基于CATIA的CAD/CAT系统集成方法研究*

高慧芳 杨建新 王君英 马文新

（①北京工业大学机电学院，北京100124;②清华大学精密仪器与机械学系，北京100084;③第二炮兵装备研究院第四研究所，北京 100085）

公差是零件尺寸和几何参数的允许变动量，协调着机械装置的工作性能与制造成本经济性之间的关系，是机械产品设计和制造的重要技术指标［1］。国际标准化组织（ISO）制定的新一代产品几何技术规范（GPS）标准［2］及其对应的美国 ASME Y14.5 －2009 标准［3］提出了在设计图纸上描述公差信息的形式化语言，但是这些标准并没有给出如何进行产品公差设计的原理性方法。

采用计算机辅助公差设计（CAT）技术确定产品几何技术规范，不仅能够提高产品质量，对降低产品制造成本也起着决定性的作用［4］。早期的CAT技术主要研究一维和二维方向上的尺寸公差问题，但随着零件几何加工精度的逐步提高，原有的尺寸公差链的研究越来越不能满足日趋严格的产品几何质量要求，因此对于三维公差设计理论的研究是非常必要的。目前，国内外学者在这方面做了大量的研究并取得一定的成果，O.W.Salomon［5］等人开发的 FROOM 模块化系统基于TTRS理论自动生成零件的几何规范，利用旋量进行公差分析;B.Anselmetti［6］指出设计人员需要分析装配连接形式得到产品的几何功能要求;国内学者胡洁［7］等人将基本互参考变动几何约束划分成27类，建立了基于三维CAD系统的计算机辅助尺寸公差和形位公差综合设计的总体框架与原型系统。

传统的产品设计主要依靠表格式公差标准和实际工作经验来选择和分配公差，设计人员的经验直接影响产品的设计质量。因此，产品的最佳公差设计往往必须经过样品试制过程中的不断修改和完善才能得到，从而导致产品设计周期长、成本高。产品三维数据模型中必须包含产品的尺寸和公差信息，本文将从CAT系统和CATIA V5集成的角度出发，研究零件定位特征的识别以及公差规范的自动标注方法。

1 CATIA V5与CAT系统的集成方案设计

CATIA V5是法国Dassault Systemes公司旗下的CAD/CAE/CAM一体化软件，广泛应用于汽车、航空航天、船舶制造和能源等制造领域，其FT＆A（功能公差和标注）工作台用特定的几何尺寸和公差编辑器进行句法分析，设计人员选定基准要素和规范要素后会显示符合选择要素的公差类型。计算机辅助公差设计（CAT）系统主要包括公差规范、公差分析和公差综合3大功能模块。公差规范是指确定被规范特征的公差类型、公差值及基准，实现公差自动规范会大幅提高设计人员的工作效率;公差分析是指根据己知尺寸链中各组成环公差，确定最终装配后所要保证的封闭环公差，是设计与制造高质量产品的关键一步;公差综合是指在保证产品装配技术要求下规定各组成环尺寸经济合理的公差，是从制造和检测角度对公差设计进行优化和补充。下面是CATIA V5与CAT系统集成的3个步骤:

（1）以CATIA V5为工作平台，采用Automation（自动化）技术，选择需要定义规范的功能表面，实现定位特征类型的识别和表面几何要素信息的提取，将这些信息存储在Excel表格中;

（2）CAT系统实现公差规范、公差分析以及公差优化，将规范结果存储在Excel表格中;

（3）在CATIA V5中自动生成定义在各定位特征上的公差规范，包括基准、基准参考框架、公差类型、公差值和实体要求等。

具体的集成方案如图1所示。

2 几何要素信息提取与零件定位特征识别

常用的零件定位特征分为单一定位特征和复合定位特征，其中单一定位特征只包含1个几何要素，复合定位特征由多个单一几何要素按照特定的位置关系组合而成。下面先介绍单一几何要素的分类及信息提取方法，然后以平面和圆柱面为例介绍复合定位特征的识别方法。

2.1 单一几何要素的类型及信息提取

在新一代产品几何技术规范中，将单一几何要素分为7个恒定类:柱面（CT）、回转面（CR）、螺旋面（CH）、圆柱面（CC）、平面（CP）、球面（CS）和复合面（CX），这是要素的7个基本类型［8］。采用CATIA V5的Automation技术，通过Measurable（测量）对象可以获得被测几何要素的信息，根据其GeometryName（几何要素名称）方法的返回值判断要素的类型。

