王曉友

(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北武漢430070)

0 引言

CATIA 系統(tǒng)是法國(guó)達(dá)索(Dassault)飛機(jī)公司Dassault Systems 工程部開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品［1］。該系統(tǒng)是在CADAM 系統(tǒng)(原由美國(guó)洛克希德公司開(kāi)發(fā)，后并入美國(guó)IBM 公司)基礎(chǔ)上擴(kuò)充的，經(jīng)過(guò)幾年努力，形成了商品化的系統(tǒng)，是一個(gè)高檔CAD/CAM/CAE 系統(tǒng)，廣泛用于航空、汽車(chē)等領(lǐng)域。CATIA 具有統(tǒng)一的用戶(hù)界面、數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序接口。采用特征造型和參數(shù)化造型技術(shù)，允許自動(dòng)指定或由用戶(hù)指定參數(shù)化設(shè)計(jì)、幾何或功能化約束的變量化設(shè)計(jì)。它具有卓越的知識(shí)智能、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、有限元分析、NC 編程、數(shù)字化虛擬樣機(jī)等強(qiáng)大的功能模塊，為許多用戶(hù)所青睞。CATIA V5 的知識(shí)智能模塊較好地解決了長(zhǎng)期困擾各行業(yè)的知識(shí)重用和保留的重要問(wèn)題。它通過(guò)可視化的特征樹(shù)及各種可視工具，使得三維參數(shù)化建模更加簡(jiǎn)單易學(xué)。目前通用的CAD/ CAM 軟件大多數(shù)具有參數(shù)化建模的功能，但是有些需要通過(guò)與軟件的接口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，要求開(kāi)發(fā)人員具有較高的編程水平;有些則不能進(jìn)行可視化的操作，需要設(shè)計(jì)人員熟練掌握軟件的有關(guān)命令和操作。CATIA V5 的可視化工具能使設(shè)計(jì)人員在可視化的環(huán)境下，高速高效地完成三維建模工作［2-3］。

1 三維參數(shù)化建模的特點(diǎn)

三維參數(shù)化建模與二維參數(shù)化建模相比，其主要區(qū)別在于三維模型更能清晰地表達(dá)實(shí)物，其模型參數(shù)也能更好地反映實(shí)物特征參數(shù)。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(gè)平面投影視圖更易于直觀考察零件的結(jié)構(gòu)和其間的干涉，使設(shè)計(jì)人員將工作重點(diǎn)放在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化方面。參數(shù)化建模一直都是CAD 設(shè)計(jì)人員探索的問(wèn)題，其關(guān)鍵是如何用實(shí)物的特征參數(shù)來(lái)自動(dòng)控制和生成實(shí)物三維模型，而且特征參數(shù)發(fā)生改變能夠自動(dòng)地反映到三維模型中。這一技術(shù)不僅給機(jī)械產(chǎn)品中的標(biāo)準(zhǔn)件、常用件和系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的便利，而且它也是近來(lái)提出的“大量定制”MC生產(chǎn)方式中敏捷設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。“大量定制”是現(xiàn)代化制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，它要求產(chǎn)品不僅能滿(mǎn)足正常的功能，而且還要能融入不同客戶(hù)所需的個(gè)性化特征。這種個(gè)性化的特征可以用參數(shù)的形式表達(dá)出來(lái)，在客戶(hù)需要時(shí)及時(shí)反映到零部件中去，并能指導(dǎo)生產(chǎn)?？傊S參數(shù)化建模技術(shù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作，它比二維參數(shù)建模更能體現(xiàn)產(chǎn)品特征，更適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。它將極大地促進(jìn)機(jī)械、電子等各行業(yè)發(fā)展。

2 三維參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)方法

參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于用參數(shù)、公式、表格、特征等驅(qū)動(dòng)圖形以達(dá)到改變圖形的目的，在CATIA V5 中可通過(guò)如下的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 利用系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束驅(qū)動(dòng)圖形

