基于CATIA 的三維參數化建模方法及其應用

王曉友

(武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070)

0 引言

CATIA 系統是法國達索(Dassault)飛機公司Dassault Systems 工程部開發的產品［1］。該系統是在CADAM 系統(原由美國洛克希德公司開發，后并入美國IBM 公司)基礎上擴充的，經過幾年努力，形成了商品化的系統，是一個高檔CAD/CAM/CAE 系統，廣泛用于航空、汽車等領域。CATIA 具有統一的用戶界面、數據管理以及兼容的數據庫和應用程序接口。采用特征造型和參數化造型技術，允許自動指定或由用戶指定參數化設計、幾何或功能化約束的變量化設計。它具有卓越的知識智能、機械產品設計、有限元分析、NC 編程、數字化虛擬樣機等強大的功能模塊，為許多用戶所青睞。CATIA V5 的知識智能模塊較好地解決了長期困擾各行業的知識重用和保留的重要問題。它通過可視化的特征樹及各種可視工具，使得三維參數化建模更加簡單易學。目前通用的CAD/ CAM 軟件大多數具有參數化建模的功能，但是有些需要通過與軟件的接口編程來實現，要求開發人員具有較高的編程水平;有些則不能進行可視化的操作，需要設計人員熟練掌握軟件的有關命令和操作。CATIA V5 的可視化工具能使設計人員在可視化的環境下，高速高效地完成三維建模工作［2-3］。

1 三維參數化建模的特點

三維參數化建模與二維參數化建模相比，其主要區別在于三維模型更能清晰地表達實物，其模型參數也能更好地反映實物特征參數。三維模型的空間視圖可以從任意方向觀看模型，比二維模型的各個平面投影視圖更易于直觀考察零件的結構和其間的干涉，使設計人員將工作重點放在零件結構設計及其優化方面。參數化建模一直都是CAD 設計人員探索的問題，其關鍵是如何用實物的特征參數來自動控制和生成實物三維模型，而且特征參數發生改變能夠自動地反映到三維模型中。這一技術不僅給機械產品中的標準件、常用件和系列化產品的設計帶來極大的便利，而且它也是近來提出的“大量定制”MC生產方式中敏捷設計的一項基礎技術。“大量定制”是現代化制造業的發展趨勢，它要求產品不僅能滿足正常的功能，而且還要能融入不同客戶所需的個性化特征。這種個性化的特征可以用參數的形式表達出來，在客戶需要時及時反映到零部件中去，并能指導生產。總之，三維參數化建模技術是一項基礎性的工作，它比二維參數建模更能體現產品特征，更適應時代發展的需要。它將極大地促進機械、電子等各行業發展。

2 三維參數化建模的實現方法

參數化建模的關鍵在于用參數、公式、表格、特征等驅動圖形以達到改變圖形的目的，在CATIA V5 中可通過如下的方法來實現。

2.1 利用系統參數與尺寸約束驅動圖形

CATIA V5 具有完善的系統參數自動提取功能，它能在草圖設計時，將設計人員輸入的尺寸約束作為特征參數保存起來，并且在此后的設計中可視化地對它進行修改，從而達到最直接的參數驅動建模的目的。用系統參數驅動圖形的關鍵在于如何將從實物中提取的參數轉化為CATIA 中，用來控制三維模型的特征參數。尺寸驅動是參數驅動的基礎，尺寸約束是實現尺寸驅動的前提。CATIA V5 的尺寸約束的特點是將形狀和尺寸聯合起來考慮，通過尺寸約束來實現對幾何形狀的控制。設計時必須以完整的尺寸參數為出發點(全約束)，不能漏注尺寸(欠約束)，不能多注尺寸(過約束)。尺寸驅動是在二維草圖——Sketcher 空間下實現的。草圖中的V 和H 坐標軸是尺寸約束中的參照基準，只有草圖中的圖形相對于V、H 軸的所有位置關系都確定后，該圖形才能完全約束(無過約束也不欠約束)。圖形完全約束后，其尺寸和位置關系才能協同變化，系統會直接將尺寸約束轉化為系統參數。草圖修改可通過編輯系統參數直接驅動幾何形狀的改變，為三維參數驅動提供基礎。例如在草圖工作界面中畫一個圓，并且標注其直徑尺寸，此后在草圖中用鼠標雙擊標注，彈出尺寸編輯對話框就能修改尺寸大小。總之，三維參數化建模的好壞很大程度上取決于二維圖形中的尺寸約束與實物參數的符合程度。只有抓住CATIA建模特點并采取合理的二維和三維建模方法，才能建立理想的模型。

