李寒毅，李 紅，駱 群，王 瑋，張海峰

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

數(shù)字化建模技術在產品的設計制造中占有重要的地位，是產品開發(fā)的重要手段，隨著三維設計軟件的普遍使用，該技術已日漸成熟。

零件的幾何模型既是工藝和數(shù)控編程等制造過程的基礎［1］，也是運動仿真的前提，同樣是進行有限元等分析的必要條件。描述零件幾何形狀和尺寸的幾何模型所表示的信息的完善與否，對后繼工作有重要影響。

1 Catia環(huán)境下數(shù)字化建模的方法

對于不同的零件，設計者采用不同的建模方法和建模思路關系到零件數(shù)字化的過程，影響著產品的開發(fā)效率和產品的生命周期。對于使用Catia的設計者，其建模方法主要有以下幾種：

（1）引用標準庫零件建模：在機械設計中，有一部分零件已經被標準化，對這些零件進行單獨建模不但繁瑣，而且工作量大，利用率低，在Catia軟件中，這些零件可以直接引用，從而節(jié)約建模時間，加快設計進度。

（2）系列化設計：產品的系列化設計實質上就是根據(jù)所需的性能參數(shù)，對零件的大小進行符合具體要求的修改［2］。

（3）正向設計：這是設計中使用最多的一種方法，一般是設計相關的尺寸，逐步建模，可以配合相關的二維軟件如AutoCAD 等，也可結合工程圖紙，完成從二維到三維的設計過程。

（4）參數(shù)化設計：就是將模型中的定量信息變量化，使之成為任意調整的參數(shù)，對于變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。

（5）二次開發(fā)建模：Catia為了滿足不同用戶的使用需求，給用戶預留了進行二次開發(fā)的接口，這些接口給用戶提供了一系列開發(fā)工具，用以實現(xiàn)宏程序執(zhí)行、幾何形體生成等功能［3］。

（6）逆向工程：它是將實物轉變?yōu)镃AD 模型的相關數(shù)字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，即將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是一種以實物（油泥模型）為基礎產生三維數(shù)據(jù)的設計過程［4，5］。

2 復雜零件建模在工程上的應用

實際應用中，大部分的產品設計要用到以上建模方法的兩種或兩種以上，這樣有利于零件建模的效率，以及減短產品開發(fā)的周期。其中用得最多的就是逆向工程結合正向設計的方法。下面以某一復雜智能溫控執(zhí)行器箱體（見圖1）為例，來說明Catia環(huán)境下機械零件的建模過程。

2.1 建模零件結構分析

建模之前需先分析零件的結構，以避免結構及特征的反復修改。首先分析該執(zhí)行器箱體的結構，掌握各特征的依附關系；然后，將零件分解成若干個簡單特征，并依次建模；其次，選定一部分作為主體后，將建好的模型利用插入布爾操作添加到主體特征上；最后，在主體特征上補充細節(jié)特征，如孔、槽、凸臺、加強筋等［6］。

由圖1 可知，執(zhí)行器箱體由4 個主要孔腔構成。該執(zhí)行器箱體外部沒有規(guī)則的面與體關系，內部有孔和槽等多種特征。完全用逆向無法做出細節(jié)孔、槽等特征，且無法完成二次設計；完全測繪，各孔的相對位置難以定位。為得到各孔腔的相對位置，可采取逆向工程的手法，結合正向設計為零件建模。

圖1 執(zhí)行器箱體實物

2.2 逆向設計過程

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

將執(zhí)行器箱體外表擦干洗凈后晾干，之后在其表面噴上均勻反光劑（執(zhí)行器箱體表面比較光滑，易反光，用激光掃描時掃描不到點），晾干后再貼上定位點，置于3D 激光掃描儀的掃描位置（掃描處應以黑色作為背景）。

打開Catia軟件后，進入Digital Shape Edit，首先對點云進行過濾處理［7］，然后選擇所有點云數(shù)據(jù)，將其整合并去除噪聲點后得到的點云如圖2所示。

2.2.2 坐標系變換

為方便操作，將整合后的點云的坐標系進行坐標變換?？蓪㈤y門的底面設為XOY 面，底面孔中心為原點，其法線方向為Z 軸，X 軸、Y 軸分別為兩側面的中心線投影到底面上的投影線，如圖3所示。

圖2 點云視圖

圖3 零件系統(tǒng)坐標系

現(xiàn)取原整合點云，激活局部點云，其余的隱藏，用3DCurve將激活的點云最內部的點連接若干條直線，并依此創(chuàng)建平面1。利用上述直線的端點構造若干三點圓（越多越精確），然后取一圓心作為點云的原點；經過點云原點，并選擇直線類型為曲面的法線創(chuàng)建直線，得到Z 軸，如圖4所示。取其他兩側面垂直的孔腔底面，按同樣方法可得到X′軸、Y′軸，將其投影到平面1即得到X 軸、Y 軸。單擊insert→Axis system，相應地選擇原點、X 軸、Z 軸，即得到點云與默認系統(tǒng)重合的坐標系［8，9］，如圖5所示。此后的設計將以變換后的點云為依據(jù)。

進入digital shape editor，選擇mesh create，得到的網格曲面如圖6所示。

圖4 Z 軸的創(chuàng)建

圖5 系統(tǒng)坐標

圖6 網格曲面

2.2.3 箱體底部建模

由于零件復雜，點云掃描不全，建立網格面時很多細節(jié)丟失，因此，完全逆向可能得不得原模型。在逆向之后可以結合測繪或者正向設計建模。

首先選擇Quick Surface Reconstruction模塊，選擇basic surface recognition，對網格曲面的底面部分進行曲面擬合。選取部分圓柱面為曲面，axis為（0，0，1），則得到底面圓曲線，加厚曲面即得底面圓臺階部分，如圖7所示。

圖7 零件特征創(chuàng)建過程

2.2.4 箱體主要腔體建模

其余各部分對有定位要求的特征采用以上方法，對不重要的特征可以測繪，也可以對原模型進行改進性設計，如螺紋孔的大小、位置，加強筋的厚度等。對以上各部分特征分開建模，以便修改，同時也可以對設計好的部分進行隱藏以減少干擾，依次可得到執(zhí)行器各特征，如圖8所示。

2.2.5 布爾運算

以上各部分分別建模好之后，需要將其組合在一個主體上。但是各部分的某些特征組合后并非所要的模型，需把多余的部分修剪掉。將重合的部分修剪后，選擇底面部分為主體，進行布爾運算得到所要創(chuàng)建的智能溫控執(zhí)行器箱體模型，如圖9所示。

圖8 執(zhí)行器各特征

圖9 執(zhí)行器箱體模型

3 結束語

Catia廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶、電子等制造企業(yè)，其功能強大、精度高、建模方便等特點受到越來越多設計者的青睞。但是要真正能靈活、高效地運用Catia軟件，還需要設計者不斷地進行實踐。本文在工程應用中總結了Catia軟件的6種建模方法以及其應用場景，并以工程實例說明處理復雜不規(guī)則零件的建模問題，分析了建模思路和技巧，對設計者提高產品開發(fā)效率具有一定的借鑒作用。

［1］ 任光勝，許香穗.CAD／CAPP 集成系統(tǒng)零件建模方法的研究［J］.成組技術與生產現(xiàn)代化，1991（4）：27－29，38.

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［6］ 王小玲，陳書劍.基于Autodesk Inventor的復雜箱體零件建模探索［J］.機械工程師，2009（19）：59－60.

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