CATIAV5将知识工程应用于汽车零部件开发

数字化设计

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基于知识工程的CATIA V5可以实现产品定义过程的自动操作，利用企业现有标准加快确定设计方案，帮助设计人员在最短的时间内做出正确的决策并实现零错误的最佳设计和提高产品质量。本文以汽车零部件开发为例，深入介绍了 CATIA V5知识工程功能的应用。

CATIA V5将知识工程应用于汽车零部件开发【武汉理工大学汽车工程学院 熊欣】【上海江达科技发展公司武汉办事处 马洪阁】

一、基于知识工程的CATIA V5CATIA V5的知识工程主要体现为一系列智能化软件模块，包括知识工程顾问(K W A,C A T I A K n o w l e d g e Advisor )知识工程专家、 (KWE, CATIA Knowledge Expert)、产品知识模板 (P K T,CATIA Product Knowledge Template )、业务流程知识模板(BKT, CATIA Business Process Knowledge Template)、产品工程优化(P E O, CATIA Product Engineering Optimizer)、产品功能定义(PFD,CATIA Product Function Definition)和产品功能优化 (PFO,C A T I A P r o d u c t F u n c t i o n Optimization)用户通过提供方便易等。用的知识工程环境来创建、访问以及应用企业知识库，在保存企业知识的同时，充分利用这些宝贵的经验。它的作用主要体现在两方面。第一，帮助企业把规范的设计信息、最优的设计方法和流程等隐含的知识轻易地转化为正规的显式的知识。CATIA V5可以将“知识”以参数 (Parameters)、公式(Formulas)、规则(Rules)检查、 (Checks)、报告(Reports)、设计表

(Design Tables)应变、 (Reactions)创、成式脚本 (Generative Scripts)等多种形式表示出来，还可以把这些智能资产封装为产品设计模板直接使用。这一方面应用了企业的最佳设计经验，另一方面也保护了企业的智能资产，并且企业可以在任何时候定义、修改、插入任何类型的“知识”。第二，给企业提供了在产品全生命周期都可以捕捉与重用企业知识的能力。建立知识库的目的是为了在产品开

发过程中所有相关技术人员都可以高效利用 CATIA V5自动捕捉建立在系统中的知识。这种独一无二的知识驱动以及产品设计方法，不仅应用于产品造型阶段，而且贯穿于从设计分析到制造，从单个零件的设计到整个产品的电子样机，这样在设计效率上远远超过了传统的参数化或变量化设计软件系统。 CATIA V5通过知识工程还把产品开发过程中涉及到的多学科知识有机地集成在一起，从而带动企业相应各部门间的紧密联系以及产品信息共享，更好地支持了并行工程和协同设计能力。CAD/CAM与制造业信息化

二、汽车零部件开发应用1.开发应用的软件环境 CATIA V5R11(CATIA Version 5 Release 11)除了增加7个新模块和增强 100多个应用程序外，还加强了覆盖整个汽车开发流程的能力。由于篇幅的原因，这里主要介绍使用其中的零件设计 (PDG,CATIA Part Design)创成式曲、面设计 (GSD, CATIA Generative Shape Design)和知识工程顾问(KWA,CATIA Knowledge Advisor)三个模块来完成开发工作。具体在建模方面，使用 PDG和 GSD模块相应工具进行混合建模。在知识工程方面，主要使用 PDG和 GSD模块中的 Knowledge工具条，如图 1所示。

图1 Knowledge工具条

这一工具条还内嵌到其他设计模块中，设计人员可以不必切换到专门的知识工程模块直接使用。除此之外，还使用 KWA模块中的Reactive Features工具条，如图 2所示。

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设计步骤，如图 3所示。另外，还必须注意以下几点：图2 Reactive Features工具条

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Checks中的代码语句或函数公式，这些源代码应该是开放式的，可依据变型设计需求进行更改、删减或补充。第四，设计过程并不是严格意义上

设计人员可以把在产品设计中涉及的行业设计标准、尺寸关联、尺寸约束和特征关联等信息，采用工具条提供的公式 (Formula)设计表、 (Design Table)、函数 (Law)规则、 (Rule)和检查 (Check)等方法表达成模块化的面向对象的高级语言代码，其中：可以通过公式表 Formula (公式)示待定变量与自定义变量和其他一些参数之间的关系，即

借助公式驱动尺寸值。 Design Table (设计表)可以创建、调用和管理外部 E x c e l表格数据 (*.xls)或者文本文件数据 (*.txt)这，些数据表示相关的零部件尺寸信息，直接通过修改外部数据来实现零部件的系列化。 Law (函数)可以建立曲线参考方程，在使用平行曲线工具(p a r a l l e l curves)绘制曲线时，生成与预先建立参考方程相一致的函数曲线。 Rule (规则)可以通过编写程序代码，有条件地改变尺寸的值，有条件地激活或隐藏特征，从而实现尺寸驱动和特征驱动。 Check (检查)可以着重标明在校验过程中涉及的参数，从而方便地确认违反了哪一条行业设计标准或违反了哪一条设计约束，并立即提示设计人员出错，需修改设计。若设计人员没有及时修改设计或修改仍未符合设计标准或设计约束，将始终显示警示图标，直至修改符合校验条件。图4模型特征树图3 CATIA V5知识工程应用简单流程图

