基于二次開發的焊裝夾具孔組工具開發與應用

李任君，譚洪強，張乂文，顧莉棟，劉曉楠

基于二次開發的焊裝夾具孔組工具開發與應用

李任君1，譚洪強1，張乂文1，顧莉棟1，劉曉楠2

（1.長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022； 2.一汽模具制造有限公司 智能裝備機械設計部，吉林 長春 130022）

孔特征組合（簡稱：孔組）形式在汽車焊裝夾具設計中應用廣泛，其設計特點是工作量大但操作簡單重復。為提高汽車焊裝夾具孔組設計效率，文章應用CATIA Automation二次開發技術，編寫了汽車焊裝夾具孔組快速設計應用程序，大大提高了汽車焊裝夾具孔組的設計效率。通過實例驗證，孔組工具可提高設計效率約70%，為焊裝夾具的智能化設計奠定一定基礎。

焊裝夾具；孔組工具；CATIA；二次開發

法國達索公司的CATIA軟件在世界計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）/計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）/計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）領域占據重要地位，其在汽車焊裝夾具設計中應用廣泛。汽車焊裝夾具結構設計中會有多種孔特征組合形式（簡稱：孔組），以保證銷、軸等通過。通常這些孔組形式有二銷二沉頭孔、二銷二過孔、二銷四過孔、二銷四螺紋孔等。雖然CATIA在焊裝夾具設計中表現出強大的圖形繪制能力，但進行手動打孔操作時，易出現低效易錯的問題。

基于CATIA二次開發提升設計效率的應用研究，國內外學者及工程師做了大量研究。梁鋒等[1]針對手工測量統計零件重量低效的問題，開發出了調用GetMeasurable函數的程序，實現了零件重量批量測量并導入；朱立達[2]針對人工方式提取物料清單（Bill Of Material, BOM）效率低、易出錯的問題，通過應用二次開發手段，編寫了自動生成焊裝夾具BOM的程序；呂奉陽等[3]針對圖紙設計中鏈接替換失效的問題，采用二次開發手段，編寫了圖紙鏈接替換程序，提高了工作效率、提升了設計質量；ROJAS-SOLA等[4]針對CATIA中缺乏相關集成工具的問題，開發出了應用于圓柱與圓錐展開的應用程序，提升了設計效率。對于孔組的快速設計二次開發，文獻中較少提及。根據工程師的設計習慣，無論是采用單個打孔還是孔陣列的方式，相較于自動化設計程序，設計效率均較低。

通過應用CATIA二次開發技術，結合VB（Visual Basic）軟件，開發出孔組設計程序。通過算例驗證，表明本文所述二次開發程序可以大幅提升孔組設計效率，這將有利于提高汽車焊裝夾具產品的設計效率，縮短設計周期。

1 汽車焊裝夾具孔組

1.1 設計特點

圖1為焊裝夾具設計較常見的孔組形式，孔特征組合模式較為固定，其中孔的特征與個數都較為固定。孔在CATIA中應用設計模塊完成，需要進行孔類型選擇，孔坐標定義等操作，本身構造簡單，操作簡單。

1.2 存在問題

在實際打孔操作過程中，每個設計人員的習慣都有所不同，如單個打孔再約束或應用陣列的方式。陣列方式設計孔組較單個打孔的效率提升一些。但由于孔特征不同，一個孔組很難一次陣列完成，因此，工作量方面沒有本質改變。經過分析得知，孔組特征具有操作簡單且重復的特點，對于此類工作，應用計算機程序進行處理較為適宜。孔組完成后，為了在后續生產加工中提高孔的辨識度，需要對孔賦以不同的顏色來區分類型。雖然孔組設計的工作內容簡單，但當需要大量重復操作時，人工操作易出現疲勞出錯等問題，進而影響設計效率，最終影響整車的開發周期。

