0 引言

    數(shù)字化建模技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中占有重要的地位，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要手段，隨著三維設(shè)計(jì)軟件的普遍使用，該技術(shù)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(guò)程的基礎(chǔ)，也是運(yùn)動(dòng)仿真的前提，同樣是進(jìn)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(duì)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(duì)于不同的零件，設(shè)計(jì)者采用不同的建模方法和建模思路關(guān)系到零件數(shù)字化的過(guò)程，影響著產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率和產(chǎn)品的生命周期。對(duì)于使用CATIA的設(shè)計(jì)者，其建模方法主要有以下幾種：

    (1)引用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)零件建模：在機(jī)械設(shè)計(jì)中，有一部分零件已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)這些零件進(jìn)行單獨(dú)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(shí)間，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度。

    (2)系列化設(shè)計(jì)：產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)所需的性能參數(shù)，對(duì)零件的大小進(jìn)行符合具體要求的修改。

    (3)正向設(shè)計(jì)：這是設(shè)計(jì)中使用最多的一種方法，一般是設(shè)計(jì)相關(guān)的尺寸，逐步建模，可以配合相關(guān)的二維軟件如AutoCAD等，也可結(jié)合工程圖紙，完成從二維到三維的設(shè)計(jì)過(guò)程。

    (4)參數(shù)化設(shè)計(jì)：就是將模型中的定量信息變量化，使之成為任意調(diào)整的參數(shù)，對(duì)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(kāi)發(fā)建模：CATIA為了滿足不同用戶的使用需求，給用戶預(yù)留了進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的接口，這些接口給用戶提供了一系列開(kāi)發(fā)工具，用以實(shí)現(xiàn)宏程序執(zhí)行、幾何形體生成等功能。

    (6)逆向工程：它是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，即將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是一種以實(shí)物（油泥模型）為基礎(chǔ)產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 復(fù)雜零件建模在工程上的應(yīng)用

    實(shí)際應(yīng)用中，大部分的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。其中用得最多的就是逆向工程結(jié)合正向設(shè)計(jì)的方法。下面以某一復(fù)雜智能溫控執(zhí)行器箱體（見(jiàn)圖1）為例，來(lái)說(shuō)明CATIA環(huán)境下機(jī)械零件的建模過(guò)程。

    2.1 建模零件結(jié)構(gòu)分析

    建模之前需先分析零件的結(jié)構(gòu)，以避免結(jié)構(gòu)及特征的反復(fù)修改。首先分析該執(zhí)行器箱體的結(jié)構(gòu)，掌握各特征的依附關(guān)系；然后，將零件分解成若干個(gè)簡(jiǎn)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(bǔ)充細(xì)節(jié)特征，如孔、槽、凸臺(tái)、加強(qiáng)筋等。

    由圖1可知，執(zhí)行器箱體由4個(gè)主要孔腔構(gòu)成。該執(zhí)行器箱體外部沒(méi)有規(guī)則的面與體關(guān)系，內(nèi)部有孔和槽等多種特征。完全用逆向無(wú)法做出細(xì)節(jié)孔、槽等特征，且無(wú)法完成二次設(shè)計(jì)；完全測(cè)繪，各孔的相對(duì)位置難以定位。為得到各孔腔的相對(duì)位置，可采取逆向工程的手法，結(jié)合正向設(shè)計(jì)為零件建模。

圖1 執(zhí)行器箱體實(shí)物

    2.2 逆向設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)掃描不到點(diǎn)），晾干后再貼上定位點(diǎn)，置于3D激光掃描儀的掃描位置（掃描處應(yīng)以黑色作為背景）。

    打開(kāi)CATIA軟件后，進(jìn)入Digital Shape Edit，首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行過(guò)濾處理，然后選擇所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其整合并去除噪聲點(diǎn)后得到的點(diǎn)云如圖2所示。

