基于Catia 的数字化建模及在工程中的应用❋

李寒毅，李 红，骆 群，王 玮，张海峰

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

数字化建模技术在产品的设计制造中占有重要的地位，是产品开发的重要手段，随着三维设计软件的普遍使用，该技术已日渐成熟。

零件的几何模型既是工艺和数控编程等制造过程的基础［1］，也是运动仿真的前提，同样是进行有限元等分析的必要条件。描述零件几何形状和尺寸的几何模型所表示的信息的完善与否，对后继工作有重要影响。

1 Catia环境下数字化建模的方法

对于不同的零件，设计者采用不同的建模方法和建模思路关系到零件数字化的过程，影响着产品的开发效率和产品的生命周期。对于使用Catia的设计者，其建模方法主要有以下几种：

（1）引用标准库零件建模：在机械设计中，有一部分零件已经被标准化，对这些零件进行单独建模不但繁琐，而且工作量大，利用率低，在Catia软件中，这些零件可以直接引用，从而节约建模时间，加快设计进度。

（2）系列化设计：产品的系列化设计实质上就是根据所需的性能参数，对零件的大小进行符合具体要求的修改［2］。

（3）正向设计：这是设计中使用最多的一种方法，一般是设计相关的尺寸，逐步建模，可以配合相关的二维软件如AutoCAD 等，也可结合工程图纸，完成从二维到三维的设计过程。

（4）参数化设计：就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数，对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。

（5）二次开发建模：Catia为了满足不同用户的使用需求，给用户预留了进行二次开发的接口，这些接口给用户提供了一系列开发工具，用以实现宏程序执行、几何形体生成等功能［3］。

（6）逆向工程：它是将实物转变为CAD 模型的相关数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，即将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是一种以实物（油泥模型）为基础产生三维数据的设计过程［4，5］。

2 复杂零件建模在工程上的应用

实际应用中，大部分的产品设计要用到以上建模方法的两种或两种以上，这样有利于零件建模的效率，以及减短产品开发的周期。其中用得最多的就是逆向工程结合正向设计的方法。下面以某一复杂智能温控执行器箱体（见图1）为例，来说明Catia环境下机械零件的建模过程。

2.1 建模零件结构分析

建模之前需先分析零件的结构，以避免结构及特征的反复修改。首先分析该执行器箱体的结构，掌握各特征的依附关系；然后，将零件分解成若干个简单特征，并依次建模；其次，选定一部分作为主体后，将建好的模型利用插入布尔操作添加到主体特征上；最后，在主体特征上补充细节特征，如孔、槽、凸台、加强筋等［6］。

由图1 可知，执行器箱体由4 个主要孔腔构成。该执行器箱体外部没有规则的面与体关系，内部有孔和槽等多种特征。完全用逆向无法做出细节孔、槽等特征，且无法完成二次设计；完全测绘，各孔的相对位置难以定位。为得到各孔腔的相对位置，可采取逆向工程的手法，结合正向设计为零件建模。

图1 执行器箱体实物

2.2 逆向设计过程

2.2.1 数据采集与处理

将执行器箱体外表擦干洗净后晾干，之后在其表面喷上均匀反光剂（执行器箱体表面比较光滑，易反光，用激光扫描时扫描不到点），晾干后再贴上定位点，置于3D 激光扫描仪的扫描位置（扫描处应以黑色作为背景）。

打开Catia软件后，进入Digital Shape Edit，首先对点云进行过滤处理［7］，然后选择所有点云数据，将其整合并去除噪声点后得到的点云如图2所示。

2.2.2 坐标系变换

为方便操作，将整合后的点云的坐标系进行坐标变换。可将阀门的底面设为XOY 面，底面孔中心为原点，其法线方向为Z 轴，X 轴、Y 轴分别为两侧面的中心线投影到底面上的投影线，如图3所示。

