CATIA V5在平面閘門(mén)三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

韓云峰，蔡一飛，王國(guó)花

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650021)

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司(Dassault System)推出的高級(jí)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和分析軟件，包括機(jī)械設(shè)計(jì)、形狀設(shè)計(jì)、分析模擬、ACE工廠、加工、數(shù)字化裝配、設(shè)備系統(tǒng)、制造數(shù)字化處理、知識(shí)工程模塊、ENOVIA CPM等模塊。CATIA具有獨(dú)特的裝配草圖生產(chǎn)工具，支持欠約束的裝配圖繪制，可以進(jìn)行快速的概念設(shè)計(jì)，將原來(lái)的二維設(shè)計(jì)變?yōu)槿S仿真設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)成果變得直觀可靠。其中知識(shí)工程模塊能夠很好的解決知識(shí)重復(fù)使用的問(wèn)題，從而得到用戶(hù)的青睞。設(shè)計(jì)人員能夠使用CATIA系統(tǒng)高效快速的建立三維模型，并應(yīng)用知識(shí)工程模塊實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

1 CATIA軟件功能介紹

CATIA三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)可以滿(mǎn)足水利水電工程的可行性研究、初步設(shè)計(jì)、技術(shù)施工等不同階段的設(shè)計(jì)需求。其統(tǒng)一的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型能保證規(guī)劃、水工、金屬結(jié)構(gòu)等各專(zhuān)業(yè)間數(shù)據(jù)統(tǒng)一及數(shù)據(jù)的更新，可以較快地實(shí)現(xiàn)方案的比較，縮短工程設(shè)計(jì)周期。

2 參數(shù)化的設(shè)計(jì)思想

參數(shù)化建模方法是用參數(shù)、公式及表格等模型特征來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)模型的改變，可以節(jié)省大量的繪圖時(shí)間，將設(shè)計(jì)人員從繁重的繪圖工作中解脫出來(lái)，保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的同時(shí)又提高了設(shè)計(jì)效率。

CATIA系統(tǒng)參數(shù)化模型主要依靠系統(tǒng)參數(shù)、用戶(hù)自定義參數(shù)、設(shè)計(jì)表及規(guī)則等來(lái)驅(qū)動(dòng)，CATIA系統(tǒng)中為用戶(hù)提供了很多參數(shù)類(lèi)型，包括實(shí)數(shù)、整數(shù)、字符、常數(shù)、長(zhǎng)度等。利用公式工具創(chuàng)建模型特征參數(shù)，通過(guò)公式編輯器完成參數(shù)對(duì)特征的關(guān)聯(lián)控制。設(shè)計(jì)表可以從外部Excel表導(dǎo)入，同時(shí)也可以將參數(shù)導(dǎo)出到Excel表[1]。用戶(hù)依據(jù)要建立模型的基本資料，分析模型的相關(guān)控制特征，提取特征并建立與特征對(duì)應(yīng)的參數(shù)，利用參數(shù)關(guān)聯(lián)建立三維模型，最終實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

利用CATIA軟件建立參數(shù)化三維模型，通過(guò)參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)模型的改變，極大地減少重復(fù)性的工作，提高工作效率。但是，當(dāng)模型較為復(fù)雜，模型中參數(shù)過(guò)多、參數(shù)間關(guān)聯(lián)性過(guò)強(qiáng)時(shí)，改變參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，建立模型之前對(duì)模型特征參數(shù)的分析提取便十分重要?？傊?，盡管參數(shù)化建模有許多優(yōu)勢(shì)，但仍然有許多方面需要完善和提高，需要更多、更深入的研究來(lái)推動(dòng)參數(shù)化建模的發(fā)展[2-6]。

3 CATIA零件設(shè)計(jì)

在CATIA平臺(tái)下，零件設(shè)計(jì)分為模型建立，模型參數(shù)化過(guò)程，模板建立三個(gè)步驟，以平面閘門(mén)的側(cè)輪裝置為對(duì)象，依據(jù)模板制作流程，建立了平面閘門(mén)側(cè)輪裝置的CATIA模型模板。并在平面閘門(mén)門(mén)葉骨架的相應(yīng)位置上給定一個(gè)點(diǎn)和面，將側(cè)輪裝置作為模板插入。模板可進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，并可多次引用，大大提高了工作效率。流程圖見(jiàn)圖1。

