CATIA V5及其在轿车数字化工程中的应用

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摘要：论述了虚拟制造、轿车数字化工程等相关概念，介绍了CATIA V5的发展和技术特点。然后从轿车整个开发周期的角度阐述了CATIA V5在轿车数字化工程中的应用，包括数字样机、功能虚拟样机、虚拟加工、虚拟生产等，提出了一个基于CATIA V5的轿车数字化工程开发流程。 <BR>关键词：虚拟制造；轿车数字化工程；CATIA V5；虚拟产品开发 <BR><BR><B>一、前言</B> <BR><BR>当今世界，在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，全球制造企业之间的竞争日趋激烈，制造业对市场的快速响应（交货期）在工业发达国家已经成为竞争的焦点。特别是我国加入WTO后，随着汽车制造业保护年限的日益迫近，国内轿车生产企业要想赢得竞争，就要以市场为中心，以满足顾客需求为主线，以技术创新为驱动力，最快速的响应市场变化，并迅速赢得市场与用户。换句话说，企业就是必须以最短的产品开发时间（T—Time）、最优的产品质量（Q—Quality）、最低廉的制造成本和销售价格（C—Cost）、最好的技术支持和全过程服务（S—Service）、最佳的环保效果（E—Environment）以及最快速的市场适应性（F—Flexibility）来生产适销对路的产品（P—Product），即：“TQCSEFP”，去进入市场，占领市场，进而领导市场。面对不可预测、瞬息多变的市场，企业的生产活动必须具有高度的敏捷性（Agility）、动态性（Dynamic）和柔性（Flexibility）。 <BR><BR>随着信息技术取得了迅速发展，特别是计算机软硬件技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们以想不到的进步，各种现代先进设计制造技术应运而生，例如：计算机辅助技术（CAX：Computer Aided Design、Manufacturing、Engineering …）、计算机集成制造（CIM：Computer Integrated Manufacturing）等，这些技术的出现和实施，为实现这一目标（TQCSEFP）提供了强有力的支持与保障。 <BR><BR>二、 轿车数字化工程 <BR><BR>汽车行业的CAD/CAM/CAE技术在二十世纪七、八十年代已经流行，主要以零部件的设计为对象，使得零部件的缺陷大大降低，例如汽车零部件缺陷降低了40%。然而，整机厂却并未得到对应的效益。优化的零部件组成的系统并不能保证是最优的，例如设计完美的制动器与设计优良的悬架及底盘组成的系统，其应用效果并不总是理想的，必须从系统水平进行设计。从九十年代中开始，面向整车设计开发的汽车虚拟制造应运而生。

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<FONT face=Arial>虚拟制造（VM：Virtual Manufacturing）是一个处于发展中的新概念。目前比较通行的说法是：虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画或虚拟现实，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。 <BR><BR>尽管虚拟制造技术出现只有短短的几年时间，但它已在汽车业界得到广泛的重视，而且其革命性的影响也很快地显示了出来。典型的例子有：克莱斯勒新型汽车开发周期由36个月缩短至24个月，福特公司也在1999年底宣布开发出了全数字化轿车。奔驰汽车公司1998年之前已经完成了数字化轿车样机，并实现了较强的虚拟现实技术，可在设计阶段对轿车的总体性能匹配和车身系统布置设计等进行直观、全面的仿真分析、评价和改进。 <BR><BR>虚拟制造技术已被公认为未来汽车设计、开发的必然趋势，也是我国尽快消化、吸收国外先进技术，迅速提高自主设计能力，开发自主知识产权汽车，实现由“追随模式”到“自主开发”的跨越发展的有效手段。 <BR><BR>轿车数字化工程本质上就是要利用计算机生产出“数字轿车”。不难看出，数字化工程技术是一个跨学科的综合性技术，它包括轿车数字化定义、仿真、可视化、虚拟现实、数据集成、优化等。轿车数字化工程的目标是对轿车整个生命周期（包括设计、开发、加工、生产）的“可制造性”（Manufacturability）的决策支持。“可制造性”又可以进一步分解为“可行性”、“可开发性”、“可加工性”和“可生产性”。这四个方面是相互关联的，因此，应从“数字轿车设计”（形状虚拟样机—Shape Virtual Prototyping，SVP）、“数字轿车开发”（功能虚拟样机—Function Virtual Prototyping，FVP）、“虚拟加工”、“虚拟生产”（虚拟设备与生产线）四个层次提供轿车全生命周期的数字化工程开发的基本支持。 <BR><BR>三、 CATIA V5的发展和技术特点 <BR><BR>CATIA V5是IBM/DS在充分了解客户的经验、并积累了大量客户的应用需求后基于Windows核心重新开发的新一代高端CAD/CAM软件系统。CATIA——Computer Aided Three &amp; Two Dimensional Interaction Application System，计算机辅助三维/二维交互式应用系统，自1999年3月法国达索系统（Dassault Systems）正式发布第一个版本即CATIA V5R1（CATIA Version 5 Release 1）以来，平均每年发布2~3个版本，到2003年4月发布的CATIA V5R11（CATIA Version 5 Release 11），模块总数出最初的12个增加到了146个。将原来运行于IBM主机和AIX工作站环境的V4版本彻底改变为微软Windows NT环境，99%以上的用户界面图标采用MS-Office形式，并且自己开发一组图形库，使得Unix工作站版本与Windows微机版具有相同的用户界面。CATIA V5充分发挥了Windows平台的优点，一经推出市场后立刻就得到业界广泛的认可，被很多CAD/CAM领域的资深咨询专家评价为第四代CAD/CAM软件，代表了CAD/CAM未来发展的方向。 </FONT>

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<FONT face=Arial>CATIA V5在开发时大量使用了最新和最前沿的计算机技术和标准，其中包括基于JAVA 和Web技术、C++语言、面向对象的设计思想（O-O）、STEP-SDAI、OpenGL、OLE/CORBA和Visual Basic Journaling等，这使CATIA V5具有与众不同的鲜明的特点：单一的数据结构，各个模块全相关，某些模块之间还是双向相关；端到端的集成系统，拥有宽广的专业覆盖面，支持自上向下（Top-down）和自下向上（Bottom-top）的设计方式；以流程为中心，应用了许多的相关工业优秀开发设计经验，提供经过优化的流程；创新的用户界面，把使用性和功能性结合起来，易学易用；独一无二的知识工程架构，创建、访问以及应用企业知识库，把产品开发过程中涉及到的多学科知识有机地集成在一起；先进的混合建模技术，建立在优秀的、可靠的几何实现原理基础上，具有领先的几何建模和混合建模功能；CATIA建立在STEP产品模型和CORBA标准之上，具有在整个产品周期内方便的修改能力，尤其是后期修改； CATIA提供多模型链接的工作环境及混合建模方式，实现真正的并行工程的设计环境；强大的电子样机技术；开放平台，为各种应用的集成提供了一个开放的平台；面向设计的工程分析，作为设计人员进行决策的辅助工具，开放性允许使用第三方的解算器（如NASTRAN）；完善的加工解决方案，唯一建立在单一的基础架构上、基于知识工程、覆盖所有CAM应用；支持电子商务，支持即插即用（Plug ＆ Play）功能的扩展等。 <BR><BR>四、 基于CATIA V5的数字化轿车 <BR><BR>⒈ 数字轿车设计—形状虚拟样机 <BR><BR>这是支持轿车总体设计的支撑平台，用于数字概念车设计。包括数字轿车造型设计、数字轿车车身设计、数字轿车发动机和底盘零部件设计、数字轿车管路和电子线路设计以及数字轿车电子样机设计。 <BR><BR>1.1 数字轿车造型设计 <BR><BR>在计算机技术在轿车设计中广泛应用的今天，许多人仍然认为轿车造型设计是属于艺术创作的范畴，全靠造型师的灵感、艺术的想象力和创作意识，计算机几乎无能为力。其实不然，按照传统工艺模式，造型师一般先绘制轿车风格造型图（轴视图或者三视图）；接着根据风格造型图制作1:5（或者1:10）的油泥模型，再从几个视角观察、修改，很可能同时需要几个小模型相互比较，直到造型师觉得其中一个满意为止，定型；根据这个已经定型的比例模型做1:1的全尺寸油泥模型，继续反复手工修改……这样将耗费大量的人力和物力，才能完成最终的造型（造型冻结），周期长、效率低，影响整车开发、制造和投放市场的时间。 <BR><BR>针对这种情况，CATIA V5开发出一种崭新的造型方式——基于草图的自由曲面设计（FSK：CATIA Freestyle Sketch Tracer），它可以快速导入造型师绘制的轿车2D风格造型图（Tif、Jpg或者Bmp格式）。达索系统公司采用新的计算机2D图形算法，可以使CATIA V5系统中导入的造型图在不失真的情况下放大：普通的放大，以牺牲原图的分辨率为代价，放的越大，图形分辨率越低，试想一下如果采用普通的算法将造型图放大到实车尺寸大小，分辨率会低得无法从造型图中提取相关的信息，而新的算法完全解决这一问题，可以在不损失分辨率的情况下，将造型图放大到实车尺寸大小。 <BR><BR>将导入的几张造型图在3D环境中定位后，就可以利用CATIA V5的丰富的曲面造型工具（如FSS等）在造型图的基础上，绘制3D轿车模型。自由曲面设计（FSS：CATIA Freestyle Shape）提供了大量基于曲面的实用工具，允许设计师快速生成具有特定风格的外形及曲面。交互式外形修形功能甚至可使设计师更为方便地修改、光顺和修剪曲线和曲面。借助于多种面向汽车行业的曲线曲面诊断工具、可以实时检查曲线曲面的质量。由于系统提供了一个可自由匹配的几何描述，支持NURBS和Bezier数学表达，因而设计师可直接地处理修剪后的曲面，同时保持同其基础外形的相关性。这就大大提高了从最初2D造型图的平面型线构思到最终的3D模型生成这一过程的效率。 </FONT>

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<STRONG>⒉ 数字轿车开发—功能虚拟样机</STRONG> <BR><BR>数字轿车开发是轿车数字化工程的核心，也是区别于以往早期零部件级别的虚拟设计最重要的方面，它面向整车系统——功能虚拟样机。产品设计人员在新型轿车开发的早期就全面考察数字轿车在各种工况下的性能，真正使数字轿车设计由“形似”提高到“神似”，并进行整车系统的调整，使数字轿车功能、成本、安全性、可靠性、舒适性等相互矛盾的性能之间达到系统平衡与优化。 <BR><BR>2.1 人机工程学分析 <BR><BR>人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机器和人的相互关系，以提高整个系统工效的新兴边缘科学。人机工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力，以及人受机器、作业和环境条件的限制。为了在进行产品设计过程中就很好地解决“人—机—环境”之间的问题，CATIA V5最早提出了人体设计与分析（Ergonomics Design &amp; Analysis）解决方案。 <BR><BR>2.1.1 人体模型构造 <BR><BR>CATIA V5人体模型构造（HBR：CATIA Human Builder）在虚拟环境中建立和管理标准的数字化“虚拟”人体模型，以在产品生命周期的早期进行人机工程的交互式分析。HBR提供的工具包括：人体模型生成、性别和身高百分比定义、人机工程学产品生成、人机工程学控制技术、动作生成及高级视觉仿真等。一个友好的用户接口确保了人体因素分析能够由非人体分析专家进行研究。 <BR><BR>HBR能够满足来自轿车、工厂设计和电气产品等行业的设计工程师、技术支持维修工程师和概念设计师等不同工业界人士的需要。