识别出功能表面的几何类型后，可以提取要素信息。不同类型功能表面提取的特征信息不同。例如平面需要提取法向量n和该平面内的1个点坐标p;圆柱需要提取圆柱的轴线向量，垂直于轴线的向量以及与这2个向量都垂直的向量，同时还可以获得上底面和下底面的中心坐标。表1列出了几种单一几何要素的提取信息:

为了判断选择的圆柱面属于孔还是轴，需要在半径为r1的圆柱上添加1个半径为r2的偏置圆柱，如果r2＜r1，则此圆柱为孔，反之为轴。

2.2 复合定位特征的类型和识别

复合定位特征由2个或者2个以上的单一几何要素组成。当组成复合定位特征的单一几何要素数量相同但位置关系不同时，组成的复合定位特征类型也不同，即复合定位特征的类型不仅取决于组成几何要素的数量，还取决于各要素之间的几何关系。这里以平面和圆柱为例说明。

根据组成特征的几何关系，包含2个平面特征的复合定位特征可以分为平行平面、共面平面以及对称平行平面3种，包含2个圆柱特征的复合定位特征可以分为同轴圆柱和圆柱组2种。具体的几何关系及图示见表2。

实现了特征类型的识别和表面信息的提取之后，采用Automation技术将这些信息存储在Excel表格中。

3 三维公差自动标注

在产品公差设计过程中，公差规范的标注是十分繁琐但又非常重要的。特别是在三维CAD模型上进行公差标注，费时费力且容易出错。因此，实现三维公差的自动标注不仅可以缩短设计时间，还可以为后续的二维绘图和工艺设计奠定基础。对于产品的三维几何模型，通过查询CAT系统的生成结果，得到需要在各功能表面上定义的公差规范数据后，可以实现尺寸公差和几何公差的自动标注。

3.1 创建Usersurface（用户表面）

在CATIA V5中，创建公差规范和提取表面信息不同，表面信息提取是在功能表面上建立参考元素，从参考元素上提取信息;而公差规范则需要在参考元素上建立对应的Usersurface，然后在Usersurface上进行标注。

Usersurface的建立以Clement等人提出的TTRS理论［9］为基础。该理论有2个重要概念:TTRS（与技术和拓扑相关的表面）是指同一实体上由于技术上（工程方面）或拓扑上（几何方面）的需求而彼此相互联系的表面组合;MGDE（最小几何基准要素）是指能够确定相应功能表面恒定类的参考点、参考线或参考面的最小集合。公差可以表示为各TTRS基本面的本质特性变动及其MGRE之间的方位特性变动，在CAD系统中层次式地表示出公差信息。单一表面彼此相互联系可以形成复合TTRS;多个TTRS也可再次联系组合成新的TTRS。

1个几何要素只需要建立单一的Usersurface，多个几何要素需要建立复合的Usersurface来确定要素之间的几何关系。几何要素的数目不同，建立Usersurface的方式也不同。例如:如果要规范包含2个单一几何要素的复合定位特征，需要先分别建立2个要素各自的Usersurface，然后再建立这2个Usersurface共同的Usersurface。图2分别表示了包含2个和4个平面要素的复合定位特征建立Usersurface的过程。

3.2 功能公差标注对象模型

公差规范在CATIA V5中的FT＆A工作台中生成。建立Usersurface后，根据CAT系统保存在Excel中的公差规范信息自动在三维CAD模型上进行公差标注［10］，其对象层次结构如图3所示。

建立1个零件文档时，会自动生成1个零件对象，它是零件结构的根对象。标注总集对象包含了多个标注集合。标注集合对象为实体提供了产品几何技术产品规范的集合，将生成规范的各种方法统一集成在1个标注工厂对象中。在CATIA V5平台中，用标注工厂对象创建标注内容主要有以下几个方面:

（1）生成基准 在进行公差规范之前应该先生成基准。选定作为基准的要素后，利用标注工厂对象的CreateDatum方法创建基准。

（2）生成基准参考框架 选定基准后，用Create-DatumReferenceFrame方法建立基准参考框架，用Set-Frame方法生成基准名称。

（3）生成尺寸和几何公差规范 用标注工厂的CreateSemanticDimension方法可以创建尺寸标注，并用PutLimits定义尺寸的上下极限值;用CreateTolerance-WithDRF方法可以创建有基准的几何公差，用Create-ToleranceWithoutDRF方法创建无基准的几何公差;设置标注的Form和Value属性可以分别定义公差带的形状和公差值大小;用注解方法可以创建公差或者基准参考框架体系的实体要求。

（4）生成视图 采用视图方法不仅可以规范三维标注，还可以很方便地转换为二维图纸。视图分为正视图、截面视图、剖面视图3类。1个视图中可以创建多个标注，每个标注应该遵从以下原则:

表3 要素的提取信息

①规范圆柱或者同轴圆柱特征时，需要创建通过轴线的横截面视图;

②规范平面特征时，需要创建一个垂直于规范平面的视图;

③规范一系列平行孔特征时，需要创建垂直于孔轴线的正视图。

按照以上步骤就可以实现零件的三维自动公差标注。

4 实例

下面以一零件为例说明用CATIA V5和CAT系统集成的方法实现自动公差规范。如图4所示，首先选择要规范的要素，零件中需要进行规范的几何要素包括2个圆柱（圆柱1和圆柱2），3个平面（平面1、平面2和平面3）。以3个平面为基准（基准A、基准B和基准C）组成零件的基准参考框架体系，确定圆柱的位置。这些特征的规范信息保存在Excel中，表3和表4分别是规范特征的提取信息和规范信息。最后将表格中的规范信息反映在零件上，自动实现三维公差标注。图5显示了规范后的基准、平面度、圆柱直径、垂直度和位置度等公差信息。

规范结果在图5的CATIA目录树中对应相应的规范名称。这些规范都在正视图2中建立，平面1、平面2、平面3的形状公差规范名称分别为:平面度.1、垂直度.1、垂直度.2，基准规范名称分别为:简单基准.1、简单基准.2和简单基准.3。圆柱1和圆柱2的几何公差规范名称为位置度.1，尺寸公差规范名称为线性公差.1。基准A、B形成基准参考系3.A|B，基准A、B、C形成基准参考系5.A|B|C。规范内容见表4。

表4 要素规范信息

5 结语

本文通过CATIA V5与CAT系统集成的方法，将存储在Excel中的要素提取信息进行规范，实现了常见零件定位特征的自动公差规范。这种方法为实际生产中设计人员进行单个零件的公差规范提供了很好的解决方法。与以往依赖于设计人员经验的公差规范方法相比，这种方法更简单、方便，实例的结果证明了该方法的正确性和可行性。本文采用VBA技术实现，与CAA技术相比，更易掌握和实现，但由于CATIA V5提供的应用程序编程接口的限制，目前还不能进行螺纹特征的公差标注。

［1］吴昭同.计算机辅助公差优化设计［M］.杭州:浙江大学出版社，1999.

［2］蒋向前.新一代GPS标准理论与应用［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［3］ASME Y14.5.Dimensioning and tolerancing［S］.The American Society of Mechanical Engineers，NY，2009.

［4］吴昭同.现代质量工程中几个重要问题的研究进展［J］.工程设计，2000（4）:l－4.

［5］Salomons O W，Jonge Poerink H J，Haalboom F J，et al.A computer aided tolerancing tool I:Tolerance specification［J］.Computers in Industry，1996，31（2）:161 －174.

［6］Anselmetti B，Mejbri H，Mawussi K.Functional tolerancing of complex mechanisms:identification and specification of key parts［J］.Computers and Industrial Engineering，2005，49（2）:241 －265.

［7］胡洁，熊光楞，吴昭同.基于变动几何约束网络的公差设计研究［J］.中国机械工程，2003，39（5）:20－26.

［8］Clement A，Valade C，Riviere A.The TTRSs:13 oriented constraints for dimensioning，tolerancing and inspection［C］.Proceedings of Euroconference:Advanced Mathematical Tools in Metrology III.Berlin，Germany，1996:24－42.

［9］徐旭松.基于新一代GPS的功能公差设计理论与方法研究［D］.杭州:浙江大学，2008.

［10］Anselmetti B，Chavanne R，Yang Jianxin，et al.Quick GPS:A new CAT system for single － part tolerancing［J］.Computer Aided Design，2010，42（9）:768 －780.