姚旭　趙榮

本文主要敘述了一種基于 CATIA超級副本的交互式參數(shù)化建模方法，其主要內(nèi)容是通過人機對話的方式，在可視化交互的界面中進行設(shè)計輸入，軟件自動對用戶輸入的尺寸、幾何元素等類型參數(shù)進行處理，得到完整模型的建模方法。通過該方法，可以免去枯燥、乏味的建模過程，極大地提高設(shè)計效率。

一、引言

對于大型復(fù)雜產(chǎn)品，設(shè)計過程中經(jīng)常會遇到“相似零件”的重復(fù)建模問題。所謂“相似零件”就是構(gòu)造特征相同，但參數(shù)不同，例如飛機結(jié)構(gòu)中機身的鈑金隔框、長桁，機翼的肋等零件，其構(gòu)造特征相同，但構(gòu)造參數(shù)隨著外形及站位變化而變化，零件也各不相同。大型復(fù)雜產(chǎn)品一般會有大量的“相似零件”，“相似零件”必須進行單獨建模，也就是重復(fù)建模。建模時除輸入的數(shù)據(jù)不同外，其余的操作都是相同的，重復(fù)操作的比重很大，這種重復(fù)操作不僅枯燥乏味，而且效率低。CATIA軟件提供了一種叫做“超級副本”的功能，使用超級副本功能，可剔除上述重復(fù)操作，大大提高設(shè)計效率。

二、用 CATIA軟件中的超級副本建模

1.超級副本功能實質(zhì)

CATIA的超級副本功能是參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的拓展，實質(zhì)是參數(shù)化和“宏”的有機結(jié)合。即在交互式環(huán)境中輸入“相似零件”的參數(shù)，“宏”調(diào)用輸入的參數(shù)，批處理建模操作過程，自動生成零件模型。

CATIA軟件中的超級副本功能，由于介紹該功能的資料較少，掌握和使用這個功能的設(shè)計人員也較少。而在實際應(yīng)用中這種基于參數(shù)化的功能在某些復(fù)雜產(chǎn)品建模中可發(fā)揮巨大的作用，極大地提高建模效率。在大型復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中，“相似零件”很多，傳統(tǒng)的做法就是重復(fù)單獨建模，設(shè)計效率大打折扣。改良的做法是應(yīng)用標準件庫、零件庫以及參數(shù)化設(shè)計技術(shù)來解決重復(fù)性建模問題。隨著計算機軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的普及，參數(shù)化建模問題日益突出，如果能更好地做到全參數(shù)化控制模型，將會給設(shè)計工作帶來極大的便利，大大提高工作效率。

2.超級副本操作及原理介紹

CATIA的超級副本功能適用于“相似零件”建模。因此，首先要分析“相似零件”的構(gòu)造邏輯關(guān)系，以確定其輸入?yún)?shù)結(jié)構(gòu)，參數(shù)可以是尺寸、點、直線、曲線、平面和曲面等幾何參數(shù)、矢量參數(shù)等元素或信息。其次，是預(yù)制強壯模型，預(yù)制強壯模型是一個具有建模過程簡潔、拓撲合理、數(shù)據(jù)量小且適應(yīng)范圍廣的 Part文件。第三，調(diào)用超級副本功能，在 CATIA軟件的“零件設(shè)計”狀態(tài)，打開“產(chǎn)品智能模板工具欄”，工具欄中包含：“創(chuàng)建超級副本”、“創(chuàng)建用戶特征”和“創(chuàng)建文檔模板”等創(chuàng)建副本的命令；“從文檔實例化”和“從選擇實例化”執(zhí)行副本的命令。超級副本在接收設(shè)計輸入數(shù)據(jù)后，通過事先設(shè)計好的建模順序和邏輯關(guān)系自動生成模型——“宏”處理。超級副本的原理參如圖 1所示。

有幾點值得注意：（1）在使用超級副本時，設(shè)計輸入必須符合零件要求，不得超過副本程序所允許的范圍，針對副本程序輸入信息必須合理，否則軟件會報錯或無法得到正確結(jié)果。（2）在使用超級副本時，應(yīng)在當前設(shè)計環(huán)境中，引用外部種子模型，系統(tǒng)會根據(jù)副本模型的輸入輸出對當前設(shè)計環(huán)境的輸入元素進行邏輯運算，得到和副本相同類型的輸出數(shù)據(jù)。（3）超級副本程序是通過對“相似零件”的構(gòu)造進行分析、優(yōu)化而預(yù)先精心構(gòu)建的強壯模型，強壯模型是指運用易于系統(tǒng)識別的運算法則所建的模型。通常建模的手段和途徑很多，不同建模方法可以得到相同的結(jié)果，但不是所有的運算方法都容易被系統(tǒng)識別。在使用不易識別的操作，如草圖中的偏移、投影，提取實體的曲面、曲線等操作時會導(dǎo)致系統(tǒng)識別錯誤，在模型輸入元素替換時無法更新。

