本文提出一种在CATIA V5环境下运用知识工程参数化建立标准件库的设计方法。这种方法通过运用CATIA的知识工程顾问模块，以产品知识为基础，参数化地建立标准件模型，再把标准件模型导入Catalog模板实现标准件库的建立。并以标准件六角头螺栓的设计为例，详细地阐述了这种设计方法在产品设计中的具体实现过程。

0 引言

    近几年，我国汽车工业的迅速发展给汽车零配件企业带来了新的挑战和机遇，同时对企业竞争力提出了更高的要求。降低成本、提高质量和快速响应市场是企业提高竞争力的重要途径。利用CAD技术和软件进行设计时，合理地处理设计过程中的重复工作问题（如相似结构、相似零件等）是一种解决方式。而选择和使用标准件，也是一种实现高效率设计行之有效的途径。因而，对CAD系统中标准件库的开发探索，已成为推进和深化CAD软件应用的重要手段。CATIA V5作为世界范围内应用面最广、影响最大的CAD软件，具有强大的知识工程和参数化建模的功能，并允许用户自由和开放式地自行建立和使用标准件库。

    笔者将要探讨的就是运用CATIA的知识工程顾问模块指导产品的参数化设计，从而尽可能优化和合理地建立产品的标准件库。

1 知识工程

    所谓知识工程，其核心就是将有关的学科知识、相关设计标准及规范、设计参数选择规律、设计历史资料等建成知识库并嵌入到设计软件中，通过逻辑判断和推理，实现产品的智能化设计。知识工程的核心问题包括知识的表示、知识的利用和知识的获取这三大块。知识工程在知识密集型活动的概念建模活动中处于非常重要的地位。一个好的知识工程系统应该具有基本原理的丰富知识、通用的问题求解能力和自行推理能力；应该能快速地进行假设和搜索解答；应该能解决具有专家水平的问题，做出具有专家水平的解答。

    在CATIA软件中，知识工程原理通过知识工程模块(Knowledge ware)和嵌入各模块的知识工程语言包(Knowledge Language Packages)来体现。其核心是知识工程语言(EKL)，分4个等级，由低到高分别是数学工程语言(M2EKL)、核心工程语言(C2EKL)、高级工程语言(A2EKL)和扩展工程语言(X2FKL)。前3类语言一般应用在公式、设计表、规则、检查、行为等知识工程工具中，而X-FKIL一般是在用户二次开发知识工程语言中应用。CATIA环境下可以运用知识工程的原理进行参数化设计建立标准件库，不仅几何尺寸可以设置成参数，零部件的特征变量亦可设置成参数。

2 参数化设计与知识工程

    所谓参数化设计就是采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，然后采用人机交互方式通过对话框修改参数尺寸，最终由程序根据这些参数顺序地执行表达式来实现的方法。

    在CATIA知识工程中，参数化与知识顾问模块的功能是将隐式的设计实践转化为嵌入整个设计过程的显式知识。CATIA知识工程及专家系统可以将用户成熟经验做成模板，使得相似的设计可重复使用；还可以通过运用CATIA的知识顾问模块，以产品知识为基础，参数化地建立标准件模型，再把标准件模型导入Catalog模板实现标准件库的建立，用以指导产品的设计和加工。这样，不仅能完成参数化设计的尺寸驱动和特征驱动，而且能实时地检查设计，提出设计建议，进行人机对话。

    这种参数化设计方法结合了先进的知识工程原理，把产品的设计知识融入了整个产品的设计过程，通过为产品设计建立的产品知识库不仅是简单地表示、利用知识，而且还能更进一步获取知识。用户的知识以方程式、规则、反应和检查的形式嵌入到设计中，可以在任何时候重用。用户通过定义特征、公式、规则和检查，产生Parameters（参数）、Design Tables（设计表）、Formulas（方程）、Checks（检查）以及Rules（规划）等知识对象。CATIA知识顾问模块中的工具可以对产品设计实施参数化，利用企业积累的设计规范或标准对产品设计进行智能化检查、实现设计标准和三维几何模型统一的集成化和智能化，从而有利于企业产品知识的继承和积累，对企业新产品的开发大有裨益。