2.2 利用用戶參數和公式驅動圖形

CATIA V5 不僅具有系統定義的參數，而且還有用戶自定義參數。設計人員通過用戶自定義參數和公式的工具，可以很方便地定制出客戶所要的各種各樣的參數以及約束這些參數的公式。CATIA V5 中有幾何參數(如點、線、曲線、曲面等)、物理參數(如長度、質量、速度、溫度、密度等)、無量綱參數(如整數、實數)、字符型參數及布爾型參數等40 多種類型的參數可供用戶自行選擇。用戶自定義公式是CATIA V5 中聯系系統參數與用戶參數樞紐。用戶參數定義后，設計者可針對用戶參數與三維模型中對應的特征參數建立相應的公式，從而通過用戶參數驅動系統參數，進而控制圖形的尺寸。

2.3 利用表格數據驅動圖形

機械產品設計中，標準件、通用件的尺寸可通過查表獲得，在CATIA V5 中可應用表格驅動幾何圖形實現這一功能。應用表格驅動幾何圖形，首先應將與零件尺寸有關的標準數據以表格的形式存放在相應的文件中，并建立表中數據與三維模型特征參數的聯系。通過選擇表中不同記錄達到改變幾何尺寸，獲得所需零件的模型。在CATIA 的參數化設計中，可以使用的圖表有兩種，一種是文本格式的圖表文件，一種是Excel格式的圖表文件。客戶僅須將產品的特征參數制成文本型或Excel 型表格，通過CATIA V5 本身自帶的工具——Design Table對表格的各條記錄進行訪問，從而達到修改尺寸、改變形狀的目的。

2.4 利用規則與檢驗控制特征驅動圖形

CATIA V5 可通過規則和檢驗對三維模型的特征進行控制和檢查。規則是由用戶定義的在一定條件下控制某些參數、特征和事件的指令。用VBScript 語言可以方便地編寫規則，控制參數、特征和事件。檢驗只是用戶編寫的一條簡單的指令，不影響參數值。檢驗被執行時，它會針對圖形中參數的異常變化，警示設計人員，防止不符合要求的參數破壞原有的三維模型。

3 利用CATIA V5 的知識工程模塊對四桿機構進行三維建模的步驟與方法

CATIA V5 本身就帶有可視化尺寸驅動與參數驅動功能，極大地方便了三維建模，無需或極少的編程即可實現三維參數化建模。

在面向有效經營決策的機械產品并行設計方法的研究課題中，對機械產品和零件設計子模塊中的參數化建模方法進行了研究。現以四桿機構為例，對參數化建模的方法和設計步驟加以說明。平面連桿機構是一種重要的機械結構，廣泛應用于各種機械和儀表中，例如活塞式原動機、牛頭刨床、顎式破碎機、插齒機、起重運輸機、自動包裝機、儀表的指示機構、農業機械和兵器工業。鉸鏈四桿機構是平面連桿機構最基本的形態，其傳統設計方法是采用圖解法、解析法和實驗法，設計周期長、效率低［4］。

3.1 構件的參數化設計

建立鉸鏈四桿機構的二三維實體模型，可以采用兩種設計方法，一種是自底向上(bottom-up)，另一種是自頂向下(topdown)，文中采用前一種設計建模方法。為此應該首先創建組成四桿機構的4 個參數化構件的實體模型［5-6］。

(1)啟動CATIA V5，并進入零件設計 (PartDesign)模塊。

(2)按表1 設置構件的主要參數變量。

表1 構件的主要參數變量

(3)在草繪器(Sketcher)模塊中設計構件的截形圖并定義必要的尺寸約束，對設計過程中可能修改的尺寸約束為其定義對應的參數變量。建立構件兩端孔中心距尺寸與參數變量a之間的公式f(x):PartBody Sketch.1 Offset =a，以便于后續設計修改。完成的參數化截形圖如圖1 所示。

(4)定義拉伸(Pad)特征，并建立構件拉伸厚度與參數變量s 之間的公式f(x):PartBody Pad.1 FirstLimit Length=s，生成構件實體模型，如圖2 所示。

(5)修改構件特性，將其名稱更改為L1，參數a 的初始值定義為80 mm，并以L1文件名存儲。

(6)重復步驟(5)，依次將構件名稱更改為L2、L3和L4，對應的參數a 值依次更改為110、130、150，并分別以L2、L3和L4文件名存儲。

至此，建立起構成鉸鏈四桿機構的4 個構件的參數化實體模型，供裝配設計時調用。

3.2 機構的虛擬裝配設計

按自底向上的設計方法在CATIA V5 裝配設計模塊中導入業已建立的組成鉸鏈四桿機構的4 個參數化構件模型，在構件之間施加必要的約束，創建機構的虛擬裝配模型［7］。

