一、引言
CATIA(Computer Aided Three & Two Dimensional Interaction Application System，计算机辅助三维/二维交互式应用系统)V5是IBM/DS基于Windows核心开发的高端CAD/CAM软件系统。目前CATIA最新的 版本为V5R14。CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/CAE/CAM系统，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口， 并拥有20多个独立的模块。
在国内，CATIA应用CAA 组件应用架构进行二次开发刚刚开始不久，相对人员比较少，资料不多，由于CATIA软件功能的强大以及CAA二次开发功能的强大，探索和实现基于CATIA的二次开发技术具有很好的应用价值。
二、CATIA的二次开发方式
作为强大的工程软件，CATIA具有很强的开放性能。用户可以按照自己的需要，采用不同方式进行各种程度上的开发。
CATIA二次开发接口是通过两种方式与外部程序通信：进程内应用程序(In-process Application)方式和进程外应用程序(Out-Process Application)方式。进程内应用程序方式下，CATIA软件与脚本运行在同一进程地址空间，比如宏方式(Macro)。在CATIA环境下通过 菜单记录宏(Record Macro)，宏记录后，生成VB脚本(Visual Basic Script)序列，当宏开始运行，CATIA就处于非激活状态，因此不能宏调用之间存储变量的值，这种方式比较简单，在CATIA环境就中可完成。进程 外应用程序方式下，CATIA与外部应用程序在不同进程地址空间运行。在CATIA运行的情况下，外部进程可以通过接口驾驭CATIA，创建、修改 CATIA环境和几何形体的数据、尺寸等，同时支持对象连接与嵌入(OLE，Object Linking and Enbedding)。
具体来说，CATIA的二次开发主要有两种方法：使用宏对CATIA进行二次开发和使用组件应用架构(CAA-RADE)对CATIA进行二次开发。
1、 使用宏(Macro)对CATIA进行二次开发。
可以用于自动化(Automation)组件，使用VBScript作为编辑工具，这是一种交互方式的定制。可以记录用户的操作过程，自动生成代码。 CATIA提供了Automation API用于VBScript对CATIA的二次开发，Automation API具备了与任何OLE所兼容的平台进行通讯能力。自动化应用接口可以调用"InputBox"和"MsgBox"函数获取用户输入信息和进行输出，而 对于NT用户则可以应用Visual Basic来定义更为复杂的输入输出面板。运行的时候可以给宏关联一个图标，并置入CATIA显示框架。这种方式的开发流程如图1中所示。
图1 使用VB进行CATIA二次开发的基本流程
2、使用组件应用架构(CAA-RADE)对CATIA进行二次开发
Component Application Architecture (CAA) 组件应用架构，是Dassault Systemes产品扩展和客户进行二次开发的强有力工具。Dassault Systemes提供的CAA产品包括如下内容：
CAA RADE 快速开发环境，基于Microsoft Visual Studio & #61548;
CAA CATIA V5 API， CATIA V5应用开发工具 & #61548;
CAA ENOVIA LCA V5 API，ENOVIA LCA应用开发工具 & #61548;
CAA DELMIA V5 API，DELMIA V5应用开发工具 & #61548;
CAA ENOVIA PORTAL V5 API ，ENOVIA PORTAL V5应用开发工具
快速应用研发环境Rapid Application Development Environment(RADE)是一个可视化的集成开发环境，它提供完整的编程工具组。RADE以Microsoft Visual C++6.0为载体，开发工具完全集成在了VC++环境中，并且提供了一个CAA框架程序编译器，但同时也限制了VC++的部分功能。可以说CATIA CAA-RADE是目前所有高端CAD/CAM开发环境中最为复杂、同时也是功能最为强大的一个。
CAA采用面向对象的程序语言，开发过程可看作是其组件对象的组合和扩展。CAA采用组件对象模型CAA采用面向对象的程序语言，开发过程可看作是其组件对象的组合和扩展。CAA采用组件对象模型(COM)和对象的连接和嵌入(OLE)技术，CAA的架构如图2所示。
图2 CAA架构
三、使用组件应用架构的CATIA界面二次开发方法
下面的例子说明了如何使 用CAA C++开发方式来建立一个CATIA内部程序。实现的功能是新建一个独立的工作台(workbench)，并在其下面实现添加自定义菜单，添加工具条以及 按钮图标，插入CATIA风格的对话框。并生成对界面功能的响应，建立command，实现调用对话框，以及通过输入参数直接用代码生成一个三维模型，并 在CATIA主窗口中显示。
1、 新建独立的workbench
CATIA V5将某类包含一系列交互命令的一些工具条分组显示在不同的工作台(workbench)中，这样有利于工具的查找和使用。通过自己新建的 workbench可以将自己二次开发形成的一系列命令集中显示在一个工作台中，便于以后的操作。工作台的建立需要以下几个步骤。
