0 引言

    随着计算机技术的迅速发展，在激烈的行业竞争中，许多新的设计理念与设计方法应运而生，尤其是以CAD、CAE、CAM为核心的先进技术已经成为当前机械制造行业快速发展的重要保证。在机车车辆领域，基于三维CAD平台的参数化设计技术越来越引起工程技术人员的重视，开发适用于机车车辆关键零部件的参数化设计软件有利于实现快速设计，提高设计效率。CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)是由IBM与法国达索（Dassault Systems)公司于1975年开始研发的一整套完整3D CAD/CAM/CAE软件，广泛应用于航空航天、汽车、船舶以及电子工业，其集成化的解决方案基本覆盖了所有的产品设计和制造领域，能很好地满足工业领域中各类企业的数字化设计需求。同时XATIA作为一款使用率较高、功能强大的CAD软件，为用户提供了二次开发接口和开放式的内部命令集合，用户根据这些接口以及内部命令函数结合本行业的应用需求就可以开发出适用于本行业的二次开发应用程序插件，提高设计效率。本文研究探讨了CATIA二次开发技术的基本原理，开发出了铁道车辆车轴参数化设计插件，不仅可以实现车轴的快速参数化建模，还可以对车轴模板库进行扩充和修改，针对任意拓扑结构的车轴均可进行参数化设计。

1 CATIA二次开发基本原理

    CATIA二次开发方式主要有两种，一种是基于V5 Automation接口的自动化对象编程技术，另一种为开放的基于构件的应用编程接口CAA技术。两种开发方式各有其优缺点，CATIA Automation技术和CATIA CAA技术均是基于面向对象方法进行的二次开发，能够进行大型复杂系统的开发。在开发深度上CAA较CATIAAutomation优势更加明显，基于组件对象模型的编程方法，能够对CATIA进行更深层次的开发，同时CAA所开发出的界面与CATIA原有界面更加贴合，方便用户使用。

    CAA具有强大的交互、集成和用户自定义特征的功能，能够实现对CATIA软件深层次的开发。CAA的实现是通过CATIA提供的API接口和快速应用开发环境(RADE)完成的。RADE是一个可视化的集成开发环境，它为用户提供了完整的编程工具组，它以VC++为载体，并且在VC++开发环境中增加了CAA的开发工具。CAA API则为用户提供了各种可以针对对象进行操作的接口、方法和工具。

    CAA由一系列模块组成，在CAA架构的支撑下，CAA V5组件应用架构系统通过堆积木的形式建立起来，如图1所示。CAA采用了COM技术和OLE技术，COM技术作为一种软件架构具备了较好的独立性以及可扩展性，能够使CATIA二次开发程序设计更加标准化，并且使程序代码更加简洁易懂。

    图1 CAA架构

2 基于变结构体的参数化设计方法

    参数化设计技术是指利用约束构造产品的几何轮廓，通过设计尺寸变量完成尺寸驱动从而完成设计，旨在重用已有设计信息快速重构产品来提高设计效率，支持企业参数化库的建立，以方便当前设计的后续利用。

    传统的参数化设计方法有尺寸驱动法、程序驱动法和模块化参数化设计等。与传统参数化设计方法相比，变结构体参数化设计能够适应零件结构变化，不依赖于具体的模板，将具有同一功能但是结构类型不同的零件通过将其分成不同的类型，建立每一种类型的参数化设计样板，然后针对每一种类型的参数化设计样板分别进行参数化设计。变结构体参数化设计并不区分零件的公有部分与私有部分，而将零件所有部位的设计都视为可变的，通过添加或者删除模板库里的模板，可以实现模板库的扩展以及修改，大大提高了设计的灵活性。

    变结构体参数化设计大体可分为功能抽象、组合、尺寸驱动3个步骤，其技术过程如图2所示。

    图2 变结构体参数化设计步骤

    (1)功能抽象：根据零件的外形以及功能提取零件的基本结构，将基本结构以草图的形式表达，形成模板库。对于同一种系列但是型号不同的零件，其结构存在相似性，因此无需将只存在细微差异的零件单独进行保存，否则可能会导致模板数据库规模较大，而按照功能或者外形进行提取，相类似的模板不必单独添加，提高了读取模板数据库的效率。

    (2)组合：在功能抽象模块中建立的模板数据库基础之上，用户根据自己的设计需要添加模板到图形中，组合成抽象结构，完成零件的外形结构设计。

    (3)尺寸驱动：用户根据插入的模板，提取模板参数，并根据设计的实际需要修改参数值，尺寸驱动完成零件的细节设计。

3 铁道车辆车轴参数化设计插件实例

3.1 插件设计思路

    车轴作为铁道车辆的关键零部件之一，其结构强度在国内外标准中均给出了具体明确的要求。然而，在设计方案明确之前，需要进行大量重复的设计。为了提高设计效率，在CATIA V5平台上开发了适用于铁道车辆车轴设计的插件，可大幅度提高车轴的设计效率。

    根据前面内容的叙述，铁道车辆车轴参数化CAD系统基于CATIA V5 CAA二次开发基本原理，并将变结构体参数化设计方法运用到插件系统的开发中，能够开发出拓扑结构可变的车轴，实现变结构体参数化设计。

3.2 插件工作过程

    (1)用户根据铁道车辆车轴的典型结构特征，提取其中的公共典型的结构存储于车轴模板数据库中，便于设计时调用并且观察模板库中的文件，调用模板库的界面如图3所示，图形列表区域通过读取模板库文件夹中的文件自动显示模板的外形结构，便于用户观察模板信息文件，提高设计效率。

    (2)利用图3界面中的按钮“模板选择完成插入板”，可以实现模板从左到右的组合，通过约束端点位置关系使选择的模板融合到一起，同时在CATIA界面中可以同步观察模板的插入状态，便于用户及时修改。

    (3)用户在插入模板的过程中，可以通过图4面修改所插入模板的尺寸参数值，并且对尺寸参数进行校核，判断是否满足标准或者发生非法拓扑变异。点击图4界面中的按钮“尺寸驱动”，在CATIA图形区就可以更新尺寸，实现车轴的尺寸设计。

    (4)在系统主界面中点击“旋转生成车轴”，系统弹出提示框，如图5所示。选择所设计车轴是实心或者空心，如果为空心车轴设计，在输入框中输入车轴的空心直径，然后点击“旋转形成车轴”即可得到车轴实体模型，如图6所示。

4 结论

    本文在CATIA V5平台上采用了组件应用框架(CAA)二次开发方法，基于变结构体参数化设计方法开发出了铁道车辆车轴参数化设计插件，该插件系统根据铁道车辆车轴的结构特点，创建了一系列车轴模板库，用户可以根据自身需要提取模板库中的模板，并提取模板中的参数，还可以进行修改并进行尺寸驱动更新模板，组合旋转形成车轴实体模型。该方法有效地解决了传统参数化设计外形拓扑结构不可修改的缺点，用户可以随意进行模板库的扩充以及修改。