三、應(yīng)用實例

某射電望遠鏡反射面根據(jù)主動控制規(guī)律的使用要求將反射面分割為上千個三角形單元，每個三角形單元邊長約12米，同時，在每個三角形單元內(nèi)部又分割為若干個小三角形單元，小三角形單元種類繁多、數(shù)量巨大。筆者在參與該項目的設(shè)計工作中，用戶給定了反射面的小三角形單元的頂點位置，需要對所有三角形單元建模繪圖。若單純從以尺寸變量來驅(qū)動參數(shù)化建模，需要對相關(guān)尺寸進行計算并整理，且需一一對應(yīng)，對于成千上萬個模型來說，該建模工作很單調(diào)，且容易造成尺寸混淆，因此需要形成新的有效率的建模思想。

圖 2為眾多三角形單元中的一塊，內(nèi)部共包含 91個三角形小單元，共 28種類型，如果針對每一個小板塊進行手動建模，會耗費大量的時間，操作過程中容易出錯，模型質(zhì)量難以保證。

利用軟件的設(shè)計輸入“替換”原理可以提高建模速度和模型質(zhì)量。經(jīng)分析，這些三角形板塊有四種結(jié)構(gòu)構(gòu)型：（1）大三角形頂點的三個小板塊；（2）大三角形三條邊上的小板塊；（3）內(nèi)部的三角形板塊；（4）內(nèi)部臨孔處的三角形板塊。針對這四種構(gòu)型分別制作 4套超級副本，在已給出的點上進行“克隆”操作。

以第 4類小三角板的超級副本制作為例，介紹超級副本的制作和使用。首先判斷模型基于哪些幾何元素和參數(shù)，本案例中三角板是由 3個頂點和臨孔處的邊決定的，此外在對連接帶板建模時還需要取基準軸線的相對夾角作為變量。

圍繞這幾個元素進行建模，模型對于上述幾個變量必須是強壯模型，根據(jù)輸入的不同可以自動更新結(jié)果。

將所建模型生成超級副本，在超級副本定義框中選擇設(shè)計輸入元素及想要輸出的元素，如圖 3所示。

除了需要3個點和2條邊線作為設(shè)計輸入幾何元素外，還需要發(fā)布參數(shù)以方便在使用時更改參數(shù)滿足各種情況要求。發(fā)布參數(shù)如圖4所示。該項目根據(jù)需要發(fā)布三個角度值。

設(shè)定完參數(shù)和幾何信息后，超級副本圖標將會顯示在零件樹上，如圖 5所示，超級副本制作完成。

超級副本的運行是系統(tǒng)通過人機對話的交互性將副本內(nèi)的輸入元素進行替換、并重新生成模型的過程。在當前設(shè)計環(huán)境中，使用 圖標調(diào)出已有的超級副本文件。運行后的設(shè)置框如圖 6所示。在“輸入”/“選定”欄中對照要替換的元素逐一進行選取，應(yīng)當注意的是在選取曲線時應(yīng)保證矢量方向相同。在“參數(shù)”欄中設(shè)定需要更改的參數(shù)，參數(shù)輸入框中顯示的 3個角度就是制作腳本時發(fā)布的 3個參數(shù)。運行完畢后將在當前設(shè)計環(huán)境中生成帶完整步驟的“零件幾何體”和“幾何圖形集”，并且可以對模型進行單獨的更改操作。

對于上述項目案例，手工建模的工作量是難以想象的，經(jīng)過比較，使用零件幾何元素“替換”功能進行操作比手工建模提高70%的效率；使用超級副本進行建模比使用“替換”功能提高 60%以上?？梢娫谝恍┲貜?fù)性建模的項目中，超級副本功能可極大地提高工作效率，縮短設(shè)計周期。

四、結(jié)語

CATIA超級副本易學(xué)、易用，在很多領(lǐng)域都可以借助超級副本節(jié)省大量的人工成本。在汽車、船舶、航空、航天及其他工業(yè)領(lǐng)域，設(shè)計制造已陸續(xù)進入全數(shù)字化階段，需要對系統(tǒng)中所有零件和連接件在數(shù)字模型中進行表達。大量的結(jié)構(gòu)數(shù)模并不是毫無規(guī)律的，例如一些長桁、隔框、液壓作動筒等零件，其結(jié)構(gòu)形式簡單、結(jié)構(gòu)類型相同，在建模時可以借助超級副本來完成。在重復(fù)性操作中巧妙運用超級副本對縮短建模周期、控制模型質(zhì)量有巨大幫助。