图2 点云视图

图3 零件系统坐标系

现取原整合点云，激活局部点云，其余的隐藏，用3DCurve将激活的点云最内部的点连接若干条直线，并依此创建平面1。利用上述直线的端点构造若干三点圆（越多越精确），然后取一圆心作为点云的原点；经过点云原点，并选择直线类型为曲面的法线创建直线，得到Z 轴，如图4所示。取其他两侧面垂直的孔腔底面，按同样方法可得到X′轴、Y′轴，将其投影到平面1即得到X 轴、Y 轴。单击insert→Axis system，相应地选择原点、X 轴、Z 轴，即得到点云与默认系统重合的坐标系［8，9］，如图5所示。此后的设计将以变换后的点云为依据。

进入digital shape editor，选择mesh create，得到的网格曲面如图6所示。

图4 Z 轴的创建

图5 系统坐标

图6 网格曲面

2.2.3 箱体底部建模

由于零件复杂，点云扫描不全，建立网格面时很多细节丢失，因此，完全逆向可能得不得原模型。在逆向之后可以结合测绘或者正向设计建模。

首先选择Quick Surface Reconstruction模块，选择basic surface recognition，对网格曲面的底面部分进行曲面拟合。选取部分圆柱面为曲面，axis为（0，0，1），则得到底面圆曲线，加厚曲面即得底面圆台阶部分，如图7所示。

图7 零件特征创建过程

2.2.4 箱体主要腔体建模

其余各部分对有定位要求的特征采用以上方法，对不重要的特征可以测绘，也可以对原模型进行改进性设计，如螺纹孔的大小、位置，加强筋的厚度等。对以上各部分特征分开建模，以便修改，同时也可以对设计好的部分进行隐藏以减少干扰，依次可得到执行器各特征，如图8所示。

2.2.5 布尔运算

以上各部分分别建模好之后，需要将其组合在一个主体上。但是各部分的某些特征组合后并非所要的模型，需把多余的部分修剪掉。将重合的部分修剪后，选择底面部分为主体，进行布尔运算得到所要创建的智能温控执行器箱体模型，如图9所示。

图8 执行器各特征

图9 执行器箱体模型

3 结束语

Catia广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、电子等制造企业，其功能强大、精度高、建模方便等特点受到越来越多设计者的青睐。但是要真正能灵活、高效地运用Catia软件，还需要设计者不断地进行实践。本文在工程应用中总结了Catia软件的6种建模方法以及其应用场景，并以工程实例说明处理复杂不规则零件的建模问题，分析了建模思路和技巧，对设计者提高产品开发效率具有一定的借鉴作用。

［1］ 任光胜，许香穗.CAD／CAPP 集成系统零件建模方法的研究［J］.成组技术与生产现代化，1991（4）：27－29，38.

［2］ 许锦泓，谭建荣.实用的系列化零件建模方法［J］.机电一体化，2000（6）：47－50.

［3］ Favre J M， Duclos F， Estublier，et al. Reverse engineering a large component－based software product／／Fifth European Conference on Software Maintenance and Reengineering［G］.［s.l.］：［s.n］，2001：95－104.

［4］ 冉险生，黄泽好.基于CATIAV5的ATV 曲面逆向设计［J］.重庆理工大学学报（自然科学版），2010（4）：55－58.

［5］ Zhang X，Zhou Z.Reverse design and finite element analysis of tractor panel based on CATIA／／2011Fourth International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation［G］.［s.l.］：［s.n］，2011：162－165.

［6］ 王小玲，陈书剑.基于Autodesk Inventor的复杂箱体零件建模探索［J］.机械工程师，2009（19）：59－60.

［7］ 王忆望，李红.散热器面罩边框零件的逆向设计和曲面展开［J］.扬州大学学报（自然科学版），2011，14（1）：43－46.

［8］ 胡海龙.CATIA V5R18基础设计［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［9］ Szobonya L，Rennet G.Construction of curves and surfaces based on point clouds［J］.Computer and Automation Research Institute Budapest，2000，11（4）：11－57.