CATIA V5 具有完善的系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)提取功能，它能在草圖設(shè)計(jì)時(shí)，將設(shè)計(jì)人員輸入的尺寸約束作為特征參數(shù)保存起來(lái)，并且在此后的設(shè)計(jì)中可視化地對(duì)它進(jìn)行修改，從而達(dá)到最直接的參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模的目的。用系統(tǒng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)圖形的關(guān)鍵在于如何將從實(shí)物中提取的參數(shù)轉(zhuǎn)化為CATIA 中，用來(lái)控制三維模型的特征參數(shù)。尺寸驅(qū)動(dòng)是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，尺寸約束是實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)的前提。CATIA V5 的尺寸約束的特點(diǎn)是將形狀和尺寸聯(lián)合起來(lái)考慮，通過(guò)尺寸約束來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。設(shè)計(jì)時(shí)必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)(全約束)，不能漏注尺寸(欠約束)，不能多注尺寸(過(guò)約束)。尺寸驅(qū)動(dòng)是在二維草圖——Sketcher 空間下實(shí)現(xiàn)的。草圖中的V 和H 坐標(biāo)軸是尺寸約束中的參照基準(zhǔn)，只有草圖中的圖形相對(duì)于V、H 軸的所有位置關(guān)系都確定后，該圖形才能完全約束(無(wú)過(guò)約束也不欠約束)。圖形完全約束后，其尺寸和位置關(guān)系才能協(xié)同變化，系統(tǒng)會(huì)直接將尺寸約束轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)。草圖修改可通過(guò)編輯系統(tǒng)參數(shù)直接驅(qū)動(dòng)幾何形狀的改變，為三維參數(shù)驅(qū)動(dòng)提供基礎(chǔ)。例如在草圖工作界面中畫(huà)一個(gè)圓，并且標(biāo)注其直徑尺寸，此后在草圖中用鼠標(biāo)雙擊標(biāo)注，彈出尺寸編輯對(duì)話(huà)框就能修改尺寸大小。總之，三維參數(shù)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(shí)物參數(shù)的符合程度。只有抓住CATIA建模特點(diǎn)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(hù)參數(shù)和公式驅(qū)動(dòng)圖形

CATIA V5 不僅具有系統(tǒng)定義的參數(shù)，而且還有用戶(hù)自定義參數(shù)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)用戶(hù)自定義參數(shù)和公式的工具，可以很方便地定制出客戶(hù)所要的各種各樣的參數(shù)以及約束這些參數(shù)的公式。CATIA V5 中有幾何參數(shù)(如點(diǎn)、線(xiàn)、曲線(xiàn)、曲面等)、物理參數(shù)(如長(zhǎng)度、質(zhì)量、速度、溫度、密度等)、無(wú)量綱參數(shù)(如整數(shù)、實(shí)數(shù))、字符型參數(shù)及布爾型參數(shù)等40 多種類(lèi)型的參數(shù)可供用戶(hù)自行選擇。用戶(hù)自定義公式是CATIA V5 中聯(lián)系系統(tǒng)參數(shù)與用戶(hù)參數(shù)樞紐。用戶(hù)參數(shù)定義后，設(shè)計(jì)者可針對(duì)用戶(hù)參數(shù)與三維模型中對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)建立相應(yīng)的公式，從而通過(guò)用戶(hù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而控制圖形的尺寸。

2.3 利用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圖形

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)件、通用件的尺寸可通過(guò)查表獲得，在CATIA V5 中可應(yīng)用表格驅(qū)動(dòng)幾何圖形實(shí)現(xiàn)這一功能。應(yīng)用表格驅(qū)動(dòng)幾何圖形，首先應(yīng)將與零件尺寸有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以表格的形式存放在相應(yīng)的文件中，并建立表中數(shù)據(jù)與三維模型特征參數(shù)的聯(lián)系。通過(guò)選擇表中不同記錄達(dá)到改變幾何尺寸，獲得所需零件的模型。在CATIA 的參數(shù)化設(shè)計(jì)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?？蛻?hù)僅須將產(chǎn)品的特征參數(shù)制成文本型或Excel 型表格，通過(guò)CATIA V5 本身自帶的工具——Design Table對(duì)表格的各條記錄進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，從而達(dá)到修改尺寸、改變形狀的目的。

