的要求，因此在總成裝配情況下，經常需要對零件的位置進行調整，而且部分零件由于加工時候精度誤差問題，也需要在主模型上調整。調整類的主要有偏心銷子、偏心銷套、墊片等組成。

導向類標準件，針對大型零件的安裝，一般采用直線軸承方式進行導向，可以大幅減小模型工勞動強度，導向類一般由軸承、導向套、導向桿等組成。

運輸類，這些標準件主要是由于模型制造場地與驗收場地經常是不一致，因此模型運輸過程中需要用到這類標準件，如萬向輪，吊鉤等

1.2 標準件在模型中的使用分析

針對上述一系列的標準件，需要提前對這些標準件的使用方式進行詳細的分析及提取[1]，目的是方便后續在Catia中減少開發冗余環節，也使得標準件庫在使用過程更加便捷。

傳統汽車零件一般采用定位柱和卡扣的方式，尤其內飾零件。如圖1所示，這樣的好處成本低、適合拆卸、設計靈活。但是模型零件的精度要求相對較高，而且通常是銑削加工而成的，不適用該結構。

圖1 汽車零件定位與緊固示意

模型零件一般采用更加穩健的機械定位及緊固方式，如圖2所示，零件1與零件2之間以安裝面接觸，定位方式是兩個銷子，緊固方式采用四個螺栓，優點是在反復拆件調整過程中，零件1與零件2的相對位置能夠保持不變，從而使得整個模型中的零件總成精度在可控范圍之內。因此從圖2中不難得出，模型零件的定位與緊固主要由安裝平面、定位點或緊固點及安裝方向組成，如果模型標準件庫包含上述基本要素，就能夠在后續設計過程中方便使用。

圖2 零件1與零件2安裝示意

2 Catia中標準零件庫的建立

Catia三維設計軟件是由達索公司開發的一款用途非常廣泛的設計軟件，特別是在汽車行業被廣泛應用。它集成了部分知識工程，用戶可以結合自身產品的特性來組建合適的零件庫。

2.1 Catia中catalog功能介紹

在Catia軟件中有知識工程模板，其中包含了Powercopy功能，即超級副本，如圖3所示，使用人員能夠很方便的將自己想要的參數輸入到這個里面，主要包含超級副本的名字、輸入元素，參數、相關文檔等。其中輸入元素指的是點、線、面等幾何元素，而參數是指零件長、寬、高等具體尺寸參數，文檔可以是零件的一種補充說明。

圖3 Catia中Powercopy功能示意

2.2 標準件庫中模板建立

針對模型零件中的標準件，結合上述超級副本功能，可以進行模板的建立。以螺紋沉孔為例解釋模板的建立過程。

（1）螺紋沉頭孔的主要參數如圖4 所示，沉頭孔的起始數據面，終止數據面，孔的位置(即在起始面上的點)，孔的方向。這四個參數是在今后引用標準庫零件必備參數，因此這些參數必須是相互獨立的，之間完全沒有直接或者間接的引用關系，否則在后期建立零件庫是容易報錯。通過選擇這四個參數后，在新的零件結構設計中，緊固位置即可完成螺紋沉孔的設計。

圖4 螺紋沉孔初始參數

（2）以定位點做沉孔方向的法平面，以此平面構建螺釘沉孔的草圖1(沉頭孔的大小根據螺栓頭來定，可以設定為參數 1)，并投影到初始平面上，做投影對象沿安裝方向的極值點，并作安裝方向過這點的法平面，并偏置一定距離(偏置大小為沉頭孔的深度，可以設定為參數2)。以之前投影對象安裝方向拉伸，并終止于偏置平面，在偏置平面上構建螺紋過孔草圖2，并以安裝方向拉伸到終止面，最終完成螺紋沉頭孔模板3D數據。圖5所示，為以上建立過程中的具體步驟圖示解釋。圖6為最終沉孔模板完成后的狀態。

圖5 沉孔標準件模板示意

圖6 螺紋沉孔示意

2.3 模型標準零件庫的建立

分別提取定位類、緊固類、調整類、導向類、運輸類等標準件的使用過程中的參數，根據上述模板建立的方式，建立一系列的標準件模板。

因為不同的標準件，具體的參數不一樣。關于參數的更改，在Catia中提供了設計表(Design Table)批量輸入零件參數[2-3]，最后完成整個模型標準庫的建立，如圖7所示，包含了銷子、銷套、螺紋套、螺栓、導向等一系列常用標準件，在模型零件結構設計時候可以方便的調用，大大提高了零件設計效率。

圖7 模型標準零件庫

3 模型標準零件庫的應用

模型標準零件庫的建立使得模型設計的效率大幅度的提升。在以往的模型設計過程中，經常需要查詢各類標準零件參數，并繪制到實際數模中，如果設計零件多，手工輸入方式不但效率地，還容易出錯。通過模型標準零件庫，可以通過直接選擇類型，并通過幾何元素的選擇來完成上述步驟，十分的便捷。