创建工作台厂(factory)的接口(interface);
创建工作台厂;
创建工作台描述类;
创建响应命令(command)的标题;
创建工作台并排列图标按钮响应;
提供图片及提示等资源并将新建的工作台插入开始菜单;
创建工作台的显示界面。
插入新建的工作台MyWorkBench后的CATIA开始菜单如图3所示，它与CATIA现有的模块成为并列关系。现在进入MyWorkBench工作台里面没有任何工具条及按钮，下面添加这部分工具。
生成的新的工作台
2、 添加工具条及按钮
首先创建按钮的描述类CAAAfrGeoCreationWkb，派生于CATBaseUnknown类。CATBaseUnknown是创建用户界面 并实现界面的基类，所有的接口都是从IUnknown/CATBaseUnknown继承的。这个类中建立了两个函数分别为 CATCmdWorkbench *的CreateWorkbench()函数和无返回值类型的CreateCommands()。前面的函数是用来实现顺序插入工具条、按钮图标以及菜 单，后面的函数是实现对插入按钮以及菜单和响应函数的关联。
在CreateWorkbench()函数中用到了宏 NewAccess(className,variableName,objectName)。CATIA的工作场(workshop)或者工作台 (workbench)可以被看作是一个入口的集合包，使用NewAccess宏可以创建一个这样的入口。使用 SetAccessChild(variableName,childName)以及SetAccessNext (variableName,nextName)这两个宏则可以连接入口。其中className表示被创建类的类型，包括以下几种类 型：CATCmdContainer，CATCmdWorkshop，CATCmdSeparator，CATCmdStarter。下面就是创建了一个 按钮的容器，也就是工具条，并在其中添加按钮的部分代码。
NewAccess(CATCmdContainer,pCAAAfrTB1EltTlb,CAAAfrTB1EltTlb);//创建工具条pCAAAfrTB1EltTlb
SetAccessChild(pCAAAfrGeoCreationWkb, pCAAAfrTB1EltTlb); //工具条加入工作台
//创建按钮cmd1，并设置其响应宏为CAAAfrCmd1Hdr，最后将其加入工具条TB1中
NewAccess(CATCmdStarter,pCAAAfrTTB1EltCmd1Str,CAAAfrTTB1EltCmd1Str);
SetAccessCommand(pCAAAfrTTB1EltCmd1Str,"CAAAfrCmd1Hdr");
SetAccessChild(pCAAAfrTB1EltTlb,pCAAAfrTTB1EltCmd1Str);
接下来绘制一个图标，并在CAAAfrGeoCreationWkbHeader.CATRsc中将其关联，具体如下，则cmd1按钮显示的是CAACmd1.Bmp图标。
CAAAfrGeoCreationWkbHeader.CAAAfrCmd1Hdr.Icon.Normal = "I_CAACmd1";
在CAAAfrGeoCreationWkbHeader.CATNls文件中设置新建按钮的标题以及提示内容
CAAAfrGeoCreationWkbHeader.CAAAfrCmd1Hdr.Category = "Element";
CAAAfrGeoCreationWkbHeader.CAAAfrCmd1Hdr.Title = "command1";
CAAAfrGeoCreationWkbHeader.CAAAfrCmd1Hdr.ShortHelp = "new cmd1";
添加两个工具条并插入一系列按钮的效果图如下面图4所示。
3、添加菜单
菜单的添加与添加按钮类似，也是在CreateWorkbench()函数中，只不过是在宏中的参数与添加按钮并不一样。添加后的效果图如图5所示
NewAccess(CATCmdContainer, pCAAAfrGeoCreationMbr, CAAAfrGeoCreationMbr);
NewAccess(CATCmdContainer, pCATAfrInsertMnu, CATAfrInsertMnu);
SetAccessChild(pCAAAfrGeoCreationMbr, pCATAfrInsertMnu);
NewAccess(CATCmdSeparator, pCAAAfrGeoCreationInsertSep, CAAAfrGeoCreationInsertSep);
SetAccessChild(pCATAfrInsertMnu, pCAAAfrGeoCreationInsertSep);
NewAccess(CATCmdContainer, pCAAAfrMeu1EltSnu, CAAAfrMeu1EltSnu);
SetAccessNext(pCAAAfrGeoCreationInsertSep, pCAAAfrMeu1EltSnu);
NewAccess(CATCmdStarter, pCAAAfrMMeu1SubMn1Str, CAAAfrMMeu1SubMn1Str);