圖1設(shè)計(jì)流程圖

3.1 模型建立

側(cè)輪裝置輪廓設(shè)計(jì)包括底板及軸套設(shè)計(jì)、輪子及軸套設(shè)計(jì)、筋板輪廓設(shè)計(jì)。依據(jù)設(shè)計(jì)資料，得出設(shè)計(jì)參數(shù)，并應(yīng)用公式編輯器將設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)草圖，通過(guò)參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)草圖輪廓如圖2所示。

圖2側(cè)輪裝置草圖輪廓

然后利用“凸臺(tái)”工具將底板草繪截面沿X軸拉伸10 mm，得到底板實(shí)體，然后利用“旋轉(zhuǎn)體”工具,將軸與輪子的草繪截面繞X軸旋轉(zhuǎn)360°，最后，進(jìn)入筋板輪廓所在平面，利用“凸臺(tái)”工具將筋板的草繪截面進(jìn)行拉伸，定義凸臺(tái)的第一二限制尺寸都為10 mm。最終，生成的實(shí)體模型如圖3所示[7]。

圖3側(cè)輪裝置實(shí)體模型

修改設(shè)計(jì)表或設(shè)計(jì)參數(shù)，更新模型，即可達(dá)到模型的整體改變，極大地減少了重復(fù)建模過(guò)程，節(jié)約建模時(shí)間。

3.2 模型參數(shù)化過(guò)程

側(cè)輪裝置包括底板、加強(qiáng)筋、軸、軸套、輪子等結(jié)構(gòu)，將其參數(shù)按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行分組，不同的參數(shù)組導(dǎo)出到Excel中，形成設(shè)計(jì)表，最終達(dá)到通過(guò)修改Excel表單來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)三維模型的目的。經(jīng)過(guò)對(duì)平面閘門(mén)側(cè)輪裝置特征的分析，本文將參數(shù)分為四組，分別是底板參數(shù)、加強(qiáng)筋參數(shù)、軸參數(shù)、輪子參數(shù)及軸套參數(shù)。CATIA中的參數(shù)分組及結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

建立參數(shù)后，通過(guò)設(shè)計(jì)表功能建立對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)表，并將設(shè)計(jì)表格導(dǎo)入到Excel中。修改關(guān)聯(lián)的Excel表單，整個(gè)側(cè)輪裝置的模型便會(huì)自動(dòng)更新，隨之而變[8-10]。

3.3 模板建立

創(chuàng)建超級(jí)副本，將參數(shù)、關(guān)系、設(shè)計(jì)過(guò)程等選定，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將側(cè)輪模板定義為給定一個(gè)點(diǎn)和一個(gè)平面，即可將側(cè)輪作為模板插入到零件中相應(yīng)的位置。如圖5所示。

圖4 平面閘門(mén)側(cè)輪裝置參數(shù)組

圖5定義側(cè)輪裝置超級(jí)副本

超級(jí)副本創(chuàng)建完成后，進(jìn)入閘門(mén)門(mén)葉骨架的界面，從選擇實(shí)例化，再次進(jìn)入模板界面，選擇剛制作好的超級(jí)副本，在閘門(mén)門(mén)葉骨架上選擇將要插入模板的定位點(diǎn)及相應(yīng)的面，如圖6所示。完成模板的引用與插入。

圖6模板引用與插入

4 CATIA裝配設(shè)計(jì)

三維建模較二維建模直觀，可以清晰地表達(dá)實(shí)物。二維圖紙容易受到空間模型復(fù)雜性的影響，導(dǎo)致二維圖紙表達(dá)實(shí)物不清楚，甚至發(fā)生錯(cuò)誤，尤其在項(xiàng)目建設(shè)的前期階段。

工程設(shè)計(jì)中，由于受多種因素的影響，修改設(shè)計(jì)方案和圖紙?jiān)谒y免，大量的修改工作會(huì)耽誤設(shè)計(jì)進(jìn)度，且其中有大量重復(fù)性。CATIA V5給工程技術(shù)人員提供了三維可操作性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)?？梢哉_的為工程技術(shù)人員提供工程所需的三維及二維圖?？梢詮母拍钤O(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)。