    圖2 點(diǎn)云視圖

    2.2.2 坐標(biāo)系變換

    為方便操作，將整合后的點(diǎn)云的坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換�？蓪㈤y門的底面設(shè)為XOY面，底面孔中心為原點(diǎn)，其法線方向?yàn)閆軸，X軸、Y軸分別為兩側(cè)面的中心線投影到底面上的投影線，如圖3所示。

圖3 零件系統(tǒng)坐標(biāo)系

    現(xiàn)取原整合點(diǎn)云，激活局部點(diǎn)云，其余的隱藏，用3D Curve將激活的點(diǎn)云最內(nèi)部的點(diǎn)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(diǎn)構(gòu)造若干三點(diǎn)網(wǎng)（越多越精確），然后取一圓心作為點(diǎn)云的原點(diǎn)；經(jīng)過(guò)點(diǎn)云原點(diǎn)，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(cè)面垂直的孔腔底面，按同樣方法可得到X1軸、Y1軸，將其投影到平面1即得到X軸、Y軸。單擊insert→Axis system，相應(yīng)地選擇原點(diǎn)、X軸、Z軸，即得到點(diǎn)云與默認(rèn)系統(tǒng)重合的坐標(biāo)系，如圖5所示。此后的設(shè)計(jì)將以變換后的點(diǎn)云為依據(jù)。

圖4 Z軸的創(chuàng)建

圖5 系統(tǒng)坐標(biāo)

    進(jìn)入digital shape editor，選擇mesh create，得到的網(wǎng)格曲面如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格曲面

    2.2.3 箱體底部建模

    由于零件復(fù)雜，點(diǎn)云掃描不全，建立網(wǎng)格面時(shí)很多細(xì)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(jié)合測(cè)繪或者正向設(shè)計(jì)建模。

    首先選擇Quick Surface Reconstruction模塊，選擇basic surface recognition，對(duì)網(wǎng)格曲面的底面部分進(jìn)行曲面擬合。選取部分圓柱面為曲面，axis為(0，0，1)，則得到底面網(wǎng)曲線，加厚曲面即得底面網(wǎng)臺(tái)階部分，如圖7所示。

圖7 零件特征創(chuàng)建過(guò)程

    2.2.4 箱體主要腔體建模

    其余各部分對(duì)有定位要求的特征采用以上方法，對(duì)不重要的特征可以測(cè)繪，也可以對(duì)原模型進(jìn)行改進(jìn)性設(shè)計(jì)，如螺紋孔的大小、位置，加強(qiáng)筋的厚度等。對(duì)以上各部分特征分開(kāi)建模，以便修改，同時(shí)也可以對(duì)設(shè)計(jì)好的部分進(jìn)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。

圖8 執(zhí)行器各特征

    2.2.5 布爾運(yùn)算

    以上各部分分別建模好之后，需要將其組合在一個(gè)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(jìn)行布爾運(yùn)算得到所要?jiǎng)?chuàng)建的智能溫控執(zhí)行器箱體模型，如圖9所示。

圖9 執(zhí)行器箱體模型

3 結(jié)束語(yǔ)

    CATIA廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、電子等制造企業(yè)，其功能強(qiáng)大、精度高、建模方便等特點(diǎn)受到越來(lái)越多設(shè)計(jì)者的青睞。但是要真正能靈活、高效地運(yùn)用CATIA軟件，還需要設(shè)計(jì)者不斷地進(jìn)行實(shí)踐。本文在工程應(yīng)用中總結(jié)了CATIA軟件的6種建模方法以及其應(yīng)用場(chǎng)景，并以工程實(shí)例說(shuō)明處理復(fù)雜不規(guī)則零件的建模問(wèn)題，分析了建模思路和技巧，對(duì)設(shè)計(jì)者提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率具有一定的借鑒作用。

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本文標(biāo)題：基于CATIA的數(shù)字化建模及在工程中的應(yīng)用

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