基于CATIA超級副本的交互式參數化建模

姚旭　趙榮

本文主要敘述了一種基于 CATIA超級副本的交互式參數化建模方法，其主要內容是通過人機對話的方式，在可視化交互的界面中進行設計輸入，軟件自動對用戶輸入的尺寸、幾何元素等類型參數進行處理，得到完整模型的建模方法。通過該方法，可以免去枯燥、乏味的建模過程，極大地提高設計效率。

一、引言

對于大型復雜產品，設計過程中經常會遇到“相似零件”的重復建模問題。所謂“相似零件”就是構造特征相同，但參數不同，例如飛機結構中機身的鈑金隔框、長桁，機翼的肋等零件，其構造特征相同，但構造參數隨著外形及站位變化而變化，零件也各不相同。大型復雜產品一般會有大量的“相似零件”，“相似零件”必須進行單獨建模，也就是重復建模。建模時除輸入的數據不同外，其余的操作都是相同的，重復操作的比重很大，這種重復操作不僅枯燥乏味，而且效率低。CATIA軟件提供了一種叫做“超級副本”的功能，使用超級副本功能，可剔除上述重復操作，大大提高設計效率。

二、用 CATIA軟件中的超級副本建模

1.超級副本功能實質

CATIA的超級副本功能是參數化設計技術的拓展，實質是參數化和“宏”的有機結合。即在交互式環境中輸入“相似零件”的參數，“宏”調用輸入的參數，批處理建模操作過程，自動生成零件模型。

CATIA軟件中的超級副本功能，由于介紹該功能的資料較少，掌握和使用這個功能的設計人員也較少。而在實際應用中這種基于參數化的功能在某些復雜產品建模中可發揮巨大的作用，極大地提高建模效率。在大型復雜產品設計中，“相似零件”很多，傳統的做法就是重復單獨建模，設計效率大打折扣。改良的做法是應用標準件庫、零件庫以及參數化設計技術來解決重復性建模問題。隨著計算機軟件在結構設計中的普及，參數化建模問題日益突出，如果能更好地做到全參數化控制模型，將會給設計工作帶來極大的便利，大大提高工作效率。

2.超級副本操作及原理介紹

CATIA的超級副本功能適用于“相似零件”建模。因此，首先要分析“相似零件”的構造邏輯關系，以確定其輸入參數結構，參數可以是尺寸、點、直線、曲線、平面和曲面等幾何參數、矢量參數等元素或信息。其次，是預制強壯模型，預制強壯模型是一個具有建模過程簡潔、拓撲合理、數據量小且適應范圍廣的 Part文件。第三，調用超級副本功能，在 CATIA軟件的“零件設計”狀態，打開“產品智能模板工具欄”，工具欄中包含：“創建超級副本”、“創建用戶特征”和“創建文檔模板”等創建副本的命令；“從文檔實例化”和“從選擇實例化”執行副本的命令。超級副本在接收設計輸入數據后，通過事先設計好的建模順序和邏輯關系自動生成模型——“宏”處理。超級副本的原理參如圖 1所示。

有幾點值得注意：（1）在使用超級副本時，設計輸入必須符合零件要求，不得超過副本程序所允許的范圍，針對副本程序輸入信息必須合理，否則軟件會報錯或無法得到正確結果。（2）在使用超級副本時，應在當前設計環境中，引用外部種子模型，系統會根據副本模型的輸入輸出對當前設計環境的輸入元素進行邏輯運算，得到和副本相同類型的輸出數據。（3）超級副本程序是通過對“相似零件”的構造進行分析、優化而預先精心構建的強壯模型，強壯模型是指運用易于系統識別的運算法則所建的模型。通常建模的手段和途徑很多，不同建模方法可以得到相同的結果，但不是所有的運算方法都容易被系統識別。在使用不易識別的操作，如草圖中的偏移、投影，提取實體的曲面、曲線等操作時會導致系統識別錯誤，在模型輸入元素替換時無法更新。

三、應用實例

某射電望遠鏡反射面根據主動控制規律的使用要求將反射面分割為上千個三角形單元，每個三角形單元邊長約12米，同時，在每個三角形單元內部又分割為若干個小三角形單元，小三角形單元種類繁多、數量巨大。筆者在參與該項目的設計工作中，用戶給定了反射面的小三角形單元的頂點位置，需要對所有三角形單元建模繪圖。若單純從以尺寸變量來驅動參數化建模，需要對相關尺寸進行計算并整理，且需一一對應，對于成千上萬個模型來說，該建模工作很單調，且容易造成尺寸混淆，因此需要形成新的有效率的建模思想。

圖 2為眾多三角形單元中的一塊，內部共包含 91個三角形小單元，共 28種類型，如果針對每一個小板塊進行手動建模，會耗費大量的時間，操作過程中容易出錯，模型質量難以保證。

利用軟件的設計輸入“替換”原理可以提高建模速度和模型質量。經分析，這些三角形板塊有四種結構構型：（1）大三角形頂點的三個小板塊；（2）大三角形三條邊上的小板塊；（3）內部的三角形板塊；（4）內部臨孔處的三角形板塊。針對這四種構型分別制作 4套超級副本，在已給出的點上進行“克隆”操作。

以第 4類小三角板的超級副本制作為例，介紹超級副本的制作和使用。首先判斷模型基于哪些幾何元素和參數，本案例中三角板是由 3個頂點和臨孔處的邊決定的，此外在對連接帶板建模時還需要取基準軸線的相對夾角作為變量。

圍繞這幾個元素進行建模，模型對于上述幾個變量必須是強壯模型，根據輸入的不同可以自動更新結果。

將所建模型生成超級副本，在超級副本定義框中選擇設計輸入元素及想要輸出的元素，如圖 3所示。

除了需要3個點和2條邊線作為設計輸入幾何元素外，還需要發布參數以方便在使用時更改參數滿足各種情況要求。發布參數如圖4所示。該項目根據需要發布三個角度值。

設定完參數和幾何信息后，超級副本圖標將會顯示在零件樹上，如圖 5所示，超級副本制作完成。

超級副本的運行是系統通過人機對話的交互性將副本內的輸入元素進行替換、并重新生成模型的過程。在當前設計環境中，使用 圖標調出已有的超級副本文件。運行后的設置框如圖 6所示。在“輸入”/“選定”欄中對照要替換的元素逐一進行選取，應當注意的是在選取曲線時應保證矢量方向相同。在“參數”欄中設定需要更改的參數，參數輸入框中顯示的 3個角度就是制作腳本時發布的 3個參數。運行完畢后將在當前設計環境中生成帶完整步驟的“零件幾何體”和“幾何圖形集”，并且可以對模型進行單獨的更改操作。

對于上述項目案例，手工建模的工作量是難以想象的，經過比較，使用零件幾何元素“替換”功能進行操作比手工建模提高70%的效率；使用超級副本進行建模比使用“替換”功能提高 60%以上。可見在一些重復性建模的項目中，超級副本功能可極大地提高工作效率，縮短設計周期。

四、結語

CATIA超級副本易學、易用，在很多領域都可以借助超級副本節省大量的人工成本。在汽車、船舶、航空、航天及其他工業領域，設計制造已陸續進入全數字化階段，需要對系統中所有零件和連接件在數字模型中進行表達。大量的結構數模并不是毫無規律的，例如一些長桁、隔框、液壓作動筒等零件，其結構形式簡單、結構類型相同，在建模時可以借助超級副本來完成。在重復性操作中巧妙運用超級副本對縮短建模周期、控制模型質量有巨大幫助。