基于CATIA知识工程防护栏参数化设计

王雯萱

摘要：本文以防护栏的参数化设计为例，通过设计需求分析，经验归纳整理，简要论述了基于知识工程模块下的防护栏结构参数化设计的新思路。采用自顶而下的设计模式，通过使用知识工程模块将防护栏的设计参数化、模块化，实现了结构相似，尺寸不同的防护栏的快速建模及设计修改，满足工装设计的需求，提高工装设计效率。这种基于知识工程模块的参数化设计较传统三维建模技术而言，实现了工装设计经验知识的积累共享和再利用，对缩短产品的研发周期，减低制造成本具有重要意义。

关键词：知识工程；参数化；防护栏；规则；实例化

1引言

CATIA V5 作为工装设计软件，工装设计人员对基本命令的应用与理解上已经具备了较高的水平，但对知识工程模块的了解和应用水平较低。在工装的设计过程中，大量的修改以及技术含量较低的重复性操作，导致设计工作过程繁琐、耗费精力并且极易出错。CATIA中知识工程模块为工装模块化设计提供了一个功能全面的技术平台，通过将设计结构参数化、实例化，进而将模块化的结构创建资源库，可以将设计人员的经验和CATIA各个模块的功能有机地结合起来，将用户的成熟经验做成模板，一方面在提高设计质量的同时，大幅度地提高设计效率，实现设计经验的薪火传承，另一方面使得相似的设计可以重复使用，达到缩短产品的研发周期，提高产品质量，减低制造成本的目的。

本文基于CATIA V5知识工程模块的应用，通过二次开发实现工作梯防护栏参数化的设计，为缩短防护栏设计周期以及工作梯模块化设计方案的推进提供指导。

2防护栏参数化的设计方法

防护栏是沿平台等场所敞开边缘固定安装的防护装置，用于工人工作过程及上下梯过程的防护结构。防护栏的样式较为繁多，不同设计人员对细节的不同处理方式也会导致防护栏设计类型的增加，一般来说，按防护栏结构形式可分为I型、L型、N型三种基础结构，在此基础上每种防护栏均存在增加扶手部分的变型结构。本文主要论述I型防护栏基础结构的参数化过程设计。

2.1 设计方案

防护栏的参数化过程整体采用自顶而下的设计方法。自顶而下的设计理念是由整体到局部的设计顺序，首先完成防护栏的骨架构建，设置基本参数，用于控制和分配各个零件之间的尺寸及位置关系，使用自顶而下的设计模式，当总的设计方案发生变化时，将参数输入到一级框架中，框架内的零件会直接发生变化，避免多次更改。

2.2 I型防护栏的框架设计

在防护栏的设计中，首先新建装配体，在装配下创建框架零件，在框架零件下绘制出防护栏中所有设计所需的点、线、面及草图，框架构建完成后开始进行零件设计。新建扶手零件，将扶手零件绘制所需的几何图形采用“按保持链接的结果”的粘贴方式，粘贴在扶手零件结构树中，在粘贴结果的基础上进行进一步的零件绘制。I型防护栏可能构成的组成零件有侧边立柱、中间端立柱、扶手、侧边横梁、中间段横梁、边侧挡板、中间段挡板、踢脚板，根据防护栏尺寸的不同，有些零件在实际生成中可能并不需要，这种情况在实例化过程中可以通过规则进行处理，但在框架构建过程中，需要新建绘制出上述所有零件。

2.3 I型防护栏的参数设计

防护栏的参数化设计可以分为两种模式，分别是极简模式和自定义模式。极简模式为仅设置防护栏的长、宽、高三个参数即可完成防护栏的参数设置，进行下一步实例化；自定义模式为设计人员在输入防护栏的长、宽、高三个参数后，可以根据自己的需要设置扶手弧度、踢脚板厚度、挡板高度等个性化尺寸。极简模式的参数化设计方法为将除防护板长、宽、高三个参数外的所有参数分为两类，一类为经验值参数，一类为关系参数，如扶手折弯弧度可视为经验值参数，设置折弯弧度R=120mm，其余关系参数均与防护板长、宽、高建立尺寸关系，通过上述三个参数的改变，自顶而下传递防护栏整体的全部设计信息。