2 焊裝夾具孔組程序設計

2.1 CATIA二次開發簡介

CATIA二次開發過程就是利用CATIA提供的應用程序接口（Application Program Interface, API）進行軟件功能拓展，是用戶根據需要對CATIA的功能進行定制的過程。它可以使軟件更好地為用戶服務，大大提高工作效率與質量[5]。CATIA 提供了兩種編程接口，一種是自動化對象編程（Automation），一種是開放的組件應用架構（Component Application Architecture, CAA）。Automation是基于組件對象模型（Component Object Model,COM）技術的編程接口，描述了CATIA二次開發編程對象架構，包含不同接口中每個對象的方法屬性，是進行CATIA二次開發的重要參考資料。CAA功能全面，穩定性好，適合深層次的CATIA二次開發，但是需要使用專業的編程軟件及工具。自動化開發雖然不能開發完成嵌入CATIA的可交互的程序，但能使用select方法實現簡單的選擇或選擇集交互，可以滿足多數工程設計問題。

2.2 孔組程序實現方法

基于CATIA二次開發的焊裝夾具孔組程序流程如圖2所示。在焊裝夾具孔組設計時，孔組參數等較固定，因此，可以指定相關數據，也可以通過參數傳遞的方式完成。孔距采用默認常規數值進行處理。如果有特殊設計要求，可以單獨指定，以增加程序的柔性。

圖2 程序流程圖

為增加程序可讀性與易維護性，將關鍵功能均編輯成函數功能。這樣在出現問題后，只需要維護相應函數即可。選擇關鍵功能及關鍵代碼如下：

Dim InputObjectType(2)

InputObjectType(0) = "TriDimFeatEdge"

InputObjectType(1) = "BiDimFeatEdge"

InputObjectType(2) = "Face"

Status=sel.SelectElement3(InputObjectType, "Select the Edge", True, CATMultiSelTrigg When Sel Perf, False)

If (Status ="cancel") Then Exit Sub

選擇完連線與面后，程序會自動求解邊線的中心坐標與面中心坐標。此時，會應用到CATIA自動化接口中的空間分析（Space Analysis）模塊。其關鍵代碼如下：

Dim mes_edge, Coord_edge(8), cEdge

Set cEdge =oEdge

Set mes_edge = wb.GetMeasurable(cEdge)

mes_edge.GetPointsOnCurve Coord_edge

在程序中得到連線與孔的中心坐標后，需要應用此二中心坐標解算出孔組中各孔中心坐標（見圖3）。設此時孔組支撐面邊線中心點坐標為(1,1,1)，支撐面中心坐標為(2,2,2)，兩中心間距為，而孔組中相鄰孔的中心距為△。則中心距為

圖3 孔組中心坐標解算方法

根據解析幾何中空間線段與點坐標的關系可知，相鄰孔中心距、線段長與點坐標的關系為

根據式（2）可解處出孔組中孔坐標為

在孔組工具程序運行過程中，孔組中各孔中心坐標通過代碼進行自動求解，無須人工干預，其關鍵代碼如下：

Dim Hole_x, Hole_y, Hole_z

Hole_x = l_x + delt_L * (f_x-l_x) / cLength

Hole_y = l_y + delt_L * (f_y-l_y) / cLength

Hole_z = l_z + delt_L * (f_z-l_z) / cLength

其中，Hole_x, Hole_y, Hole_z分別為孔組中第一孔的坐標值；1_x，1_y，1_z分別為與孔組中心線垂直的邊線中點；f_x，f_y，f_z為支撐面中心點坐標；delt_L為孔組孔中心距；cLength為邊線中心點到支撐面中心點的距離，即。在求第二孔中心坐標時，只需將2*delt_L代入即可，運算方便。

孔中心距是孔組設計過程中的重要參數，產品進行更新時，可能會出現孔距變化的情況。本文所述孔組工具也考慮到了此種情況，因此，孔中心距通過參數進行傳遞，這樣可以提高程序柔性。在設計中，如孔距發生變化，只需修改相應參數即可，可以很好地適應新設計變化。圖4為孔組工具參數接收框，其默認孔中心距為15 mm。

圖4 孔組孔中心距參數框

因為已經算出了孔中心坐標，所以在打孔操作時，只需要應用PartDocument下的Shape Factory中的AddNewHoleFromPoint即可，其關鍵代碼如下：

Set gHole = oSF.AddNewHoleFromPoint(x,y,z, cSurf, oDepth)

gHole.diameter.Value = oDiameter

oPart.update

其中，cSurface為支撐面；oDepth為孔深度。

在完成孔組各孔生成任務后，為便于后續加工制造，需要按孔類型賦以孔不同顏色，這樣過孔、階梯孔、螺紋孔等都可以很清晰辨識。采用循環與判斷結合的方式進行孔組顏色更新，其關鍵代碼如下：