SetAccessChild(pCAAAfrMeu1EltSnu, pCAAAfrMMeu1SubMn1Str);
SetAccessCommand(pCAAAfrMMeu1SubMn1Str, "CAAAfrCmd1Hdr");
在CAAAfrGeoCreationWkb.CATNls文件中设置菜单显示的属性。
CAAAfr Meu1EltSnu.Title = "新建菜单1" ;
CAAAfr Meu1EltTlb.Title = "command1" ;
3、 建立菜单以及按钮的响应类
建好的workbench空框架中可以创建三种类型的响应(command)类，他们都是CATCommand派生出来的。具体添加过程是打开CAA Rade 菜单"Insert"，选择 "CATIA Resource"下的"Command..."。可以选择Statechart command，dialog-box based command和 Basic command。Basic command是创建一个空的响应类，在函数Activate( CATCommand * iFromClient, CATNotification * iEvtDat)中添加响应。
dialog-box based command在二次开发中会被更多的用到。选择该类型响应类，在运行的时候会直接弹出一个对话框，当然，可以对这个对话框进行编辑。对话框编辑界面如图 6所示，里面有一个正在编辑的对话框，在图的中部，右边是自带的一些控件，包括 CATDlgFrame，CATDlgLabel，CATDlgEditor，CATDlgPushButton，CATDlgRadioButton等 等。对话框内所有的控件在Build()函数中列出，应用函数SetGridConstraints(short int iTopRow, short int iLeftColumn, short int iRowSpan, unsigned int iJustification)通过设置控件在对话框中矩阵位置的方式来调整位置。
为控件添加回调函数来响应各种操作。如图7所 示，CATDlgPushButton按钮控件包括Creation，Visibility swap，Resizement，Button activation以及Repetitive button activation5中回调函数。选择Button activation产生点击响应生成回调函数 OnPushButton004PushBActivateNotification(CATCommand* cmd, CATNotification* evt, CATCommandClientData data)，可以在这个函数内添加代码。
四、开发实例
1、通过输入参数绘制拉伸体的例子，可以根据自己的需要生成拉伸体以及其他复杂的模型，并实现参数化的过程，此例中通过输入截面圆的半径、拉伸长度以及拉伸方向与截面法向角度值生成拉伸体，并可以改变其位置。如图8所示。
2、五座标数控机床运动仿真。实现了机床的数字化建模以及机床的运动仿真，并可在此基础上实现更多的仿真功能和模块。仿真完成后的效果图如图9所示，图10和图11分别为局部效果以及刀轨的显示。
首先，新建一个独立的工作台，在下面建立两个个模块：机床模型建立模块和运动仿真模块。为每个模块建立各自所需的Toolbar和对话框以及响应函数，可以参考前面提到的方法。
然后，通过利用CATIA本身的建模功能或者利用二次开发自己应用代码生成机床数字化模型。本文采用了后者，这样有利于后面对于模型的操作和添加机床行 程等约束参数。建模应用了CATIA的产品结构模块，机床文件为*.CATProduct。首先应用CAA C++的Part Design部分建立机床各部分的零件，每个部分都为独立的*.CATPart文件。然后应用CAA C++的3D PLM PPR组件实现整个机床的装配。
接下来是机床的运动仿真的实现。读取NC文件经过处理后提取到移动的方向和坐标值后。应用 CATIDocRoots接口找到机床模型的根产品(Root Product)，遍历得到要移动的相应机床部件，得到CATIMovable接口实现相应部分的移动，移动矩阵为 CATMathTransformation类型。
最后是刀具轨迹的生成和显示，这里用到了CAA的GSM和Shape Design & Styling。可以显示直线，圆弧和样条曲线。
机床运动仿真探索了应用CAA实现了界面二次开发、实体和空间曲线建模、产品装配及运动效果等方面。不但可以实现虚拟加工仿真，也可以应用在虚拟装配的动 画显示方面。因为CATIA CAA二次开发采用的组件方式以及COM的应用，再加上CATIA本身结构的层次化和严谨，所以对于和其他CAD软件相比也有更大的难度。
五、结束语
应用CAA组件对CATIA软件进行二次开发，可以大大缩短专用系统的开发周期。Component Application Architecture(CAA) 组件应用架构，是第三方产品集成和一般客户进行客户化、个性化设计的强有力的工具，利用CAA完全可以实现Dassault Systemes应用的深层次开发。但是，由于Dassault Systemes应用本身的复杂性和CAA所涉及的深层次内容，再加上CATIA本身结构的层次化和严谨，所以利用CAA进行CATIA二次开发与其他 CAD软件相比也具有更大的复杂性和难度，但同时也可以实现更强大的功能。