基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用

基于CAT IA的三维参数化建模方法及其应用

陈靖芯1,2,徐晶1,陆国民1,蔡兰2

(1.扬州大学机械工程学院,江苏扬州 225009;2.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013)

摘要:对基于CAT IA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。通过对CAT IA的知识工程顾问模块的二次开发,实现了碟簧系列化产品的自动设计。

关键词:三维参数化建模;碟簧设计;二次开发;CAT IA;知识工程

中图分类号:T H122 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2003)08-0048-03

CAT IA V5是Dassualt systems公司与IBM公司合作共同推出的微机版专业CA D/CA M软件,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。CA T IA V5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。CAT IA V5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CA D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 M C 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CAT IA V5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

CA T IA V5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CAT IA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。CA T IA V5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CAT IA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

第20卷第8期2003年8月

机 械 设 计

JO UR NAL OF M ACHIN E DESIGN

V ol.20 N o.8

Aug. 2003

收稿日期:2003-01-08;修订日期:2003-04-23

基金项目:江苏省科技厅应用基础研究资助项目(BJ98312)

作者简介:陈靖芯(1958-),女,江苏泰州人,副教授,江苏大学汽车与交通工程学院在读博士,主要从事机械设计与制造方面的教学与研究工作以及现代车身设计理论与制造技术的研究。

CAT I A V5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。CAT IA V5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CAT IA V5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CAT IA V5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CAT IA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Ex cel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CAT IA V5本身自带的工具!!!Desig n T able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

CAT I A V5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 利用CAT IA V5的知识工程顾问模

块对碟簧产品进行三维建模的步骤与方法

CAT I A V5本身就带有可视化尺寸驱动与参数驱动功能,极大地方便了三维建模,无需或极少的编程即可实现三维参数化建模。

在面向有效经营决策的机械产品并行设计方法的研究课题中,对机械产品和零件设计子模块中的参数化建模方法进行了研究。现以碟簧系列产品为例,对参数化建模的方法和设计步骤加以说明。

3.1 分析实物造型特征提取特征参数

按照目前我国颁布的碟簧标准,仅标准碟簧产品就具有三大系列80多种。碟簧是一个简单的旋转体,故选择CAT IA V5中的shaft(旋转体)为其基本造型特征。它的主要尺寸特征参

数有:外径D、内径d、厚度t和内锥高h,如图1所示。

另两个重要特征参数是材料和类别。碟簧常用的材料有60Si2M nA和50CrVA等两种。类别是指示碟簧是否具有支承面特征的参数。建模时,首要保证尺寸参数,类别参数赋予指示功能,以整数类型为其变量类型,取值为1、2、3。当类别为3时,碟簧具有上下支承面。材料特征参数会由系统作为一个默认参数,自动加入到模型中,仅需要为其选择参数值。

图1 碟簧零件图

3.2 将实物特征参数转化为模型特征参数

由于碟簧由冲裁所得平坯经过成形工序制成,且其截面形状为矩形,与旋转轴线成一个角度,如图2所示。

图2 碟簧截面尺寸图

建模时,仅依靠图中的4个尺寸系统无法完成对图形的完全约束,而且由于碟簧的截面是矩形,所以考虑到应该在图形中约束两个90?角度尺寸,如图2所示。此时CAT IA V5就已经将模型中的所有的已经定义尺寸特征参数自动提炼出来,生成特征树。与该模型的实物尺寸结构对应的系统定义的4个主要特征参数如图3所示。

图3 碟簧特征树和特征参数图

3.3 定义用户参数和公式

将实物的各尺寸参数以用户参数的形式表达出来,这样用户参数不仅易于辨识,而且也可以很方便地在CA T IA V5的环境下修改。也可以使用户参数通过公式连接CAT IA V5系统参数驱动三维参数模型。在CAT IA V5中使用其可视化工具公式编辑器f(x)可以方便地定义用户参数和公式。其中,主要定义了4个参数,对应为:外径D、内径d、厚度t、内锥高h 及类别C。定义类别是为了方便建立特征驱动的规则。各个公式分别将系统参数与相应的用户参数联系起来,从而达到以用户参数驱动三维参数模型的目的。例如:sketch.1\offset.1\

