CATIA三維參數(shù)化建模技術(shù)及其應(yīng)用

王永崗， 楊利杰

（長(zhǎng)治清華機(jī)械廠，山西長(zhǎng)治046012）

CATIA三維參數(shù)化建模技術(shù)及其應(yīng)用

王永崗， 楊利杰

（長(zhǎng)治清華機(jī)械廠，山西長(zhǎng)治046012）

介紹了三維參數(shù)化建模技術(shù)，闡述了CATIA的三維參數(shù)化建模方法。利用一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)介紹了針對(duì)系列化產(chǎn)品在CATIA中的三維參數(shù)化建模過(guò)程。實(shí)例證明，利用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的方法，可以有效地提高系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

CATIA；參數(shù)化建模

0 引言

CATIA V5是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位。CATIA被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、造船、電子設(shè)備、消費(fèi)品行業(yè)。作為一個(gè)完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機(jī)械設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)字化仿真及數(shù)控加工整合在一個(gè)系統(tǒng)中，為用戶提供了一個(gè)無(wú)紙化的工作環(huán)境，能夠縮短設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)間、提高加工質(zhì)量、降低成本。CATIA提供了極為強(qiáng)大的三維參數(shù)化建模功能，在其可視化環(huán)境下，設(shè)計(jì)人員能夠高速高效地完成極為復(fù)雜的三維參數(shù)化建模工作。

1 CATIA參數(shù)化建模技術(shù)

1.1 參數(shù)化建模技術(shù)介紹

傳統(tǒng)的CAD技術(shù)采用固定的尺寸值定義幾何元素，輸入的每一個(gè)元素都有確定的位置，如果要進(jìn)行修改則需要?jiǎng)h除原有幾何元素并重新繪制。而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，多次反復(fù)修改是不可避免的，如果反復(fù)地重新繪制會(huì)極大地影響設(shè)計(jì)效率。參數(shù)化建模技術(shù)可以使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)利用相關(guān)參數(shù)的修改和使用環(huán)境的變化而自動(dòng)改變，因而可以極大地提高建模的效率。

參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)方式在設(shè)計(jì)或繪圖狀態(tài)下靈活的修改圖形，方便設(shè)計(jì)過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)通常是指軟件設(shè)計(jì)者為圖形設(shè)計(jì)及修改提供一個(gè)軟件環(huán)境，工程技術(shù)人員在這個(gè)環(huán)境下所繪制的任意圖形可以被參數(shù)化，修改圖中的任一尺寸，均可實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)，引起相關(guān)圖形的改變。同時(shí)，系統(tǒng)一般還預(yù)先設(shè)置了一些常用的幾何圖形約束，提供設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)使用。參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要技術(shù)特點(diǎn)是：基于特征，全尺寸約束，尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改和全數(shù)據(jù)相關(guān)。

參數(shù)化技術(shù)特別適用于相對(duì)穩(wěn)定、成熟的零配件和系列化產(chǎn)品行業(yè)。此外參數(shù)化設(shè)計(jì)還能較好地支持類比設(shè)計(jì)和變形設(shè)計(jì)，即在原有產(chǎn)品或零件的基礎(chǔ)上只需要改變一些關(guān)鍵尺寸就可以得到新的系列化設(shè)計(jì)結(jié)果。如模具制造行業(yè)，模具除了零件成形部位外，其他零部件的形狀改變很少，通常只需要采用類比設(shè)計(jì)或改變一些關(guān)鍵尺寸就可以得到新的系列化設(shè)計(jì)結(jié)果。

1.2 CATIA參數(shù)化建模方法

1.2.1 系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束驅(qū)動(dòng)圖形

CATIA V5具有完善的系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)提取功能，設(shè)計(jì)人員在建模過(guò)程中的所有操作，系統(tǒng)都會(huì)做出記錄。這些詳細(xì)記錄，可以在CATIA的模型樹(shù)中找到相應(yīng)的信息。各種定位的數(shù)值會(huì)作為系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行記錄，即使沒(méi)有通過(guò)添加約束，在建模完成后，也可以在模型樹(shù)中進(jìn)行修改而驅(qū)動(dòng)模型的改變。這種方法在一般的三維建模設(shè)計(jì)軟件中，常常是無(wú)法做到的；它們往往需要將這些定位數(shù)值利用尺寸約束的方式，才能形成參數(shù)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)模型。