3 参数化地建立产品标准件库的必要性

    标准件是工程设计中用途最广泛的基本单元，其绘制也是设计人员重复劳动最多的环节，像紧固件、连接件等，以往使用时都要翻阅国家标准，每次重新绘制，工作繁琐、重复性大，导致产品开发周期长，市场竞争力差，同时也在一定程度上了工程设计人员的创造能力。

    CATIA软件自进入实用阶段以来，虽然有自己的标准件库功能（ISO、ASTM、DIN等），但其格式是开发商自己定义的专业格式而且还不全面，不能有效地与我国的企业标准结合起来，同时具体到各个部门和企业都拥有自己制定的一些标准，这些CATIA标准件库里面是没有的，并且CATIA原有的标准件库有着操作繁琐，更新性较差等等缺点，完整地符合国家标准的参数化三维标准件库还不完备。因此建立三维参数化标准件库对产品总体结构设计、产品总装图和零件图的生成都具有十分重要的意义。

4 在CATIA V5环境下参数化地建立三维标准件库的方法

    六角头螺栓是车辆中常见的标准件，型号多，种类全。如果能建立一个参数化模型库，在实际产品设计中根据需要从六角头螺栓库调用合适的六角头螺栓造型图，直接嵌入到产品的造型设计过程之中，无疑将大大加快设计进度，降低设计成本。

    在CATIA V5环境下建立三维标准件库，可以有两种方法：

    (1)利用CATIA的Formula功能、Design Table功能和Catalog功能，用户可以很容易地建立自己的三维标准件库。

    (2)利用CATIA提供的二次开发接口，使用VB开发环境来建立标准件库应用程序。

    下面以CB/T 5782-2000六角头螺栓为例，采用第一种方法，简单说明如何在CATIA知识顾问模块中，用基于知识工程的参数化设计方法建立和使用三维标准件库。

    4.1 建立六角头螺栓的三维模型

    进入CATIA V5零件设计工作台，通过里面的特征功能建立实体模型。六角头螺栓实体形状比较简单，按照以下步骤进行建模：(1)创建六角头；(2)创建六角头上的斜槽；(3)创建六角头下圆凸垫；(4)创建螺栓光杆部分；(5)创建螺栓螺纹杆部分；(6)倒圆角；(7)倒角。最终建立六角头螺栓实体模型如图1所示。

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    图1 六角头螺栓实体模型

    创建实体时，必须将实体的特征尺寸在草图中标注，标准件库就是通过赋予对应这些尺寸的内置变量不同的数值而得到不同的零件。建立标准件的实体在定义约束关系的过程中应使约束关系尽量优化，避免出现重复的过约束情况或遗漏必要的函数关系。

    4.2 输入合适的特征参数

    根据图2 CB/T 5782-2000，依次建立六角头螺栓的10种特征参数：螺纹的公称直径M，螺纹杆长度lg，六角头厚度K，倒圆角半径r，六角头约束尺寸e，螺杆长度L，六角头部分厚度K1，六角头下圆凸垫厚度c，六角头下圆凸垫直径dw，倒角高度p。

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    图2 GB/T 5780-86

    单击CATIA工具栏中的Formula按钮，弹出如图3所示的Formula对话框。将上述10个国标中的特征参数新创建成10个length变量：M、e、K、K1、L、lg、r、c、dw、p，其默认值预设为国标中的一组值，如42、72、26、17.5、200、100．1.2、1、60、4.5。

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    图3 Formula对话框

    4.3 建立参数关联关系

    参数关联关系是参数化设计的关键，设计者可针对用户参数与三维模型中对应的特征参数建立相应的公式，从而通过用户参数驱动系统参数，进而控制图形的尺寸。利用公式编辑器Formula可以确定产品的尺寸和相关参数之间的对应关系，输入如表1所示的参数关系。