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2003年8月陈靖芯,等:基于CAT IA的三维参数化建模方法及其应用

offset=D,就把用户参数D的值传递给了二维sketcher草图中的系统参数偏移约束-sketch.1\offset.1\offset。

3.4 建立碟簧系列化产品的特征尺寸表

该表的建立方法有两种,一是用文本文件格式建表,以制表键制表;二是用Ex cel电子表格格式建表。另外还可以将表格从SQ L Server或A ccess数据库中输出到文本文件中或电子表格中,这样就可以利用数据库的表格来传递数据。建表时应注意,各列对应于相应的用户参数,各列的名称应和用户定义的参数名一一对应,以便CAT IA V5辨认。如要得到碟簧系列产品的三维模型的不同尺寸,只需改变表格中的不同记录即可。如果有新的碟簧参数,则只需在表中各列加入相应的数据即可。建立的表格如表1所示。

表1 碟簧特征参数表

D d t h C材料

10 5.20.50.25160Si2M nA

2010.2 1.10.45160Si2M nA

80415 1.7250CrVA

1608210 3.5350CrVA

3.5 建立规则与检验控制和验证模型特征

当碟簧的类别参数为3时碟簧具有支承面。在CAT IA V5中支承面可以用倒角特征表达,使用chamfer-倒角可生成上下支承面。然后CAT IA V5的知识工程顾问模块中建立用于判断碟簧是否具有支承面的规则,使用类别参数控制倒角特征的布尔型参数activ ity属性值为真或是为假。具体控制特征VB Scr ipt语句的如下:

Language VBScript

/*Rule created by user10/08/2001*/

partbody\chamfer.1\Activity=false

partbody\chamfer.2\Activity=false

if C=3

{partbody\chamfer.1\Activity=true

partbody\chamfer.2\Activity=true}

#

经过调试上述语句能够准确控制倒角特征的出现,从而实现特征驱动。若要控制倒角角度和长度,加入相应的语句就可实现。

3.6 建模后的检测与后处理

CAT I A V5有强大的三维测量功能,对已建模型进行测量,可以检测出体积、面积、质量、重心、长度和角度等值。经测量模型与实物的长度与角度的误差均小于0.5%,小于碟簧的公差,表明该模型满足碟簧实际生产的精度。该模型建立后,不仅可以用CAT IA V5的工程制图功能自动生成二维的工程图纸,还可以为模型加上材质,并给定受力情况与边界约束条件,用有限元方法对它进行应力与应变分析。

经过上述六个步骤,完整地建立了一个零件的三维参数化模型,可靠地实行产品自动化设计,定义相应的特征参数就可自动生成零件图。图4为通过建模、特征参数定义所生成的碟簧三维参数化模型。4 结束语

介绍了基于CAT IA V5软件,在其知识工程

模块中,利用可视化工具建立三维参数化模型的一般步骤与方法。利用数据库中的表格来驱动CAT IA V5的三维模型,改变表中的记录就可生成不同参数的零件模型,节约了资源空间,极大地提高了设计效率。

总之,参数化设计是CA D技术中的一个基础而又重要的技术,它在标准件和通用件的设计中,可通过改变参数满足不同客户的需求,促进现代先进生产方式大量定制 的发展。

图4 碟簧参数化三维模型

参考文献

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Three dimensional parametric m odeling method based on CA TIA and its application

CHEN Jing xin1,2,XU Jing1,LU Guo min1,CAI Lan2

(1.School of M echanical Eng.,Y angzhou University, Yangzhou 225009,China;2.Schoo l of A utomobile&T raffic Eng.,Jiang su U niversity,Zhenjiang 212013,China)

Abstract:A study is car ried out upon three-dimensional para metr ic modeling method and its technology based on CAT IA,the basic method and general steps of3-D parametric mo deling are expounded in detail.T hroug h the redevelopment upon advisor module of know ledge eng ineering of CA T IA,the auto matic design of seriational product of disc spr ing was achieved.

Key w ords:three-dimensional parametric modeling;disc spring desig n;redevelopment;CAT IA;knowledg e engineering

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