的“串行”过程，必须根据模型的实际情况来确定，几个步骤可以交叉进行。设计完成后，只需修改模型特征树的Parameters项中相应的变量值，即可实现包括自动尺寸修改和自动特征修改的设计目标。这时，基于知识工程的CATIA V5将实时改变模型的尺寸和特征，同时检验模型是否符合设计要求，并及时与设计人员对话，给出适当的建议，让设计人员对设计做出进一步调整。 2.汽车变速箱渐开线圆柱齿轮开发实例 (1)齿轮渐开线的绘制由解析几何中的圆的渐开线成形原理，我们可以得到其数学表示方法有两种： 1)极坐标方程第一，在特征树中，检查是否有 Parameters和Relations两项，如图4所示。若没有则在Option对话框中打开Tools→ Options→ General→Parameters and Measure→Knowledge→Parameter Tree View→With Value、 With Formula和Tools→ Options→ Infrastructure→ Part Infrastructure→Display→Parameters、 Relations。第二，创建Parameters变量应当恰当。在设计中，应根据实际的设计要求和产品结构选择那些对产品的结构、形状和装配位置等起决定作用的尺寸定义为变量，且数目不宜过多，还要注意不

同类型变量运算时之间的单位转换，如 real其中—基圆半径、—圆心角：两种方法都可在 CATIA V5中生成渐开线，这里选用参数方程作为参考，使用 Law分别写入 x函数 (如图 5所示)和 y函数，结合 GSD中的曲线工具生成渐开线。 (2) 斜齿螺旋线的绘制由机械原理知识可知：斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成方法与直齿圆柱齿轮相似，只不过是发生面上的直线不平行其中—基圆半径、—向径、—:展角、—压力角 (注：与齿轮分度圆压力角不同) 2)参数方程

基于知识工程的 CATIA V5能有效 (实数)变量与 Length(长度)变量之间地把产品的知识库结合到产品的开发设计中去，能使设计人员在确保提高设计效率的同时，遵循最佳的设计实践，开发的转换等。第三，在设计过程中，相关的知识被设计人员表达为编写在Formulas、 Rules、CAD/CAM与制造业信息化

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于轴线而与之形成一个角度

。当发生

就会自动发出警告，如图 7所示。

面沿基圆柱作纯滚动时，线上任一点的轨迹都是基圆柱的一条渐开线，而整个直线则展出一个曲面，该曲面与基圆柱的交线是一条螺旋线(其螺旋角等于夹角 ),故称为渐开线螺旋面。可见，斜

齿轮在垂直于轴线的平面 (通称为端面)上，其齿廓曲线为渐开线，而斜齿轮齿的轴向偏斜程度由决定，当=0时，斜图9外部Excel表格

5)改变特征树Parameters中的控制参数，如图 10所示，就可以生成不同型式的齿轮，如图 11所示，而不需要重新建模。

齿轮就演变成了直齿轮。可见，直齿轮可视为斜齿轮的一个特例。

图6 Rule (规则)对话框

图 5 Law(函数)对话框

根据这一原理，绘制斜齿螺旋线，并创建两个控制参数螺旋角bl和：“螺旋角方向”。 (3) 基于知识工程的渐开线圆柱齿轮模型 1)创建控制参数模数m和齿数z,设置 m的取值与国家标准保持一致，借助 Formula使z与圆周上阵列数相等，并使其他参数与 m和 z产生关联。 2 )将有关的强制性设计要求写入 Rule,如图6所示。 Rule.1表示：正常齿制时，齿顶高系数 h a l= 1、顶隙系数 cl=0.25短齿制时，al=0.8、l=0.3。; h c Rule.2表示“螺旋角方向”左旋或右旋与模型特征的关系，当属性值为 True

时，该特征被激活，出现在模型中当属性值为False;时，该特征被隐藏，不出现在模型中。 3)将相关设计经验写入 Check,如图 6所示。 Check.3表示：螺旋角 bl一般为 8°至 20°,如果超出这一范围，系统图8 Design Table设计表) (对话框CAD/CAM与制造业信息化

图7警告窗口

图10特征树Parameters参数) (分支

4)使用Design Table将国家标准的普通平键槽尺寸与齿轮轴孔直径联系起来，如图 8所示，生成外部 Excel表格数据，如图 9所示。只需修改外部 Excel表格，就可以产生一系列轴孔与平键槽尺寸，并直接反映到Design Table中。图11不同型式的齿轮

6)通过创建新的 Parameters和 Design Tables,更改、删减或补充编写在 Formulas、 Rules、 Checks中的代码语句或函数公式，生成更复杂的齿轮模型，如腹板式齿轮。■

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