    完成参数化函数库的创建，回到CATIA建模主界面，在主界面展开树形图，则出现新创建的国标特征参数和建模特征参数的函数公式，如图4、5所示。

    表1 建模特征参数的公式

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    图4 特征参数变量

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    图5 建立参数关联

    4.4 创建参数表并利用表格驱动数据

    参数表提供了产生和管理系列零件的工具，系列零件具有相同的参数、类似的结构，只是参数值不同。参数表中包含了零件的所有参数，其目的是www.huisheliren.com通过外部参数数据控制几何形状。参数表的灵活性在于可以随时对设计的参数表进行修改和编辑。CATIA V5的参数化设计中可以利用的参数表有两种：一种是文本格式的参数表；另一种是Excel格式的参数表。文中创建后者，使用时比较清晰直观。

    单击工具栏上的Design Table按钮，弹出创建设计表格对话框，选择新增设计表格选项，单击OK，则弹出筛选表格参数对话框。将上述10个国标特征参数选入右方框中。单击OK，选择Excel设计表的存储位置并保存。

    随后弹出的对话框中，单击edit table按钮，则Excel设计表被打开。将GB/T 5782-2000的特征参数逐条一一录入表中，最后的Excel设计表如图6所示，保存并关闭表格。图7所示对话框中的数据即更新为Excel设计表中的数据，选中其中某一行数据，如选中序号5公称直径为5mm的这行数据，单击Apply按钮。则CATIA主界面中的螺栓将立即更新为具有该组特征参数尺寸的实体模型。

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    图6 Excel设计表

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    图7 参数表

    将国家标准件的参数录入上述表格中，通过选择表中不同记录改变零件尺寸，即可实现利用表格驱动几何图形。如国标变更或添加，只需通过上述方法，单击edit table按钮，打开Excel设计表，对表格重新编辑录入即可。

    4.5 知识管理及其应用

    CATIA的Catalog是一个多任务能的库文件，可以是产品、零件、特征、设计规则等，把设计中可以重复使用的资源，最大化集中起来，在其他产品的设计中加以引用，加速了产品的设计效率，避免重复设计。库Catalog是一个CATIA的文件类型，文件名后缀“.Catalog”，通过它可以快速预览并获得其他的CATIA文档、结构特征(Features)，它用“章节”、“子章节”和“关键字”来清晰地给文档或结构特征进行分类管理，便于检索。文中将创建一个Catalog库文件对标准件库知识系统进行分类管理。创建方法如下：

    (1)单击CATIA文件菜单，新建一个文件，文件类型选择CatalogDocument。

    (2)从属性中将Chapter.1重命名为“六角头螺栓”。将已建立的电子表格插入此文件中。操作完成后如图8所示。这样便建立了六角头螺栓的标准件库。

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    图8 电子表格插入文件中

    (3)在CATIA装配界面下，从工具菜单中选择Catalog Browser命令，弹出标准件库选择对话框，在下拉列表中选择GB标准件，则出现各种标准件库的预览，如图9所示。若要选择某一六角头螺栓进行装配，只需双击螺栓的预览图标。随即出现各种螺栓的预览图标。

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    图9 标准件库的预览

    其他的在车辆中广泛使用的型号多种类全的标准件，也可以用同样方法建立参数化模型库，在实际产品设计中根据需要从库中调用合适的造型图，直接嵌入到产品的造型设计过程中，无疑将大大加快设计进度，降低了设计的成本。

5 结论

    该文提出一种运用知识工程在CATlA V5环境下参数化建立标准件库的设计方法。这种方法通过运用CATIA的知识工程模块，以产品知识为基础，参数化地建立标准件模型，再用Catalog库文件实现对标准件库产品知识的管理。并结合实例探讨这种设计方法在产品设计中的具体实现过程。显示了CATIA强大的设计功能，实现知识驱动下的产品参数化造型设计。

    从CATIA设计的思路上看，这是一个非常优秀的面向对象程序设计的典范。知识工程应用于参数化构型设计中，将设计人员和工程人员的知识融入到设计中，利用知识工程可以减少错误，进行自动设计，最大限度地提高设计效率。这种人机交互共同设计的智能化CAD手段已成为当今汽车设计领域的热门课题，知识工程在汽车参数化构型设计过程中将得到广泛应用。下载本文