3.1 標準零件庫在人機工程檢驗模型中的應用

在汽車研發過程的人體工程,就是以人(駕駛員、乘客) 為中心,研究車身設計(包括布置和設備等) 如何適應人的需要,創造一個舒適的、操縱輕便的、可靠的駕駛環境和乘坐環境,即設計一個最佳的人-車-環境系統。在新車型的開發過程中離不開人機工程檢驗模型，這類模型能夠讓開發人員直觀感受到各種人機交互，從而使得產品更加符合客戶的需求。

圖8所示，為典型人機工程檢驗模型中的底板結構，圖示為前排座椅安裝的拆件位置，為了節約制造成本，底板一般采用低密度的聚氨酯代木，而座椅在評價過程中會前后調節，因此受到一定的沖擊力，低密度代木無法承受這樣的沖擊，故作了拆件處理，拆件采用更高密度聚氨酯代木。在底板上會布置很多圖示中的銷套孔及螺紋套孔，當確定了孔位置及零件安裝方向后，可以選擇使用標準零件庫[4]。

以圖9中的銷套孔為例，在模型零件中建立安裝面，選擇好銷孔的位置，一般銷孔需要涵蓋整個零件，采取對角線分布，這樣的結構對于零件的定位效果較好。零件的安裝方向確定，像底板類的零件一般為車身坐標Z向向下安裝。首先打開模型標準零件庫，選擇銷套類的標準件，根據零件的大小規格選擇銷套的規格，如圖示9采用了D8-D12的銷套規格，因此在標準零件庫中即可選擇該類型，打開后呈現圖9對話框。具體操作步驟如下：

（1）選擇銷套孔的安裝方向，一般是指向安裝平面上的定位點，如果自動選擇方向不正確，可以通過手動調整；

（2）選擇零件的定位點，即今后銷套安裝的實際位置。定位點應該與零件邊界保持一定的距離，否則容易在鑲嵌銷套時候使得零件開裂；

（3）選擇銷套孔的安裝面；

通過以上步驟，可以實現底板上所有孔的結構設計。如果底板上的孔位較多，通過模型標準零件庫能夠的運用不但能夠提升設計效率，而且能夠減少設計錯誤的發生。

圖8 人機工程檢驗模型部分底板結構

圖9 標準零件庫中銷套孔使用過程

3.2 標準零件庫在數據控制模型中的應用

數據控制模型(德語簡稱為DKM-Daten Kontroll Modell)[5]，根據光順數據制造出與數據相適應的，用聚氨酯材料加工而成的實體物理模型，其中所有單件都是拆件制作。通過對實體物理模型的評價，最終對CAD數據進行確認驗證。該模型對于零件直接的各種縫隙要求極高，必須嚴格按照CAD數據制造,表面質量要求在平行燈光反射下均勻，單件及總成都經過激光測量儀的嚴格測量，單件制造精度為±0.15mm, 局部模型總成制造精度為±0.25mm，整車模型總成制造精度為±0.4mm）[6]。

如圖10 所示，為DKM中典型的前蓋零件結構。包含安裝面、安裝點、定位點、導向位置等，由于該模型精度高，因此在設計時候一般會在零件和安裝面之間預留一定的調整間隙，用于安裝方向的調整，而前蓋在 X、Y方向的調整一般是通過偏心銷套或者偏心銷進行調整。前蓋上的定位孔位置一般成百對稱布置，便于后期零件加工，螺紋孔均勻分布零件的安裝面上，具體的標準零件使用步驟與人機工程檢驗模型相似，選定安裝方向、選擇定位點，最后確定安裝面，如圖11所示，為前蓋在設計過程中對于標準零件庫的使用過程。

圖10 DKM中典型前蓋結構

圖11 前蓋使用標準庫過程

標準庫的使用極大簡化了設計過程中人工輸入參數的設計過程，只需要選擇固定的幾何元素便可以方便的完成模型零件的安裝結構設計工作。

4 結束語

汽車研發過程中需要制造各類物理模型用于檢驗零件結構或者造型數據，通過對這些模型中標準件使用的分析，提取其共同參數，建立模型專用標準零件庫，極大的提高了設計效率，降低了錯誤率，并在人機工程檢驗模型和數據控制模型中進行實際運用，為后續汽車各類模型設計提供了參考。

[1]李慧.探究基于 CATIA 的結構類標準件庫設計與運用[J].科技創新與應用, 2017, (26): 98-100.

[2]杜寶江.鄭飛飛, 等.CATIA 標準零件庫的開發.電子科技[J].2017, (9):34-41.

[3]沈衛東, 林芳.柔性人機工程檢驗模型的自主研發與制造[J].汽車工程師, 2006, (7): 11-14.

[4]沈燕輝, 鄒凌華, 等.基于CATIA標準件參數化設計及標準件庫建立[J].汽車工程師, 2012, (9): 53-55.

[5]沈衛東.數據控制模型[J].上海汽車, 2001, (12): 28-30.

[6]沈衛東, 顧力強.CAD／CAM與制造業信息化, 2006, (9): 32-35.