For Each Shape In oBody.Shapes

If TypeName(Shape) = "Hole" Then

oDia = Shape.diameter.Value

If oDia = 6 Then

oSel.Add Shape

oSel.VisProperties.SetRealColor 0, 0, 255, 1

oSel.Clear

Else

oSel.Add Shape

oSel.VisProperties.SetRealColor 0, 175, 175, 1

oSel.Clear

End If

End If

Next

3 實例驗證

圖5為孔組工具程序測試過程，其中圖5(a)為CATIA設計模塊下的零部件，其大小為75 mm× 20 mm×20 mm。圖5(b)為程序運行開始，操作人員用鼠標選擇一條邊，虛線為選擇的邊線。圖5(c)為邊線選擇后，操作人員用鼠標選擇支撐面。在操作人員輸入相應孔中心距參數后，程序自動打孔并更新其顏色。圖5(d)為測試部件最終的完成效果圖。

圖5 實例驗證孔組工具效果

經驗證，孔組工具運行順暢，孔組中各孔按預期完成，并按類型正確更新了顏色。應用孔組工具可以避免逐個打孔或陣列打孔的低效與重復。經實際對比測算，應用孔組工具較手動打孔可提升效率70%左右。

4 結論

汽車焊裝夾具的設計效率，直接影響著新車型的開發周期。在焊裝夾具的智能設計中，使用二次開發程序來避免重復性的工作是一種高效、可靠的方法。本文應用CATIA二次開發技術，借助VB軟件開發了一個汽車焊裝夾具孔特征組合快速生成的應用程序。通過 CATIA 實際零部件驗證，顯示該程序實現了孔組的快速、高效生成，提高效率大約70%，對縮短設計周期，減輕設計人員負擔具有重要意義。本文介紹方法不僅限于孔特征的組合，對于其他類別特征組合，同樣具有借鑒與參考意義，為汽車焊裝夾具智能設計奠定一定基礎。由于本文介紹方法中孔坐標是通過數學解析而來，所以如果出現設計變更時，無法實現各孔坐標的自動更新。這也將是下一步的研究內容，將會使孔組工具更加實用。

[1] 梁鋒,鐘建強,羅培鋒,等.基于VB 6.0的CATIA二次開發在零件測量中的應用[J].汽車實用技術,2021,46 (2):38-40.

[2] 朱立達.基于CATIA二次開發的焊裝夾具BOM自動提取[J].機械工程師,2017(7):109-110.

[3] 呂奉陽,楊金秀,羅培鋒.基于VB6.0的CATIA二次開發在圖紙設計中的應用[J].汽車實用技術,2019,44 (5):88-91.

[4] ROJAS-SOLA J I,RíO-CIDONCHA G D,ORTíZ- MARíN R,et al.Design and Development of Sheet- metal Elbows Using Programming with Visual Basic for Applications in CATIA[J].Symmetry,2020,13(1): 13010033.

[5] 郭佼.基于CATIA二次開發的機翼參數化建模[J].中國科技信息,2023(2):47-50.

Development andApplication of Welding Fixture Hole Group Tool Based on Secondary Development

LI Renjun1, TAN Hongqiang1, ZHANG Yiwen1, GU Lidong1, LIU Xiaonan2

( 1.School of Mechanical Engineering,Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China; 2.Intelligent Equipment Design Department, FAW Tooling Manufacturing Company Limited, Changchun 130022, China )

Hole feature combination (short for:hole group) form which design characteristics are heavy workload but simple repetition is widely applied in the design of automotive welding fixture. To improve the design efficiency of hole group in automotive welding fixture, programs a rapid designing application tool for automotive welding fixture hole group based on CATIA Automation secondary development technology.This application tool can improve the design efficiency of automotive welding fixture hole group greatly. By the test verification in the real design atmosphere, the hole group tool improves the design efficiency nearly 70%. Furthermore, the research in this paper lays a certain foundation for the intelligent design of welding fixture in the future.

Welding fixture; Hole group tool; CATIA; Secondary development

U466

A

1671-7988(2023)20-122-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.024

李任君（1983－），男，博士，講師，研究方向為智能設計及仿真分析，E-mail:renjun.li@cust.edu.cn。

吉林省科技發展計劃（20210203026SF）。