0 引言
在航空和汽车设计领域，CATIA已经成为了必选的设计辅助工具。我国航空工业列入规范的航空标准件大约有3000多种。据统计，一架空重20吨左右飞机上所用的标准件总数约为70～80万件，其中电气元件占了很大一部分。如此庞大零件数量，使得其不但在设计、制造上十分困难，而且在管理上也非常困难，建立一个能够最大程度满足实际设计的电气元件库十分的必要。
用CATIA中的Catalog模块来管理标准件的研究已经比较深入了，但是大部种标准件库区别仅仅库名称的不同，库中的零件没有自身的特性，调用库中标准件后，还要对每个标准件进行特征的定义，标准件人机交互性十分的不便，不利于设计的顺利进行。针对电气准件库，本文提出基于知识工程的参数化建模和电气元件的连接原则来创建符合实际设计的电气元件库，本文总体框架为如图1所示。
图1 电气元件库总体的框架
1 基于知识工程参数化设计理论
1.1 参数化设计概述
所谓参数化设计就是采用预先定义的办法建立图形的几何约束集，选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。
参数化设计具有很高的应用价值，它极大地改善了产品图形的修改手段，提高了设计的柔性。在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域中，参数化设计发挥着越来越大的作用。参数化建模的关键在于用参数(Parameters)、公式(Formula)、设计表格(Design Tables)等驱动几何图形从而达到改变几何图形的目的。在实际的产品设计中，经常会遇到系列化产品的设计和标准件、常用元件库建立等技术问题。这时，采用参数化设计方法，将是高效、快捷建模的最佳手段。
1.2 基于知识工程的参数化
CATIA的知识工程模块是人工智能在信息处理方面的延续，它的根本目的是开发人工智能系统，补充和扩大人脑的功能，开创人机共同思考的时代。利用知识工程建模，一方面，基于知识工程的设计可以实现特征尺寸的修改，通过建立尺寸与特征的关联，使得模型的特征与尺寸的关联信息更加明确。另一方面，可以按照设计标准引入校核，在对变量进行约束的同时在变量与变量之间构建函数约束关系，组成一个设计校核库。通过在参数化设计的过程中引入CATIA知识工程模块的相关功能，可以弥补参数化设计在特征关联方面的不足。
基于知识工程建立标准件模型的流程为：在标准件建模之前，通过formula命令，建立标准件建模过程中所需要的参数，该参数是建立标准件尺寸数据与几何特征联系的桥梁；在模型草图绘制的过程中的，通过Edit Formula命令，建立参数与几何特征的函数关系；完成标准件建模后，通过Design Table命令建立标准件的尺寸信息表格；然后向尺寸信息表格中添加标准件各个型号的尺寸信息，形成标准件的设计表；最后，选择标准件设计表的每个规格，查看标准件模型特征是否变化，完成标准件几何特征及设计表信息的校核。标准件的建模流程如图2所示。
图2 标准件的建模流程
通过知识工程与参数化建模相结合的方式构建的标准件模型，建立了标准件设计表，实现了标准件模型几何信息的参数驱动，为标准件模型的参数化批量生成建立了程序接口，为构建包含所有模型的标准库打下了基础。图3为基于知识的参数化设计的基本构架示意图，这种基于产品知识的参数化设计是把知识工程与参数化设计有机地结合起来，它用知识工程原理来组织产品数据，表达成产品的知识库。它用较完整的面向对象的高级语言来描述特征，并在特征造型中使用参数化的同时，又利用结构化的高级语言参数化地变动尺寸和特征。
图3 基于知识的参数化设计的基本构架示意图
2 基于连接原则的电气元件
基于知识工程的参数化设计的零件没有电气元件的特性，不是一个完整的电气的元件，在实际电气设计中缺乏良好的人机交互的性能，不能很好的满足设计的需求。因此电气属性和电气连接点的添加十分的必要。
2.1 电气属性和电气连接点
在航空电气设计领域中，根据电气元件的实际应用和功能可分为圆形连接器，矩形连接器，尾线夹，开关，支架，断路器，防磨边，接线端子，卡箍等；而在CATIA电气模块中电气属性主要包括安装设备“Mounting Equipment”、设备“Equipment”、外壳“Shell”、连接器“Connector”、端子“Contact”、盲堵“Filler plug”、后壳“Back shell”、保护层“Protective covering”和支撑“Support”，连接器按类型又可以分为单一插接连接器、轴销、外部接头、端子排、接线盒、多接口插接连接器、内部接头。安装设备与设备的区别：设备专指电气设备（如收放机），安装设备指用于固定电气设备的设备（如仪表台）。电气元件定义完电气属性成后大部分电气元件需要定义连接点，为电气设计中的电气元件之间合理的配合以及电气线束的布置打下基础。电气连接点主要包括支撑腔“Cavity”、端点“Termination”、连接器连接点“Connector connection point”、电缆线束连接点“Bundle connection point”、腔连接点“Cavity connection point”、后壳附件连接点“Back shell connection point”和外壳连接点“shell connection point”，表1为各电气组件的具体定义。
