传统的飞机制造过程是：设计文件、图纸→模线样板→标准样件→各类成形模具、装配夹具，最后制造出飞机产品。这种传统的工作方式是把飞机的设计数据或信息，通过数以万计的标准工艺装备和生产工艺装备以模拟量形式传递到飞机产品上（例如，直9飞机仅各类装配工装就有近3000套，运12飞机装配工装有近1000套），而设计、制造这些工装所需工时大大超过制造飞机本身所需工时。因此，大量使用各类标准件和组件，实现快速工装设计，对缩短整个飞机研制周期、提高飞机制造质量具有举足轻重的作用，目前，国内大型航空企业大都建立了符合国标、航标或自己企标标准的各类标准件库，如螺栓、螺母、垫圈、销和钻套等，并已投入使用，大大提高了设计效率。随着飞机制造数字化技术的不断发展和多年设计经验的不断积累，很多企业形成了大量符合航标或企标的典型工装结构，即组件（如夹紧组件、定位组件等），也希望能建成类似标准件库的组件库，重复调用，从而加速工装设计速度，并减少设计误差、减少重复设计造成的人员浪费。
在大型三维软件日新月异的今天，CATIA V5系统以其支持多平台、可扩展性、具有知识的捕捉和重用等特性，成为航空行业的主流CAD平台，其标准件库的开发和使用已成为飞机数字化产品定义和飞机快速设计的关键，功能已较为完善，但以CATProduct文档形式存储组件的三维模型无法用CATIA提供的库浏览器(Catalog Browser)实现组件库的浏览、查询和调用等功能。采用CATPart形式建立组件的实体模型是一种解决方法，但构成组件的各零件只能以几何体的形式插入到零件(Part)中，相互之间不存在装配约束关系，无法进行后续的仿真分析，如装配仿真、强度校核和刚度校核等。因此，文中结合CATIA的实体建模、Formula和Design Table等功能，基于二次开发工具CAA(Component Application Architecture)，开发了符合航空企业实际需求的三维组件库建库工具，实现了以CATProduct形式创建的组件库的查询、预览、调用及主要参数的三维显示等功能，并与CATIA V5无缝连接，具有开放性的接口，易于扩展。
1 CATIA中标准件库的建立及CAA
1.1 CATIA中标准件库的建立
CATIA V5界面友好、功能强大、易于操作，利用其Formula、Design Table和Catalog功能，可建立三维标准件库，步骤如下：
(1)实体建模利用CATIA的各功能模块建立标准件的实体模型，以CATPart文档的形式存储，便于Catalog文档的创建。
(2)创建参数变量利用CATIA的Formula功能，根据模型几何尺寸的需求，设计一定的参数变量个数，给每个参数命名、赋初值并添加各几何尺寸与参数间的关系表达式，从而实现参数化设计，即通过尺寸驱动的方式控制几何模型。
(3)设计参数表使用当前创建的参数变量，创建与模型文件对应的设计表，在其中添加标准件参数化的数据，即同一类型标准件的不同尺寸，表的各列代表模型的某些属性及参数变量，包括文档编号(PartNumber)、材料、直径和长度等。
(4)创建Catalog文件新建Catalog文档，引入含有设计表的模型文件，最后加入零件的描述信息，生成Catalog文件，然后利用库浏览器访问新建的Catalog文件，实现标准件的预览和调用。
1.2 二次开发工具CAA
以CATProduct文档形式存储的组件模型信息完整，包含了组件的几何信息和装配信息，很好地解决了以CATPart形式建库所带来的弊端，但CATIA自身的库浏览器无法实现对其进行浏览和调用，因此，文中利用CAA进行二次开发，实现此功能。
CAA是Dassault Systemes公司开发的开放式中间件和产品生命期开发环境，是进行CATIA二次开发的主流工具，利用CAA进行二次开发，主要是通过RADE(Rapid Application Development Environment)和库函数API接口程序来实现。RADE以VC++为载体，在VC++环境中增加了CAA的开发工具，可实现对象的封装、多态和继承；API提供了操作各种对象的方法、工具和接口。CAA自带的百科全书提供了大量参考范例，是进行CATIA二次开发的良师益友。
2 基于CAA的组件库建库工具的设计和开发
2.1 组件库建库工具总体框架
图1给出了组件库建库工具的框架，该工具软件以CATIA和Windows为操作平台；基于CATIA的三维造型功能及知识模块，进行实体建模，创建参数变量及其之间的关系，根据当前参数创建参数表保存在Excel中，实现参数化驱动；利用CATIVisu、Knowledgelnterface和CATITPS等API接口开发调用模块，通过一定的通讯机制访问参数库和图形库，实现组件的实例化、浏览和调用。组件一旦实例化并调用到装配环境以后，便与组件库脱离关系，形成独立的实体，零件的物理文件名存放于“工程目录”，对“工程目录”内的组件进行尺寸编辑，不会对图形库、参数库产生任何影响。
图1 组件库建库工具的框架
2.2 组件库的创建
创建组件库与标准件库类似，分为实体建模、创建参数及关系、建立参数表和调用组件库4步。
2.2.1 实体建模