2.4 利用規(guī)則與檢驗(yàn)控制特征驅(qū)動(dòng)圖形

CATIA V5 可通過(guò)規(guī)則和檢驗(yàn)對(duì)三維模型的特征進(jìn)行控制和檢查。規(guī)則是由用戶(hù)定義的在一定條件下控制某些參數(shù)、特征和事件的指令。用VBScript 語(yǔ)言可以方便地編寫(xiě)規(guī)則，控制參數(shù)、特征和事件。檢驗(yàn)只是用戶(hù)編寫(xiě)的一條簡(jiǎn)單的指令，不影響參數(shù)值。檢驗(yàn)被執(zhí)行時(shí)，它會(huì)針對(duì)圖形中參數(shù)的異常變化，警示設(shè)計(jì)人員，防止不符合要求的參數(shù)破壞原有的三維模型。

3 利用CATIA V5 的知識(shí)工程模塊對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模的步驟與方法

CATIA V5 本身就帶有可視化尺寸驅(qū)動(dòng)與參數(shù)驅(qū)動(dòng)功能，極大地方便了三維建模，無(wú)需或極少的編程即可實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化建模。

在面向有效經(jīng)營(yíng)決策的機(jī)械產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)方法的研究課題中，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品和零件設(shè)計(jì)子模塊中的參數(shù)化建模方法進(jìn)行了研究?，F(xiàn)以四桿機(jī)構(gòu)為例，對(duì)參數(shù)化建模的方法和設(shè)計(jì)步驟加以說(shuō)明。平面連桿機(jī)構(gòu)是一種重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械和儀表中，例如活塞式原動(dòng)機(jī)、牛頭刨床、顎式破碎機(jī)、插齒機(jī)、起重運(yùn)輸機(jī)、自動(dòng)包裝機(jī)、儀表的指示機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)機(jī)械和兵器工業(yè)。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是平面連桿機(jī)構(gòu)最基本的形態(tài)，其傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是采用圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低［4］。

3.1 構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)

建立鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的二三維實(shí)體模型，可以采用兩種設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)建模方法。為此應(yīng)該首先創(chuàng)建組成四桿機(jī)構(gòu)的4 個(gè)參數(shù)化構(gòu)件的實(shí)體模型［5-6］。

(1)啟動(dòng)CATIA V5，并進(jìn)入零件設(shè)計(jì) (PartDesign)模塊。

(2)按表1 設(shè)置構(gòu)件的主要參數(shù)變量。

表1 構(gòu)件的主要參數(shù)變量

(3)在草繪器(Sketcher)模塊中設(shè)計(jì)構(gòu)件的截形圖并定義必要的尺寸約束，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能修改的尺寸約束為其定義對(duì)應(yīng)的參數(shù)變量。建立構(gòu)件兩端孔中心距尺寸與參數(shù)變量a之間的公式f(x):PartBody Sketch.1 Offset =a，以便于后續(xù)設(shè)計(jì)修改。完成的參數(shù)化截形圖如圖1 所示。

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

(5)修改構(gòu)件特性，將其名稱(chēng)更改為L(zhǎng)1，參數(shù)a 的初始值定義為80 mm，并以L(fǎng)1文件名存儲(chǔ)。

(6)重復(fù)步驟(5)，依次將構(gòu)件名稱(chēng)更改為L(zhǎng)2、L3和L4，對(duì)應(yīng)的參數(shù)a 值依次更改為110、130、150，并分別以L(fǎng)2、L3和L4文件名存儲(chǔ)。

至此，建立起構(gòu)成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的4 個(gè)構(gòu)件的參數(shù)化實(shí)體模型，供裝配設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用。

3.2 機(jī)構(gòu)的虛擬裝配設(shè)計(jì)

按自底向上的設(shè)計(jì)方法在CATIA V5 裝配設(shè)計(jì)模塊中導(dǎo)入業(yè)已建立的組成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的4 個(gè)參數(shù)化構(gòu)件模型，在構(gòu)件之間施加必要的約束，創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的虛擬裝配模型［7］。