(1)啟動CATIA V5 裝配設計(Assembly Design)模塊。

(2)導入先前建立的L1～L4構件實體模型文件。

圖3 所示鉸鏈四桿機構中構件L1～L4的兩孔中心距值依次為80、110、130 和150 mm。當指定L4為機架時，根據文獻可知該機構為曲柄搖桿機構，其中L1為曲柄，L2為搖桿，L3則為連桿。

至此，已建立起鉸鏈四桿機構的虛擬裝配模型。由于構成該機構的4 個構件均為參數化構件，都可以通過修改它們的參數值a 改變其長度，因此可以按設計要求實時修改任一構件長度或重新定義機架構件而形成其他的機構類型，從而完成對機構的可視化設計和更改。

3.3 機構的裝配干涉檢查

在產品裝配設計階段按要求完成各個構件之間的約束定義后尚需對機構進行裝配干涉檢查，以便及早發現問題，及時修改，減少錯誤。

3.4 機構的運動仿真

可以通過兩種方法實現在CATIA V5 下的可視化運動仿真。

一種是簡單的手動運動仿真，通過在CATIA V5 裝配設計模塊下手動移動或旋轉某一構件來動態觀察該構件以及與之有約束關系的其他構件的運動情況，以可視化的方式檢驗機構是否滿足設計要求。操作要領是利用羅盤作為工具，在按住鍵盤Shift 鍵的同時移動或旋轉構件。這種方法對初步檢查組成機構的各構件之間的聯接約束關系正確與否很是方便、直觀、有效。

另一種是在CATIA V5 專用運動仿真模塊中 (DMUKinematics)進行的更貼近實際情況的自動運動仿真。

下面詳細介紹對圖3 所示曲柄連桿機構進行自動運動仿真的方法。

(1)繼上述機構裝配設計之后，接著轉入DMU Kinematics運動仿真模塊。

(2)固定其中某一構件，使其作為機架來定義仿真機構Mechanism 1;設計，并可以按上述方法對其進行干涉檢查和運動仿真。

(5)激活DMU Generic Animation 工具欄上的命令，在隨后出現的Select 對話框中選擇欲進行仿真的機構名稱Mechanisml，并在出現的Kinematic Simulation-Mechanism l 和Edit Simulation 兩個對話框中設置曲柄旋轉角度范圍，操作播放按鈕來觀察機構仿真運動。

由于上述所建立的曲柄搖桿機構具有參數化特點，通過修改4 個構件的參數a 值還可以演化得到另外2 種鉸鏈四桿機構的基本型式——雙曲柄機構和雙搖桿機構。

從理論上講可以為組成每一種類型機構中的參數化構件定義無數多個長度值參數，因而就可以演化出無數多個特定的機構，這樣就實現了在CATIA V5 環境下鉸鏈四桿機構的“一模多型”的可視化虛擬設計，并可以按上述方法對其進行干涉檢查和運動仿真，顯然，這種先進的機構設計方法令傳統方法望塵莫及。

4 結束語

鉸鏈四桿機構中的所有零件均采用參數化設計，便于在機構裝配設計和運動仿真時的實時修改，實現“一模多型”的多樣化設計。利用CATIA V5 軟件進行可視化產品設計，能夠在產品設計階段就對不合理的結構進行改進，比如產品的可裝配性和可拆卸性，同時，在產品的試驗階段，可以減少對物理原型的需要，根據干涉檢查結果分析干涉原因，并按給出的干涉提示進行及時修正。采用這樣的先進設計方法，無疑可以縮短產品的設計周期，提高設計質量，減少設計成本。

【1】丁任亮.CATIA V5 基礎教程［M］.北京:機械工業出版社，2007:214-257.

【2】尤春風. CATIA V5 機械設計［M］. 北京:清華大學出版社，2002:30 -33.

【3】單巖，謝龍漢.CATIA V5 機械設計應用實例［M］.北京:清華大學出版社，2004:111 -125.

【4】黃錫愷，鄭文緯.機械原理［M］.6 版. 北京:高等教育出版社，1989:75 -125.

【5】李海龍，宋鵬，董金祥.基于模板的自動向下并行裝配設計［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，1999，11(5):441 -445.

【6】黃小平.平面鉸鏈四桿機構的傘部類型［J］. 南京林業大學學報，1995，19(1):89 -93.

【7】李蘇紅，潘志剛，孟祥寶，等.CATIA V5 實體造型與工程圖設計［M］.北京:科學出版社，2008:189 -190.