基于CATIA 的三维参数化建模方法及其应用

王晓友

(武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070)

0 引言

CATIA 系统是法国达索(Dassault)飞机公司Dassault Systems 工程部开发的产品［1］。该系统是在CADAM 系统(原由美国洛克希德公司开发，后并入美国IBM 公司)基础上扩充的，经过几年努力，形成了商品化的系统，是一个高档CAD/CAM/CAE 系统，广泛用于航空、汽车等领域。CATIA 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。采用特征造型和参数化造型技术，允许自动指定或由用户指定参数化设计、几何或功能化约束的变量化设计。它具有卓越的知识智能、机械产品设计、有限元分析、NC 编程、数字化虚拟样机等强大的功能模块，为许多用户所青睐。CATIA V5 的知识智能模块较好地解决了长期困扰各行业的知识重用和保留的重要问题。它通过可视化的特征树及各种可视工具，使得三维参数化建模更加简单易学。目前通用的CAD/ CAM 软件大多数具有参数化建模的功能，但是有些需要通过与软件的接口编程来实现，要求开发人员具有较高的编程水平;有些则不能进行可视化的操作，需要设计人员熟练掌握软件的有关命令和操作。CATIA V5 的可视化工具能使设计人员在可视化的环境下，高速高效地完成三维建模工作［2-3］。

1 三维参数化建模的特点

三维参数化建模与二维参数化建模相比，其主要区别在于三维模型更能清晰地表达实物，其模型参数也能更好地反映实物特征参数。三维模型的空间视图可以从任意方向观看模型，比二维模型的各个平面投影视图更易于直观考察零件的结构和其间的干涉，使设计人员将工作重点放在零件结构设计及其优化方面。参数化建模一直都是CAD 设计人员探索的问题，其关键是如何用实物的特征参数来自动控制和生成实物三维模型，而且特征参数发生改变能够自动地反映到三维模型中。这一技术不仅给机械产品中的标准件、常用件和系列化产品的设计带来极大的便利，而且它也是近来提出的“大量定制”MC生产方式中敏捷设计的一项基础技术。“大量定制”是现代化制造业的发展趋势，它要求产品不仅能满足正常的功能，而且还要能融入不同客户所需的个性化特征。这种个性化的特征可以用参数的形式表达出来，在客户需要时及时反映到零部件中去，并能指导生产。总之，三维参数化建模技术是一项基础性的工作，它比二维参数建模更能体现产品特征，更适应时代发展的需要。它将极大地促进机械、电子等各行业发展。

2 三维参数化建模的实现方法

参数化建模的关键在于用参数、公式、表格、特征等驱动图形以达到改变图形的目的，在CATIA V5 中可通过如下的方法来实现。

2.1 利用系统参数与尺寸约束驱动图形

CATIA V5 具有完善的系统参数自动提取功能，它能在草图设计时，将设计人员输入的尺寸约束作为特征参数保存起来，并且在此后的设计中可视化地对它进行修改，从而达到最直接的参数驱动建模的目的。用系统参数驱动图形的关键在于如何将从实物中提取的参数转化为CATIA 中，用来控制三维模型的特征参数。尺寸驱动是参数驱动的基础，尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。CATIA V5 的尺寸约束的特点是将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。设计时必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束)，不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)。尺寸驱动是在二维草图——Sketcher 空间下实现的。草图中的V 和H 坐标轴是尺寸约束中的参照基准，只有草图中的图形相对于V、H 轴的所有位置关系都确定后，该图形才能完全约束(无过约束也不欠约束)。图形完全约束后，其尺寸和位置关系才能协同变化，系统会直接将尺寸约束转化为系统参数。草图修改可通过编辑系统参数直接驱动几何形状的改变，为三维参数驱动提供基础。例如在草图工作界面中画一个圆，并且标注其直径尺寸，此后在草图中用鼠标双击标注，弹出尺寸编辑对话框就能修改尺寸大小。总之，三维参数化建模的好坏很大程度上取决于二维图形中的尺寸约束与实物参数的符合程度。只有抓住CATIA建模特点并采取合理的二维和三维建模方法，才能建立理想的模型。