表1 电气组件的定义
2.2 电气元件之间的连接原则
正确合理的定义电气属性既保证了电气元件连接的合理性又为电气连接点的添加提供了依据。例如，当定义电气元件的电气属性为盲堵“Filler plug”时，那么此电气元件有且只能定义连接器连接点“Connector connection point”，而且只能与定义安装设备“Mounting Equipment”、设备“Equipment”、外壳“Shell”、连接器“Connector”的电气元件上的支撑腔“Cavity”连接点连接配合。
如表2所示，列出了部分电气元件的连接原则。
表2 部分电气元件的连接原则
3 实例论证
MIL-DTL-38999系列电连接器具有三头螺纹快速连接，因有防松机构，具有自销功能，能够防错插、防斜插、防误插、可实现盲插，具有很好的防电磁干扰功能，广泛应用与航空设计中。如果能建立一个模型库，在实际产品设计中根据设计需求从库中调用合适的连接器，被调出的电连接器定义了电气属性和电气连接点，可直接嵌入到产品的设计过程中，极大的加快了设计的速度，大幅度的降低了设计成本。下面通过MIL-DTL-38999中的圆形连接器为例说明CATIA V5R16环境下建立一个满足航空实际设计需求的电气元件库。
3.1 实体参数化建模
首先建立所需要的参数，在建立参数的时候不仅仅只是尺寸的参数，例如PartNumber、Mass、Material参数也十分重要。然后选定一组尺寸规格参数作为建模的依据，参数化建模是通过添加尺寸约束来实现的。
3.2 创建设计参数表
设计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。设计参数表功能可以将标准件的不同尺寸规格以二维表的形式组织起来加入实体模型，进而实现实体模型的表格驱动，即用户选取表中的某一行参数，实体模型就依据这一组参数进行尺寸驱动，生成新模型，标准件规格尺寸较多，每一个规格的零件PartNumber-定是不同的。设计表灵活性在于可以随时对设计的参数表进行修改和编辑。
3.3 创建规则，添加检验
对于参数和公式功能，所有的CATIA用户均可使用，但是规则和检查属性只适用于知识工程顾问的产品。使用知识顾问(Knowledge Advisor)模块下属的规则功能，规则类似于程序设计语言的条件语句，在满足条件的情况下执行一些指令，如定义参数或方程，或者发出提示信息，这种方法可以实现更为灵活的参数控制功能，例如：if(Material==ALLOY) Cost=500 else Cost=100。
检查是一系列判断表达式，为用户提供是否满足某种状况的信息，用来提醒用户的违规；例如：若条件是cost>2000，则检查可显示警告“成本太高，变更材料”。
3.4 添加电气属性和连接点
根据MIL-DTL-38999圆形连接器在实际航空设计中的应用以及参考论文中连接原则，如图4所示的圆形连接器，定义圆形连接器电气属性为单一插接连接器(Single Insert Connector)时，可定义的连接点有支撑腔(Cavity)、连接器连接点(Connector connection point)、腔连接点(Cavity Connection point)、电缆线束连接点(Bundle connection point)、后壳附件连接点(Back Shell connection point)，再根据实际设计的应用，选择定义“connector connection point”精确而合理的与另一个圆形连接器配合，定义“Bundle connection point”为出线束的点，定义“back shell connection point”快速合理的与尾纤夹配合，尾线夹的作用是用来固定和控制线束的方向。
图4 定义电气属性和电气连接点
3.5 建立电气标准库与零件的检索
圆形连接器MIL-DTL-38999系列标准件库构建完成后的效果如图5所示。
图5 Catalog目录结构
当需要快速与精确的调用库中成千上万的零件时，可以在“filter”对话框中用（x.“参数名称”比较运算符“具体长度（字符串）”）逻辑运算符（x.“参数名称”比较运算符“具体长度（字符串）”）……。格式来快速的进行零件的检索。例如当需要参数A的值为30.2，参数B的值16.53时，输入(x.“A”==30.2mm)AND(x.“B”==16.53mm)，如图6所示，就会迅速又精确的检索到所需要的零件，提高设计过程中对所需零件的检索能力。
图6 检索零件界面
4 结束语
本文对CATIA的电气模块的标准件库的创建进行了研究和分析，阐述了标准件库的构建过程，采用本文阐述的方式构建的CATIA电气模块标准件库可以满足企业的实际使用需求，为设计过程中电气元件之间的装配的合理性以及线束的设计的打下了基础。本文的研究成果已经应用于上海飞机设计研究院的标准件管理系统中。
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本文标题：基于CATIA电气元件库的设计与实现
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