绪论
参数化设计是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便根据实际情况随时加以更改和驱动的技术。不同于以往传统CAD设计方式，参数化设计能够极大地改善建模的修改手段，不再需要对每一个尺寸及参数进行重新定义，能够提高模型自动生成和修改速度，增加设计过程的柔性，极大的降低设计成本。近年来，参数化设计技术在概念设计、动态设计、实体造型、装配公差分析与综合优化设计等领域发挥着越来越大的作用，能否实现参数化设计已成为评价CAD技术应用优劣的重要指标[1]。
具备参数化设计功能的软件主要有Pro / Engineer、Unigraphics NX、Solid Works、CATIA等，基于航空行业的设计惯例，确定采用达索公司的CATIA软件进行参数化设计研究。CATIA知识工程是CATIA软件的重要组成部分，包括知识工程顾问、知识工程专家、产品知识模板等模块，提供了参数、关系、规则、检查等重要工具，通过这些工具可以将设计意图及设计知识表达出来，如尺寸约束，标准要求等[2]。
本文主要研究基于CATIA知识工程的航空钣金工装参数化设计。具体包含航空钣金工装参数化设计可行性论证、设计流程、设计实例等内容，尝试在建模过程中增加自动检查功能，减少人为原因的遗漏和失误，提醒不满足要求的设计改进。通过航空钣金工装参数化设计，减少工装设计过程中繁琐、耗费精力的重复性操作，在保证设计质量的同时，大幅度地提高设计效率，降低设计成本。同时，这种将设计经验转化为资源库的方式，可以将设计人员的成熟经验保留下来，有利于设计经验的长期传承。
1 航空钣金工装参数化设计可行性论证
与以往标准件参数化设计不同，航空钣金工装参数化设计前，必须先甄别工装类型是否适合进行参数化设计、实用性是否强、投入和产出的综合效益是否合理，甄别工装类型时主要评估方面如下：
●需求量：对于设计需求少的钣金工装，如滚压模、冷挤压模等，无需考虑进行参数化设计；
●结构重复率：基于参数化设计的特点，航空钣金工装应具备一定的系列性，即工装结构要足够典型、重复率要足够高。例如各类减轻孔冲孔模、配套使用的弯管模等，虽然产品的型面及尺寸变化，但这些类型工装的整套结构都是相同的。还如复合模、引伸模这类复杂结构冲模，整套工装结构参数化设计的难道较大，实用性可能较差，但可以抽取其中的典型组件进行参数化设计，如滑动导向钢板模架 后（后侧式、中侧式、对侧式、三导柱式）、滚动导向钢板模架（后侧式、中侧式、对侧式、三导柱式）等，就具备参数化设计可行性；
●尺寸标准性：除了结构重复率外，尺寸标准性也是重要的考察方面，必须选取能够从以往设计经验中总结出常用标准尺寸的钣金工装类型。比如需求数量较多的型模、胎模、拉伸胎等钣金工装，虽然基本结构都为模体、压板（金属/玻璃钢），但由于产品形状及尺寸各异，设计过程中工作量主要集中在对形状及尺寸处理上，这类钣金工装参数化设计意义不大，设计效率提升不明显；
2 航空钣金工装参数化设计流程
确定航空钣金工装参数化设计可行性后，需通过查阅各类设计规范、工艺规程、机床参数等技术资料，结合以往积累工作经验，总结出此类钣金工装的典型结构、常用尺寸参数。在确定常用尺寸参数的过程中，为尽量总结出轻质、性能优异的工装结构，很可能还涉及到应用有限元分析技术进行成型工艺性、工装结构刚度等校核，钣金产品成型工艺性校核主要通过PAM-STAMP软件实现，工装结构刚度校核主要通过ABAQUS软件实现。
前期准备完成后，开始参数化设计具体操作。首先创建出表达形状特征的母模板，再根据设计原理确定并创建出重要参数（包括驱动参数、被动参数），通过分析参数之间的关联、取值范围等，创建零件内部及零部件间约束关系，还可按需进行创建参数设计表、设计检查等操作。参数设计表是管理系列化的工具，一个系列的工装具有相似的结构，只是参数的数值不同，设计表中包含了不同系列中的所有参数，通过这些参数实现对零件的控制，设计表功能需要EXCEL软件的支持，可以轻松的在EXCEL软件中实现对参数的计算与修改。而添加设计检查后，当输入的参数不在检查范围内时，则会发出预先设置的警告，在特征树上亮起红灯并弹出错误内容提示框，能有效提醒设计人员检查，在错误没有修正之前，将不能进行下一步操作 。钣金工装参数化设计具体流程见下图：
图1 钣金工装参数化设计流程
3 钣金工装参数化设计案例
3.1 板状钣金件钻孔导具参数化设计
适用范围：适用于板状钣金产品的钻孔，驱动参数为板状钣金件长度L、产品宽度D、产品料厚δ，其中δ可选值为0.6mm，0.8mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，1.6mm，2mm。一次钻孔的产品数量N可选值为3，4，5，6，7，8，9，10。注意，选取值时应保证6mm≤N*δ≤10mm，对于料厚小，件数少的板状零件钻孔，即N*δ<6mm，可在定位板洞口处垫相应尺寸的垫板进行钻孔，连接方式可以选择胶粘，实例效果图如下：
图2 板状产品钻孔导具参数化示意
3.2 HB0-16，Φ16~20mm直角减轻孔冲模参数化设计
适用范围：适用于产品上具有HB 0-16直角减轻孔，且孔外径范围Φ16～20的冲制。驱动参数为HB 0-16直角减轻孔外径D、内径d、圆角R、高度h、孔中心距A、产品料厚δ，实例效果图如下：
图3 HB 0-16 Φ16～20直角减轻孔冲模参数化示意
3.3 弯管模用非球头芯棒参数化设计
适用范围：适用于弯管模配套使用非球头芯棒，驱动参数为弯管件的“弯管外直径D”、“弯管壁厚t”，例如“待弯管原材料尺寸为G38x1”，其中“G38”是弯管外直径D、“x1” 是弯管壁厚t，实例效果图：
图4 弯管模用非球头芯棒参数化示意
第三章 结论
本文主要总结了CATIA知识工程参数化设计技术在钣金工装设计中的应用。在吸取以往工装标准件参数化设计经验的基础上，着重研究了钣金工装参数化设计的过程，包括可行性论证、设计流程总结、钣金工装参数化建模实例等。通过建模实例可知，CATIA知识工程可以将设计人员的设计知识和丰富经验融入到设计中，减少设计错误和重复性操作，最大限度地提高设计效率。最后，期望通过此项钣金工装参数化设计的研究，为实现钣金工装的柔性化、系列化设计探索方向。
参考文献：
[1] 孙志礼等 机械产品参数化设计技术 国防工业出版社 2014年
[2] 王智明等 CATIA知识工程及专家系统 化学工业出版社 2006年