以平面閘門(mén)為例介紹怎么利用CATIA V5中的“零部件設(shè)計(jì)”模塊生成平面閘門(mén)的實(shí)體模型。首先在XY基準(zhǔn)面上繪制平面閘門(mén)的輪廓草圖，如圖7所示。然后利用“凸臺(tái)”工具，將草繪截面沿Z軸拉伸一定的距離。生成平面閘門(mén)的基本骨架。

圖7平面閘門(mén)門(mén)葉骨架草圖輪廓

等工程所需的零部件模型創(chuàng)建完成后，在CATIA 的裝配模塊進(jìn)行零部件的裝配。零件和子裝配的數(shù)據(jù)可以方便地重用，可以靈活地定義平面閘門(mén)各零部件之間的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)定位，并檢查裝配件之間的一致性。平面閘門(mén)三維設(shè)計(jì)模型如圖8所示。

圖8平面閘門(mén)三維模型

5 工程制圖

CATIA繪制工程圖通過(guò)工程制圖模塊實(shí)現(xiàn)。工程制圖模塊分為創(chuàng)成式工程制圖及交互式工程制圖兩種。創(chuàng)成式工程制圖可以很靈活地從三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上生成相關(guān)水利水電工程所需的閘門(mén)設(shè)計(jì)圖紙；而交互式工程制圖可以讓工程技術(shù)人員更直觀的方式進(jìn)行閘門(mén)的二維設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以很方便地生成CAD圖形交互的文件格式[11-15]。

模塊工程制圖模塊與草圖設(shè)計(jì)模塊有許多相似之處，都能夠創(chuàng)建和編輯二維圖；其不相同的是，草圖設(shè)計(jì)模塊將繪制的二維圖(見(jiàn)圖9)只是提供給三維建模模塊創(chuàng)建三維形體，二維圖形的制圖是工程制圖模塊的功能之一。

圖9由模型生成的二維圖

6 結(jié) 論

介紹了CATIA三維建模方法及模板制作的詳細(xì)過(guò)程，采用參數(shù)化方法分析并提取了側(cè)輪裝置的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，依據(jù)此參數(shù)建立了側(cè)輪裝置的三維模型，修改參數(shù)或設(shè)計(jì)表便可達(dá)到改變整個(gè)三維模型的目的。同時(shí)，對(duì)側(cè)輪裝置創(chuàng)建模板，給予一個(gè)點(diǎn)和平面便可將其進(jìn)行引用，增加了其重復(fù)使用的可能，提高了工作效率。在水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一些螺栓、螺母等裝置大量重復(fù)使用，如果能將其進(jìn)行參數(shù)化，創(chuàng)建模板，在以后的使用中，將會(huì)提供極大的方便。但是，當(dāng)模型較為復(fù)雜，模型中參數(shù)過(guò)多、參數(shù)間關(guān)聯(lián)性過(guò)強(qiáng)時(shí)，改變參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此，建立模型之前對(duì)模型特征參數(shù)的分析提取十分重要?？傊M管參數(shù)化建模和模板制作有許多優(yōu)勢(shì)，但在很多方面仍然需要完善和提高，需要更多、更深入的研究來(lái)推動(dòng)三維建模的發(fā)展。

三維設(shè)計(jì)的基石是基礎(chǔ)的零件庫(kù)，傳統(tǒng)做法是將零件進(jìn)行歸納總結(jié)后，每一個(gè)零件均單獨(dú)繪制三維模型，這種方法基礎(chǔ)工作量太大，不容易實(shí)現(xiàn)。而且，當(dāng)零件出現(xiàn)局部修改時(shí)，不能做出相應(yīng)的調(diào)整?；贑ATIA平臺(tái)的參數(shù)化零件庫(kù)有效地解決了上述問(wèn)題，同類(lèi)零件及具有相似外型，相似參數(shù)組成的，相似裝配方式的零件可以只建立一個(gè)有效的參數(shù)化零件模板即可，極大地減少了重復(fù)工作的強(qiáng)度。但水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，零件種類(lèi)繁多，變化復(fù)雜，仍然需要大量的基礎(chǔ)工作，才能滿(mǎn)足日新月異的工程需求。

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