基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用

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参数化设计是现代CAD软件的核心技术。利用参数化设计手段可使设计人员从大量繁琐的设计、计算、绘图工作中解脱出来，提高了设计效率，可以在实际制造物理样机之前通过虚拟来方便地修改设计，缩短产品开发周期，降低成本，增强市场竞争力。对基于CATIA的三维参数化建模方法及其技术进行了研究，详细地阐述了三维参数化建模的基本方法和一般步骤。并介绍了在CATlAV5中进行铰链四杆机构参数化、可视化和虚拟装配设计的方法，并对该四杆机构进行了干涉分析和运动仿真分析。详细介绍了针对设计要求通过实时修改构件参数实现铰链四杆机构“一模多型”的虚拟装配设计方法。以可视化的形式实现设计意图，提高了设计速度和质量。

CATIA系统是法国达索(Dassault)飞机公司DassaultSystems工程部开发的产品。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。CATIAV5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。CATIAV5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。

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CATIAV5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

CATIAV5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。CATIAV5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

CATIAV5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。CATIAV5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CATIAV5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CATIAV5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CATIAV5本身自带的工具———DesignTable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

CATIAV5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、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CATIAV5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。

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