尺寸約束即把設(shè)計(jì)人員輸入的特征參數(shù)保存起來(lái)，并且在此后的設(shè)計(jì)中可視化地對(duì)它進(jìn)行修改，從而達(dá)到最直接的參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模的目的。尺寸驅(qū)動(dòng)是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，尺寸約束是實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)的前提。尺寸約束將形狀與尺寸聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)尺寸約束實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，不可過(guò)約束（多注尺寸），也不宜欠約束（少注尺寸），應(yīng)盡量以全約束（完整尺寸）的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖形完全約束后，其尺寸和位置關(guān)系才能協(xié)同變化，系統(tǒng)會(huì)直接將尺寸約束轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)。這樣才能實(shí)現(xiàn)理想的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的模型。

圖1 某系列拉索示意圖

表1 某系列拉索參數(shù)表

1.2.2 用戶參數(shù)和公式驅(qū)動(dòng)圖形

除了系統(tǒng)參數(shù)，CATIA V5中用戶還可以添加自定義參數(shù)。利用用戶自定義參數(shù)和格式工具，設(shè)計(jì)人員能夠輕松地定制其所需的各種參數(shù)及參數(shù)間的關(guān)系。這里的參數(shù)可以是幾何參數(shù)（如長(zhǎng)度、角度等）、物理參數(shù)（如材料、質(zhì)量、密度、溫度等）、無(wú)量綱參數(shù)（如整數(shù)）、布爾參數(shù)以及字符串參數(shù)等等。利用公式可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)間的聯(lián)動(dòng)，添加參數(shù)間的各種關(guān)系。在用戶參數(shù)定義后，要實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)，必須將用戶參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)利用公式建立起恰當(dāng)?shù)年P(guān)系，通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)間接來(lái)驅(qū)動(dòng)模型。因此用戶參數(shù)與公式是不可分開(kāi)的，否則便毫無(wú)意義。

1.2.3 表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圖形

對(duì)于系列化產(chǎn)品（例如多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)件和通用件），這類模型往往具有相同的拓?fù)潢P(guān)系，只是部分尺寸有所不同，這些關(guān)鍵尺寸都可通過(guò)表格查找獲得。CATIA V5中提供了將參數(shù)與表格數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的功能，利用該功能可以實(shí)現(xiàn)表格數(shù)據(jù)與模型的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。首先將與模型有關(guān)的數(shù)據(jù)以表格的形式存放在相應(yīng)的文件中，再利用“設(shè)計(jì)表”工具將模型的參數(shù)（可以是系統(tǒng)參數(shù)也可以是用戶參數(shù)）與表格中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，在“設(shè)計(jì)表”工具中通過(guò)選擇不同的數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)。該方法可以使用的圖表文件格式可以是文本格式或Exel表格文件。

2 應(yīng)用實(shí)例

圖1所示為某系列高應(yīng)力幅拉索示意圖，該拉索為兩端叉耳式。表1中為該系列拉索各型號(hào)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的各關(guān)鍵尺寸數(shù)值，通過(guò)該表我們即可了解對(duì)應(yīng)產(chǎn)品模型的關(guān)鍵尺寸信息。下文將以某系列拉索為例，介紹CATIA參數(shù)化建模技術(shù)的應(yīng)用。

通過(guò)分析可知，參數(shù)化技術(shù)特別適用于那些相當(dāng)穩(wěn)定、成熟的零配件和系列化產(chǎn)品行業(yè)，由于已經(jīng)提供了該系列產(chǎn)品的各型號(hào)關(guān)鍵尺寸信息，我們可以考慮使用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圖形的方法，創(chuàng)建參數(shù)化的模型，具體操作方法如下。

2.1 創(chuàng)建實(shí)體模型

CATIA模型的文檔類型分為part和product，分別代表零件和部件，這里選用零件來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建。使用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圖形的方法，需要首先創(chuàng)建一個(gè)基礎(chǔ)模型。分析示意圖可知，該模型可以采用以拉伸和旋轉(zhuǎn)體兩個(gè)方法為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)建。叉耳、銷軸、成品索采用拉伸方法；錨具和密封筒有部分變截面，故采用旋轉(zhuǎn)體方法創(chuàng)建；另外叉耳還需打孔及倒角的方法創(chuàng)建銷軸孔和端部倒角。