有效地将HBR与HAA（人体行为分析）、HME（人体模型测量编辑）及HPA（人体姿态分析）结合起来可以生成更高级的人体模型，得到更详尽的分析结果，使设计更符合人机工程学对舒适性、功能性及安全性的要求。这些产品的结合可以为设计人员提供人体工程设计详细的解决方案。 <BR><BR>2.1.2 人体行为分析 <BR><BR>CATIA V5人体行为分析（HAA：CATIA Human Activity Analysis）作为HBR的辅助模块，可以对处于虚拟环境中的人机互动进行特定的分析。HAA的优点在于能够精确地预测人的行为。它提供了多种高效的人体工程学分析工具和方法，可以全面分析人机互动过程中的全部因素。 <BR><BR>2.1.3 人体模型测量编辑 <BR><BR>CATIA V5人体模型测量编辑（HME：CATIA Human Measurements Editor）允许设计人员通过大量的先进人体测量学工具生成高级的用户自定义的人体模型。该模型依靠它的指定目标人群，可以用于评价设计与其目标的吻合程度。HME能够满足专业人机工程分析师、技术支持维护工程师等不同设计人员的需要。 <BR><BR>2.1.4 人体姿态分析 <BR><BR>CATIA V5人体姿态分析（HPA：CATIA Human Posture Analysis）可以定性和定量地分析人机工程学上的各种姿态。人的整个身体及各种姿态可以从各个方面被全面系统地反复检验和分析，以评定驾驶者的舒适性，并可以与以公布的舒适性数据库中的数据进行比较，来检查、纪录和重放人体全身或局部的姿势，确定相关人体的舒适度和可操作性。界面友好的对话框提供了人体模型各个部位的姿势信息，颜色编码技术可以通过使用不同的颜色标记，快速发现有问题的区域，重新做出分析，并进行姿态优化。HPA允许设计人员根据自己的实际应用，建立起自己的舒适度和强度数据库设计，来满足不同的需要。

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<STRONG>⒋ 虚拟生产</STRONG> <BR><BR>该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化，进行可生产性分析。包括虚拟设备集成、虚拟生产环境布局和虚拟计划与调度。 <BR><BR>4.1 虚拟生产线设计 <BR><BR>4.1.1 电缆布线设计 <BR><BR>CATIA V5电缆布线设计（ECR：CATIA Electrical Cableway Routing）进行电缆系统的3D设计实施，允许在3D空间实现所有在电气原理图中定义的电气组件。ECR能自动管理空间预留项的创建、根据电气连通信息（原理图）来管理它的放置、以及隔离空间生成。通过使用ECR，设计人员可以把电气特性和机械特性集成起来，可以解决在虚拟环境中的复杂电缆布线问题。 <BR><BR>4.1.2 系统空间预留设计 <BR><BR>CATIA V5系统空间预留设计（SSR：CATIA Systems Space Reservation）可以优化电气系统的布线和布局，提供了一种高效低成本的方法，用于为管线和电缆设计预留空间，以及进行审查和验证。SSR定义包括组件和通道的空间预留网络，并隔离这些空间预留网络。整个过程可以通过简单直观的用户界面来完成，能把传统的2D布置图和3D设计建模功能结合起来。还可自定义曲面连接通道，通道可随时在自由空间动态生成。这一强大的功能使设计人员可以在通道的任意不同界面形状之间转换，例如从圆形截面到矩形截面。 <BR><BR>作为集成的可扩展的模块，SSR保证了从概念设计的空间预定，到基本设计的布线及设备放置之间的无缝连接。SSR是专门为轿车等交通行业设计，新的解决方案帮助制造企业有效地建立和管理其系统布局，特别是电气系统。 <BR><BR>4.1.3 系统布线设计 <BR><BR>CATIA V5系统布线设计（SRT：CATIA Systems Routing）是概念设计应用模块，可以在概念设计早期就根据所有要求来优化他们的布线设计，可以优化管道系统、传输系统、风管系统、电缆系统及排水管道系统等各种专业系统的布局，使系统规划人员可以为最终的功能以及详细布置预留必要的合适的空间。 <BR><BR>SRT允许完全地定义一个零件或一个布线设计，然后将其演化为真实的几何体或零件。这种“演化”能力使设计人员能够自由以自己的速度进行系统布局的详细设计，并能最大程度地利用前人已有的设计成果。SRT可以从概念设计到厂房维护阶段对系统组成进行强有力且灵活有效的管理，也可以从概念设计到详细设计阶段不断地迭代其布局定义，以优化产品。 <BR><BR>4.1.4 设备布置设计 <BR><BR>CATIA V5设备布置设计（EQT：CATIA Equipment Arrangement）提供一系列工具，采用工业标准规范、术语和工程惯例建立、修改、分析和管理制造企业所应用的工业设备和系统，这些设备包括锅炉、升降机、压缩机、抽水泵、加热器、电气设备、机械人等。它主要用于流水生产线、电力和离散型加工制造工业，例如轿车。 <BR><BR>与ENOVIA的数据管理结合使用，EQT为设计人员提供了从原始设计到制造和厂房操作整个过程的管理功能，在某种程度上提高了工作方法的灵活性。EQT侧重能够捕捉与设备有关信息的智能化表示和管理，可以更高效地进行设计和验证。另外，捕捉到的智能知识可以在下一流程的设计过程中重用，使其在整个设计过程中具备了更多的优点。 <BR><BR>4.1.5 支架设计 <BR><BR>CATIA V5支架设计（HGR：CATIA Hanger Design）向设计人员提供了一整套工具，来迅速设计（定义、放置、修改和分析）和管理用于支撑3D系统（如：管道和电气系统）的支架以及在支架内进行电缆布线，这些工具采用了业内标准的惯例、术语和经验。设计人员可以自定义支架属性和支架类型。这样就可以对属性数据进行标准化，以便查询、摘要及统计报告。 <BR><BR>通过与知识规则引擎集成，HGR可以进行设计校验并确保企业标准在整个设计过程中被贯彻。捕捉的智能信息可以被后续过程重复应用，使客户能从整个业务流程中受益。HGR与ECR紧密集成，提供了很容易在预先定义好的支架内进行电缆布线的功能；与SSR紧密集成，允许设计人员声明所需要的空间，用于干涉检查。HGR全面而灵活的设置功能包括定义项目标准和目录库的简易方法，这种标准和目录库可以使企业快速形成生产力。HGR还带有参数化支架库。所有这些使得设计人员可以快速简捷地创建、修改和管理自己的支架布置。 <BR>

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<STRONG>五、CATIA V5数字化轿车集成技术</STRONG> <BR><BR>⒈ 产品数据管理 <BR><BR>产品数据管理（PDM：Product Data Management）技术最早出现于八十年代初期，目的是为了解决大量工程图纸、技术文档以及CAD文件的计算机化的管理问题，后来逐渐扩展到产品开发中的三个主要领域：设计图纸和电子文档的管理、材料报表（BOM）的管理以及与工程文档的集成、工程变更请求／指令的跟踪与管理。按照专门从事PDM和CIM相关技术咨询业务的国际公司－CIMdata公司总裁EdMiller在《PDMtoday》一文中给出的PDM的定义，PDM是管理所有与产品相关的下述信息和过程的技术： <BR><BR>（1）与产品相关的所有信息，即描述产品的各种信息。包括零部件信息、结构配置、文件、CAD档案、审批信息等； <BR><BR>（2）对这些过程的定义和管理。包括信息的审批和发放。 <BR><BR>PDM的核心思想是设计数据的有序、设计过程的优化和资源的共享，通过人、过程、技术三者的平衡使虚拟制造过程进一步增值。遵循这一思想，CATIA V5内嵌了SmarTeam的某些模块，通过增强协同关联设计链，加强了CATIA-SmarTeam集成。CATIA V5通过SmarTeam进一步支持上下关联设计环境的链接，改善了关联设计能力，方便了产品生命周期管理。 <BR><BR>通过ENOVIA工作交换包（EWE：CATIA ENOVIA Work Package Exchange），OEM可在ENOVIA VPM V4 或V5平台内定义工作环境，并且装载CATIA V5中所有相关的数据。然后，OEM生成提供给供应商的“可移动”文件。