机械产品由具有层次关系的零（部）件组成，一个组件一般可分解为若干个零件，其结构树可以直观地反映这种层次结构，树中的节点表示部件或零件，线表示父节点与子节点之间的所属关系。图2是以CATPart和CATProduct两种形式创建的脚轮组件的三维模型，从其结构树中可知：以CAIPart形式(见图2(a))存在的组件库，每个零件均以几何体的形式插入，各几何体共享设计坐标系，因此相互间的位置关系靠设计人员定义相对坐标来保证，不存在任何装配约束；而以CATProduct形式(见图2(b))创建的模型中，各零件有其独立的设计坐标系，相互间的位置关系是靠Constrains（装配约束）确定的，其中任何一个零件几何尺寸发生改变时，与之相关联的所有零件的相对位置随之变化，从而保证组件中各个零件的装配约束关系不变。因此，必须以CATProduct形式创建组件模型，才能完整、准确地描述组件的几何信息和装配约束关系。
文中在创建CATProduct形式的组件模型时，首先分析组件结构，按标准件建库方法建立各零件库，并按一定的命名规则保存文档，如图2中的脚轮由6个不同的零件组成，分别建立其零件库，并以CATPart形式保存；然后添加装配约束，确定各零件的相对位置，形成具有装配约束关系的组件实体模型，以CATProduct形式保存，需要指出的是：要将组件和各零件的模型文件放在同一目录下，并把组件的名称命名为目录的名称，便于后续组件的预览和调用。
图2 组件的实体模型
2.2.2 组件参数的提取
创建的组件参数要能够封装下层几何参数信息和上层非几何属性信息，为了实现参数对组件模型的驱动，利用知识模块建立参数与相关零件几何尺寸之间的关联关系，当参数值发生改变时，相关几何尺寸也实时更新，从而引起组件模型的变化。
2.2.3 主参数袁的设计
与建立标准件库时参数表的设计方法相同，一般包含了重要的零件外形尺寸、装配尺寸及其他非几何属性信息（如材料、加工方法等）。由于企业已经建成了以Part形式存在的组件库，拥有较为完整的参数信息，因此，可首先引用原来的参数表，然后根据后续实例化的需要对组件参数表进行必要的扩充，大大减少了数据输入的工作量，需要添加的数据包括组件中零件的数目、每一个组成零件在零件库中的名称（文件名）等，为实例化提供必要的信息。如图3所示，PartCount列给出了脚轮组件中的零件数目为6，各Part列是每个零件在零件库中的文件名（由设计人员在保存零件模型时给出），如第1个零件的文件名为CATPart.1.CATPart，表中其他数据均直接引用企业原有数据。
图3 脚轮的参数表
2.2.4 组件库预览、调用模块的设计和实现
CATIA创建的Catalog文档，并不适用于包含设计表的*.CATProduct文档，因此虽然CATIA可以实现组件的参数化及参数表驱动，却不具备组件实例化功能，即无法实现组件库的预览和调用，所以实例化是组件库的关键步骤。
组件的查询和三维预览是调用组件库的前提，根据企业的实际情况，将组件库按部门需求及标准类别进行分类，结果如图4所示，用户可根据此树状结构，逐级选择查找所需组件，找到需要的组件后，读取并显示主参数表中的所有参数供用户选择；然后根据所选参数系列进行组件的配置，即可调出与之参数匹配的实例；再利用CATNavigation3 Dviewer、CAT3 Dviewpoint和CATI3 DGeoVisu等相关接口函数实现组件的三维预览，具体的实现步骤可参考文献。在进行组件配置时，首先要获取组件的主参数表CATIDesignTable*myDesignTable，然后再通过myDesignTable→SetCurrentConfiguration()函数对所选参数进行配置。
图4 组件库分类示意图
组件的实例化必须对组件及其组成零件分别进行实例化，这是实现组件实例化的主要思想和关键所在，而要实现在装配文档中调用组件，仅仅对所选参数系列进行配置来实现组件的实例化是远远不够的，因为产品连接参考总是与原始库文件相关联，每次实例化后原文件也会随之改变配置，即每次新的调用都会影响以前的调用（见图5），因此必须去除实例化对原文件的影响（如图5中虚箭头所示），从而保证每次装配的相对独立。实现该功能的伪代码如下：
图5 组件调用与原始库文件的关系
装配组件时，本系统对组件及各组成零件的文件名称、装配树中的名称、各文件的保存路径等均做了合理的安排和设置，以彻底消除实例化后的组件对组件库的影响，同时可有效地减少存储空间，加快装配体的读写和处理速度，例如，组件和各组成零件保存在同一文件下，相同零件只保存一个文件，组件的文件名采用Part Number命名等。
3 应用实例
图6为飞机前舱罩胶接夹具中装配脚轮的应用示例，找到所需组件位置，打开相应的库文件，选择所需参数系列，获取参数值并与图形库相关联，便可实现组件更新和实时预览，如图6(a)所示。预览框可显示此系列组件的三维模型，并可进行缩放、平移和旋转等操作；此外还可以显示主要参数的相应位置，如顶板的长A、宽H等，方便了解各参数的具体意义，避免频繁地翻阅手册，点击“将组件装入当前产品”即可将组件调入所选成品层次中，然后添加必要的约束条件实现装配，脚轮装配后的示例见图6(b)。
图6 组件库实例
4 结语
文中以CATIA中标准件库的创建和调用为基础，研究了面向航空产品工装的组件库建库工具的设计与实现方法。基于二次开发工具CAA，结合CATIA的实体建模、Formula和Design Table等功能开发了针对航空领域的三维组件库建库工具，实现了以CATProduct形式创建的组件库的查询、三维预览、调用及主要参数的三维显示等功能。企业实际应用表明，整个组件库的创建和使用过程简单，操作方便，能够提高设计效率和产品的互换性，开发的建库工具直接集成到CATIA V5上，实现了与CATIA V5版本的无缝连接。
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