(1)啟動(dòng)CATIA V5 裝配設(shè)計(jì)(Assembly Design)模塊。

(2)導(dǎo)入先前建立的L1～L4構(gòu)件實(shí)體模型文件。

圖3 所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中構(gòu)件L1～L4的兩孔中心距值依次為80、110、130 和150 mm。當(dāng)指定L4為機(jī)架時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)可知該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)的虛擬裝配模型。由于構(gòu)成該機(jī)構(gòu)的4 個(gè)構(gòu)件均為參數(shù)化構(gòu)件，都可以通過(guò)修改它們的參數(shù)值a 改變其長(zhǎng)度，因此可以按設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)修改任一構(gòu)件長(zhǎng)度或重新定義機(jī)架構(gòu)件而形成其他的機(jī)構(gòu)類(lèi)型，從而完成對(duì)機(jī)構(gòu)的可視化設(shè)計(jì)和更改。

3.3 機(jī)構(gòu)的裝配干涉檢查

在產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)階段按要求完成各個(gè)構(gòu)件之間的約束定義后尚需對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配干涉檢查，以便及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修改，減少錯(cuò)誤。

3.4 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)在CATIA V5 下的可視化運(yùn)動(dòng)仿真。

一種是簡(jiǎn)單的手動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)在CATIA V5 裝配設(shè)計(jì)模塊下手動(dòng)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)某一構(gòu)件來(lái)動(dòng)態(tài)觀察該構(gòu)件以及與之有約束關(guān)系的其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況，以可視化的方式檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。操作要領(lǐng)是利用羅盤(pán)作為工具，在按住鍵盤(pán)Shift 鍵的同時(shí)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。這種方法對(duì)初步檢查組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件之間的聯(lián)接約束關(guān)系正確與否很是方便、直觀、有效。

另一種是在CATIA V5 專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)仿真模塊中 (DMUKinematics)進(jìn)行的更貼近實(shí)際情況的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真。

下面詳細(xì)介紹對(duì)圖3 所示曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真的方法。

(1)繼上述機(jī)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)之后，接著轉(zhuǎn)入DMU Kinematics運(yùn)動(dòng)仿真模塊。

(2)固定其中某一構(gòu)件，使其作為機(jī)架來(lái)定義仿真機(jī)構(gòu)Mechanism 1;設(shè)計(jì)，并可以按上述方法對(duì)其進(jìn)行干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真。

(5)激活DMU Generic Animation 工具欄上的命令，在隨后出現(xiàn)的Select 對(duì)話(huà)框中選擇欲進(jìn)行仿真的機(jī)構(gòu)名稱(chēng)Mechanisml，并在出現(xiàn)的Kinematic Simulation-Mechanism l 和Edit Simulation 兩個(gè)對(duì)話(huà)框中設(shè)置曲柄旋轉(zhuǎn)角度范圍，操作播放按鈕來(lái)觀察機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)。

由于上述所建立的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有參數(shù)化特點(diǎn)，通過(guò)修改4 個(gè)構(gòu)件的參數(shù)a 值還可以演化得到另外2 種鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式——雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。

從理論上講可以為組成每一種類(lèi)型機(jī)構(gòu)中的參數(shù)化構(gòu)件定義無(wú)數(shù)多個(gè)長(zhǎng)度值參數(shù)，因而就可以演化出無(wú)數(shù)多個(gè)特定的機(jī)構(gòu)，這樣就實(shí)現(xiàn)了在CATIA V5 環(huán)境下鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的“一模多型”的可視化虛擬設(shè)計(jì)，并可以按上述方法對(duì)其進(jìn)行干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真，顯然，這種先進(jìn)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法令傳統(tǒng)方法望塵莫及。

4 結(jié)束語(yǔ)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的所有零件均采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，便于在機(jī)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)的實(shí)時(shí)修改，實(shí)現(xiàn)“一模多型”的多樣化設(shè)計(jì)。利用CATIA V5 軟件進(jìn)行可視化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，比如產(chǎn)品的可裝配性和可拆卸性，同時(shí)，在產(chǎn)品的試驗(yàn)階段，可以減少對(duì)物理原型的需要，根據(jù)干涉檢查結(jié)果分析干涉原因，并按給出的干涉提示進(jìn)行及時(shí)修正。采用這樣的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，無(wú)疑可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)成本。

【1】丁任亮.CATIA V5 基礎(chǔ)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:214-257.

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