2.2 利用用户参数和公式驱动图形

CATIA V5 不仅具有系统定义的参数，而且还有用户自定义参数。设计人员通过用户自定义参数和公式的工具，可以很方便地定制出客户所要的各种各样的参数以及约束这些参数的公式。CATIA V5 中有几何参数(如点、线、曲线、曲面等)、物理参数(如长度、质量、速度、温度、密度等)、无量纲参数(如整数、实数)、字符型参数及布尔型参数等40 多种类型的参数可供用户自行选择。用户自定义公式是CATIA V5 中联系系统参数与用户参数枢纽。用户参数定义后，设计者可针对用户参数与三维模型中对应的特征参数建立相应的公式，从而通过用户参数驱动系统参数，进而控制图形的尺寸。

2.3 利用表格数据驱动图形

机械产品设计中，标准件、通用件的尺寸可通过查表获得，在CATIA V5 中可应用表格驱动几何图形实现这一功能。应用表格驱动几何图形，首先应将与零件尺寸有关的标准数据以表格的形式存放在相应的文件中，并建立表中数据与三维模型特征参数的联系。通过选择表中不同记录达到改变几何尺寸，获得所需零件的模型。在CATIA 的参数化设计中，可以使用的图表有两种，一种是文本格式的图表文件，一种是Excel格式的图表文件。客户仅须将产品的特征参数制成文本型或Excel 型表格，通过CATIA V5 本身自带的工具——Design Table对表格的各条记录进行访问，从而达到修改尺寸、改变形状的目的。

2.4 利用规则与检验控制特征驱动图形

CATIA V5 可通过规则和检验对三维模型的特征进行控制和检查。规则是由用户定义的在一定条件下控制某些参数、特征和事件的指令。用VBScript 语言可以方便地编写规则，控制参数、特征和事件。检验只是用户编写的一条简单的指令，不影响参数值。检验被执行时，它会针对图形中参数的异常变化，警示设计人员，防止不符合要求的参数破坏原有的三维模型。

3 利用CATIA V5 的知识工程模块对四杆机构进行三维建模的步骤与方法

CATIA V5 本身就带有可视化尺寸驱动与参数驱动功能，极大地方便了三维建模，无需或极少的编程即可实现三维参数化建模。

在面向有效经营决策的机械产品并行设计方法的研究课题中，对机械产品和零件设计子模块中的参数化建模方法进行了研究。现以四杆机构为例，对参数化建模的方法和设计步骤加以说明。平面连杆机构是一种重要的机械结构，广泛应用于各种机械和仪表中，例如活塞式原动机、牛头刨床、颚式破碎机、插齿机、起重运输机、自动包装机、仪表的指示机构、农业机械和兵器工业。铰链四杆机构是平面连杆机构最基本的形态，其传统设计方法是采用图解法、解析法和实验法，设计周期长、效率低［4］。

3.1 构件的参数化设计

建立铰链四杆机构的二三维实体模型，可以采用两种设计方法，一种是自底向上(bottom-up)，另一种是自顶向下(topdown)，文中采用前一种设计建模方法。为此应该首先创建组成四杆机构的4 个参数化构件的实体模型［5-6］。

(1)启动CATIA V5，并进入零件设计 (PartDesign)模块。

(2)按表1 设置构件的主要参数变量。

表1 构件的主要参数变量

(3)在草绘器(Sketcher)模块中设计构件的截形图并定义必要的尺寸约束，对设计过程中可能修改的尺寸约束为其定义对应的参数变量。建立构件两端孔中心距尺寸与参数变量a之间的公式f(x):PartBody Sketch.1 Offset =a，以便于后续设计修改。完成的参数化截形图如图1 所示。

(4)定义拉伸(Pad)特征，并建立构件拉伸厚度与参数变量s 之间的公式f(x):PartBody Pad.1 FirstLimit Length=s，生成构件实体模型，如图2 所示。

(5)修改构件特性，将其名称更改为L1，参数a 的初始值定义为80 mm，并以L1文件名存储。

(6)重复步骤(5)，依次将构件名称更改为L2、L3和L4，对应的参数a 值依次更改为110、130、150，并分别以L2、L3和L4文件名存储。

至此，建立起构成铰链四杆机构的4 个构件的参数化实体模型，供装配设计时调用。

3.2 机构的虚拟装配设计

按自底向上的设计方法在CATIA V5 装配设计模块中导入业已建立的组成铰链四杆机构的4 个参数化构件模型，在构件之间施加必要的约束，创建机构的虚拟装配模型［7］。