于是，供应商可完成由OEM提出的所有数据修改或创建工作并返回经过更新的“可移动”文件。最后，OEM装载由供应商提供的CATIA V5数据，并使用EWE在 ENOVIA VPM V4 或 V5平台内导入上述数据，完成最终的数据。 <BR><BR>为了保证最新的数据为全部有关用户应用,包括工程设计人员、数控机床操作人员、财会人员及销售人员都能按各自需求方便地存取和使用相关数据，在产品生命周期内， PPR xPDM 接口（PXG：CATIA PPR xPDM Gateway）提供 CATIA V5和任何 PDM之间的综合接口，以实现不同环境中数据的输入/输出。不论用户使用何种PDM系统均可管理和优化所有产品的相关信息，并以同步方式保持数据的完整性和可靠性。 <BR><BR>⒉ 知识工程 <BR><BR>1977年，第五届国际人工智能联合大会上，美国斯坦福大学计算机科学系费根鲍姆（E.A.Feigenbaum）教授所作的“人工智能的艺术：知识工程课题及实例研究”特约演讲中第一次提出“知识工程KE”这个词，它的出现改变了传统的知识记载和传播的方式。知识工程（KE：Knowledge Engineering）是一个非常广泛的概念，最基本的含义就是人工智能在知识信息处理方面的发展，利用大型技术基础设施（网络平台与计算机系统），完成知识的采集、整理、加工、制作、存贮和发送的工作。一般采用“规则”的形式来存放、维护和应用所得到的知识。 <BR><BR>知识工程具有极其广阔的应用领域，最重要的方面之一就是与CAX系统相结合，注重知识应用的CAX系统是现代制造业的关键需求。基于知识工程的CAX系统起源于20世纪90年代初的美国，最初通过与CATIA和ICAD软件相结合应用于波音公司的飞机冲压件设计中。通过近10年的发展，知识工程已成为CATIA V5软件系统的核心技术之一。 <BR><BR>CATIA V5的知识工程主要体现为一系列智能化软件模块，包括知识工程顾问（KWA：CATIA Knowledge Advisor）、知识工程专家（KWE：CATIA Knowledge Expert）、产品知识模板（PKT：CATIA Product Knowledge Template）、业务流程知识模板（BKT：CATIA Business Process Knowledge Template）、产品工程优化（PEO：CATIA Product Engineering Optimizer）、产品功能定义（PFD：CATIA Product Function Definition）和产品功能优化（PFO：CATIA Product Function Optimization）等，通过提供方便易用的知识工程环境来创建、访问以及应用企业知识库，在保存企业知识的同时，充分利用这些宝贵经验。 <BR><BR>（1）帮助企业把规范的设计信息、最优的设计方法和流程等隐含的知识轻易地转化为正规的显式的知识。将“知识”以参数（Parameters）、公式（Formulas）、规则（Rules）、检查（Checks）、报告（Reports）、设计表（Design Tables）、应变（Reactions）、创成式脚本（Generative Scripts）等多种形式表示出来，还可以把这些智能资产封装为产品设计模板直接使用，一方面应用了企业的最佳设计经验，另一方面也保护了企业的智能资产，并且企业可以在任何时候定义、修改、插入任何类型的“知识”。 <BR>

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<STRONG>六、结束语</STRONG> <BR><BR>本文论述了虚拟制造、轿车数字化工程等的基本内涵，并结合CATIA V5系统的技术特点，讨论了轿车设计、开发和制造全生命周期中CATIA V5的具体应用，包括数字轿车设计、数字轿车开发、虚拟加工和虚拟生产等。由此可以深刻体会到CATIA V5已不仅仅是一个简单的辅助设计工具，早已远远超过了在屏幕上定义产品的阶段，它所提供的先进建模与仿真技术，为现代轿车的设计、开发和制造的建立了一个相当完善的软件系统支撑环境，加快了新车型的开发速度和增强了其对市场的快速响应能力，无疑会给制造企业带来更加强大的竞争力。