本文以自定义模式为例，简要阐述防护栏的参数化设计过程。首先通过知识工程模块新建出所有参数，所有参数可分为直接参数和间接参数两类，直接参数为可直接与顶层框架通过公式建立关系的参数，间接参数则需要考虑结构的不同状态，根据结构形式设置与顶层框架的参数关系。

参数建立完成后，将直接参数与防护栏框架设计中的相关尺寸建立对应关系，关系建立结果体现在结构数“关系”层级下，在“关系”中，可以进行公式的各种编辑操作。防护栏的参数化设计中的间接参数有栏数、侧栏横梁长度、中间栏横梁长度，间接参数的设置需要通过知识工程模块中的“规则”命令进行设置。

在防护栏的设计中，为提高其安全性能，当防护栏长度不大于900mm时，防护栏采用单栏设计，当防护栏长度为900mm～1600mm时，防护栏采用双栏设计，当防护栏长度大于1600mm时，防护栏采用多栏设计，立柱间距设置为800mm左右。

防护栏设计过程中，长度参数为顶层参数，其取值决定了防护栏的栏数，进而决定了横梁的长度参数。横梁在实际设计中包含两个横梁零件，其长度分别为wl1、wl2：

当栏数为1时， `wl1` =`L` -2*`ga`；

当栏数为2时，`wl1` =(`L` -3*`ga`)/2；

当栏数为3时，

`wl2` = (((`L` -(`栏数`+1)*`ga` )/`栏数` )/10mm)*10mm

`wl1` =(`L` -(`栏数`-2) *`wl2` -(`栏数`+1) *`ga` )/2。

通过上述设计，I型防护栏的参数化工作基本完成。

2.3 1.4 I型防护栏的实例化

防护栏设计中涉及的阵列包括首尾立柱的阵列、首栏挡板的阵列、中间栏挡板的阵列、首栏横梁的阵列、中间横梁的阵列、中间立柱的阵列、首栏顶端横梁的阵列等九个部分，这九个阵列中的部分阵列可在具体实例化过程中进行简化。在防护栏实例化生成的过程中，需要通过使用规则中的条件语句控制零件和阵列的活动情况。

当防护栏长度小于900mm且高度高于700mm时，仅涉及零件侧边立柱、扶手、侧边横梁、边侧挡板、踢脚板和首尾立柱的阵列、首栏顶端横梁的阵列，其余零件及阵列的布尔活动值均为false。

同理，利用知识工程模块控制零件及装配特征的活动属性，可以实现不同情况下的防护栏实例化。

3 I型防护栏设计实例与优化

本文基于CATIA知识工程模块，通过二次开发可实现工作梯防护栏的快速参数化建模。通过在参数中输入所需要的设计值，并更新装配体，即可完成防护栏的设计。在防护栏的设计过程中也存在大量的工程经验与设计要求，如防护栏的高度不得高于1200mm，顶部横梁与底部横梁间距不得大于380mm等。在常规3D建模过程中，对于经验较少的设计人员可能对这些经验值了解较少，到后期校审会造成批量的更改，在参数化建模中，可以通过对参数添加范围、添加多值等手段，对参数值加以限定，优化设计参数，使工装设计更加规范化、标准化。

结论
　　CATIA作为功能全面的三维设计软件平台，其基础结构模块、知识工程模块功能均十分强大。基于CATIA知识工程模块的防护栏参数化设计通过测试，使用效果稳定，设计效率大幅度提高。在后续的工作中，针对防护栏的参数化设计，可以继续将其他两种类型及其变型结构参数化，利用基础结构模块中的库功能将防护栏建立参数目录，更加方便设计人员的调取与使用，提高工装设计能力，更好地满足公司型号科研及批产的设计要求。

参考文献

[1] 王智明.知识工程及专家系统.化学工业出版社,2006.4.

[2] 李学志, 李若松．CATIA 实用教程．北京: 清华大学出版，2004.223-226．