(1)启动CATIA V5 装配设计(Assembly Design)模块。

(2)导入先前建立的L1～L4构件实体模型文件。

图3 所示铰链四杆机构中构件L1～L4的两孔中心距值依次为80、110、130 和150 mm。当指定L4为机架时，根据文献可知该机构为曲柄摇杆机构，其中L1为曲柄，L2为摇杆，L3则为连杆。

至此，已建立起铰链四杆机构的虚拟装配模型。由于构成该机构的4 个构件均为参数化构件，都可以通过修改它们的参数值a 改变其长度，因此可以按设计要求实时修改任一构件长度或重新定义机架构件而形成其他的机构类型，从而完成对机构的可视化设计和更改。

3.3 机构的装配干涉检查

在产品装配设计阶段按要求完成各个构件之间的约束定义后尚需对机构进行装配干涉检查，以便及早发现问题，及时修改，减少错误。

3.4 机构的运动仿真

可以通过两种方法实现在CATIA V5 下的可视化运动仿真。

一种是简单的手动运动仿真，通过在CATIA V5 装配设计模块下手动移动或旋转某一构件来动态观察该构件以及与之有约束关系的其他构件的运动情况，以可视化的方式检验机构是否满足设计要求。操作要领是利用罗盘作为工具，在按住键盘Shift 键的同时移动或旋转构件。这种方法对初步检查组成机构的各构件之间的联接约束关系正确与否很是方便、直观、有效。

另一种是在CATIA V5 专用运动仿真模块中 (DMUKinematics)进行的更贴近实际情况的自动运动仿真。

下面详细介绍对图3 所示曲柄连杆机构进行自动运动仿真的方法。

(1)继上述机构装配设计之后，接着转入DMU Kinematics运动仿真模块。

(2)固定其中某一构件，使其作为机架来定义仿真机构Mechanism 1;设计，并可以按上述方法对其进行干涉检查和运动仿真。

(5)激活DMU Generic Animation 工具栏上的命令，在随后出现的Select 对话框中选择欲进行仿真的机构名称Mechanisml，并在出现的Kinematic Simulation-Mechanism l 和Edit Simulation 两个对话框中设置曲柄旋转角度范围，操作播放按钮来观察机构仿真运动。

由于上述所建立的曲柄摇杆机构具有参数化特点，通过修改4 个构件的参数a 值还可以演化得到另外2 种铰链四杆机构的基本型式——双曲柄机构和双摇杆机构。

从理论上讲可以为组成每一种类型机构中的参数化构件定义无数多个长度值参数，因而就可以演化出无数多个特定的机构，这样就实现了在CATIA V5 环境下铰链四杆机构的“一模多型”的可视化虚拟设计，并可以按上述方法对其进行干涉检查和运动仿真，显然，这种先进的机构设计方法令传统方法望尘莫及。

4 结束语

铰链四杆机构中的所有零件均采用参数化设计，便于在机构装配设计和运动仿真时的实时修改，实现“一模多型”的多样化设计。利用CATIA V5 软件进行可视化产品设计，能够在产品设计阶段就对不合理的结构进行改进，比如产品的可装配性和可拆卸性，同时，在产品的试验阶段，可以减少对物理原型的需要，根据干涉检查结果分析干涉原因，并按给出的干涉提示进行及时修正。采用这样的先进设计方法，无疑可以缩短产品的设计周期，提高设计质量，减少设计成本。

【1】丁任亮.CATIA V5 基础教程［M］.北京:机械工业出版社，2007:214-257.

【2】尤春风. CATIA V5 机械设计［M］. 北京:清华大学出版社，2002:30 -33.

【3】单岩，谢龙汉.CATIA V5 机械设计应用实例［M］.北京:清华大学出版社，2004:111 -125.

【4】黄锡恺，郑文纬.机械原理［M］.6 版. 北京:高等教育出版社，1989:75 -125.

【5】李海龙，宋鹏，董金祥.基于模板的自动向下并行装配设计［J］.计算机辅助设计与图形学学报，1999，11(5):441 -445.

【6】黄小平.平面铰链四杆机构的伞部类型［J］. 南京林业大学学报，1995，19(1):89 -93.

【7】李苏红，潘志刚，孟祥宝，等.CATIA V5 实体造型与工程图设计［M］.北京:科学出版社，2008:189 -190.