按型號(hào)OVM.ST15-2所給出的參數(shù)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)體模型，由于該模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可創(chuàng)建出一半，再鏡像得到完整模型。

圖2 拉索OVM.ST15-2實(shí)體模型

2.2 創(chuàng)建參數(shù)

為了與所提供的參數(shù)表中的參數(shù)保持一致，因而采用添加自定義的用戶參數(shù)（如圖3所示，用戶參數(shù)會(huì)顯示在模型樹(shù)的“參數(shù)”一欄），需要注意的是添加的用戶參數(shù)值須與對(duì)應(yīng)參數(shù)表中的值一致。用戶參數(shù)要實(shí)現(xiàn)與模型特征的關(guān)聯(lián)，還需將其與建模過(guò)程中自動(dòng)建立的系統(tǒng)參數(shù)建立關(guān)系。在與模型的系統(tǒng)參數(shù)關(guān)聯(lián)后，通過(guò)修改用戶參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)。

圖3 模型樹(shù)中的用戶參數(shù)

圖4 模型樹(shù)中的參數(shù)關(guān)系

2.3 創(chuàng)建設(shè)計(jì)表驅(qū)動(dòng)模型

為使設(shè)計(jì)表中的參數(shù)更直觀，采用Exel表格文件創(chuàng)建設(shè)計(jì)表。利用CATIA的“設(shè)計(jì)表”命令，選擇“使用當(dāng)前的參數(shù)值創(chuàng)建設(shè)計(jì)表”，插入各個(gè)用戶參數(shù)以及“零件編號(hào)”，其中“零件編號(hào)”不可漏選，否則生成的設(shè)計(jì)表無(wú)法驅(qū)動(dòng)模型。而且為了與已提供的參數(shù)表中數(shù)據(jù)一致，可將零件屬性中的“零件編號(hào)”設(shè)置為對(duì)應(yīng)的型號(hào)“OVM. ST15-2”。最后選擇Exel文件的名稱和路徑即可生成初步的設(shè)計(jì)表格文件，這時(shí)的模型特征已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與Exel表格中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。接下來(lái)利用“編輯表”功能打開(kāi)Exel文件，錄入其它型號(hào)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，完成設(shè)計(jì)表的配置。這時(shí)要得到該系列其它型號(hào)的模型，只需在“設(shè)計(jì)表”中將參數(shù)配置到對(duì)應(yīng)行，就可自動(dòng)關(guān)聯(lián)完成驅(qū)動(dòng)后的模型（如圖6）。

圖5 在設(shè)計(jì)表中插入?yún)?shù)

圖6 配置完成后的參數(shù)表

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了參數(shù)化建模技術(shù)，探討了CATIA實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的建模方法，然后通過(guò)工程實(shí)例某系列拉索參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。從中我們可以發(fā)現(xiàn)，參數(shù)化建模對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件等系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以極大地減輕人們的工作量，提高工作效率，具有非常大的實(shí)用價(jià)值。另外如果將CATIA的參數(shù)化建模技術(shù)與其二次開(kāi)發(fā)技術(shù)相結(jié)合，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的功能，會(huì)有更廣的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 毛春升.基于CATIA的零件參數(shù)化建模技術(shù)研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［2］ 范麗麗，王峰.基于CATIA的液壓缸三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)科技信息，2009（6）：99-100.

［3］ 陳靖芯，徐晶，陸國(guó)民，等.基于CATIA的三維參數(shù)化建模方法及其應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20（8）：48-50.

（編輯啟 迪）

Three-dimensional Parametric Modeling Technology and Application Based on CATIA

WANG Yonggang,YANG Lijie
（Changzhi Qinghua Machinery，Changzhi 046012,China）

The three-dimensional parametric modeling technology is described.And the three-dimensional parametric modeling methods based on CATIA are elaborated.Then the instance of an application is described for the serialization of products in CATIA 3D parametric modeling process，which shows that the approach presented can effectively improve the quality and efficiency of the design about serialization of products.

CATIA；parametric modeling

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0200－03

王永崗（1982—），男，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造等。

2014-02-26