基于CATIA_V5的三维机械设计

韩敏

（西安科技大学，陕西西安710054）

摘要：介绍了利用CATIA V5进行三维造型设计和将三维实体模型转换为二维图纸的步骤，并通过实例介绍了CATIA V5进行机械设计的过程。该软件强大的特征造型功能以及鲜明参数化设计思路可应用于CAD/CAM系统的开发。

关键词：CATIA V5；三维造型；机械设计

中图分类号：TP391.72 文献标识码：B 文章编号：1001-3881（2006）4-201-2

0 概述

CATIA软件是由法国达索（Dassault）飞机公司开发的高端CAD/CAM软件［1］。它以其强大的曲面设计功能在机械、飞机、汽车、造船等设计领域得到了广泛的应用。CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。比如其特有的高次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15次，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。

达索公司推出的CATIA V5版本，它是基于Win-dows NT/2000操作系统开发的，它与Windows保持一致的传统的菜单条、标准的快捷键（Ctrl+C）、拷贝-粘贴（Copy-Paste）、拖放功能（Drag&Drop）、上下关联的菜单（在任何地方、任何时间对任何选择的对象单击鼠标右键可得到当前可用的操作）、同Office一样的多文档界面、可以使不同的Windows应用程序共享数据的OLE集成等。不仅使工作变得快速高效，同时显著地减少培训时间。

CATIA是基于特征的参数化实体造型系统，它的草图设计区别于传统的CAD二维绘图技术的关键在于采用了参数化造型系统。传统的CAD绘图技术都是用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有确定的位置和长度，要想修改图面内容，只有原有线条删除后重画。而新产品的开发设计需要多次反复修改，进行零件形状和尺寸的综合协调和优化。对于定型产品的设计，需要形成产品系列，以便针对用户的生产特点提供不同型号的产品。参数化设计可使产品的设计图随着某些结构尺寸的修改而自动修改图形。基于特征的设计是把特征作为产品设计的基本单元，并将机械产品描述成特征的有机结合。特征模型利用高一层次具有过程意义的实体如孔、槽、内腔等来描述零件。

1 利用CATIA进行设计的方法

1.1 草图（Sketcher）设计

草图设计是三维设计的起点，其实质是二维绘图设计，具有传统二维软件设计的功能。

参数化设计的基本方法是从草图设计开始，通过施加尺寸和几何约束生成草图特征，再应用尺寸驱动技术自动生成零件的三维实体模型，而且在利用草图

技术生成二维轮廓时不必输入这个轮廓的准确尺寸，可以在以后的参数设计过程中得到。这样一来，当我们在进行产品设计时，则可以随时根据需要调整设计尺寸，而不必在设计之初就必须对各设计尺寸非常明确。这是与传统的CAD软件相比的一项优点，增强了CAD软件的易操作性，更好地实现了人性化设计，而且对于设计系列产品及原产品的改进和零部件的“借用”都提供了很大的方便。

1.2 生成三维零件毛坯

CATIA V5具有很强的三维实体建模的功能，当用户在草图平面绘制二维图形后，进入零件设计（Part Design）模块，可以通过旋转、拉伸、放样、加肋、拔模等方法生成所需的三维零件毛坯。同时还可利用其后参数化约束功能，根据需要随时进行修改。实现了三维造型设计，设计者可以直接针对零件毛坯进行形体改变，实现了设计过程由“绘图”向“设计”的转变，而且在设计过程中，CATIA V5提供的各项具体功能使得三维模型的设计更类似于生产的加工过程，而且较Pro/E产品来说，CATIA V5提供了方便的设计形式，使得造型设计更易于学习、使用。通过CATIA V5可以较好地实现设计与加工的结合。

1.3 完成三维造型

由于CATIA V5提供基于特征的设计，即将特征作为设计的单元，将产品视为特征的有机结合，通过由类到对象的逐步描述来实现具体的形状设计的目的。所以在生成三维零件毛坯后，可利用打孔、开槽、抽壳、倒角、加凸台、内外螺纹等工具对“毛坯”进行“加工”，最终完成机械零件实体造型。1.4 生成二维工程图

为了适应传统加工方法的需要，需将三维实体转换为二维视图，以获得零件的加工图纸。在完成三维建模后，利用CATIA V5的工程图“Drafting”模块，可创建和编辑二维工程图。

2 设计举例

下面我们以图1所示的阿基米德圆柱蜗杆为例，对利用CATIA的建模及生成工作图的过程进行介绍。

首先分析该零件的结构，由哪些主要特征组成，

・

1

2

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《机床与液压》2006.No.4

图1 阿基米德圆柱蜗杆

确定建模步骤。图1所示的蜗杆是由旋转体、齿槽及键槽组成的零件，其基本特征是一个旋转体，其设计步骤如下。

2.1 创建蜗杆零件毛坯

（1）首先在草图模式根据蜗杆毛坯形状绘制毛坯形状草图，然后进行尺寸约束、尺寸修改、倒角等（当然倒角亦可在形成毛坯实体后再进行），如图2所示。

图2 毛坯形状草图

（2）在零件设计模式下利用旋转（Shaft ）工具生成蜗杆毛坯，如图3所示。

图3 蜗杆毛坯

2.2 加工蜗杆齿槽和键槽

（1）根据蜗杆的参数，计算出蜗杆齿槽的螺距，并根据蜗杆的旋向在曲线曲面模式下生成一条缠绕在蜗杆上的螺旋线，作为开槽扫描导线，如图4所示。

图4 开槽扫描导线（2）由于阿基米德圆柱蜗杆的端面为阿基米德螺旋线，轴面为斜直线

［2］

，所以可

选择蜗杆轴平面，在草图模式

下，绘制一个梯形（一定要是一个闭合曲线），其底边距轴线的距离正好是蜗杆的齿根圆半径，两侧边与端面的夹角为20º（注意：节圆处两侧边的距离应为分度圆齿槽宽）。

（3）在零件设计模式下利用狭槽（Slot ）工具生成一个齿槽；再利用阵列工具加工出整个蜗杆齿槽。

（4）在草图模式下绘制键槽形状，再利用拉伸切割（Pocket ）工具生成键槽，完成蜗杆的三维建模，如图1所示。

2.3 生成二维工程图

当三维造型完成后，首先确定视图布局、图幅大

小、图幅方位等，进入工程图环境。根据需要也可生成适当的剖视或剖面等辅助视图。最后可进行尺寸标注。由于CATIA V5具有尺寸驱动功能，而在草图设计时已施加了尺寸约束，所以其尺寸标注可自动生

成，但是由于在绘制草图进行尺寸约束时，并没有考虑机械加工的问题，所以尺寸标注不一定符合标注原则，此外，局部形状的表述与国标规范存在一定的差异，这时也可在该模式下进行重新编辑修改，最终完成蜗杆的工程图，如图5所示。

图5 蜗杆二维零件图

3 结束语

CATIA 三维设计软件提供了完整的设计工具及方便的操作界面，其界面及选项的设计采用了与微软产品一贯的风格，从而使得使用者对于该软件的学习和适应的周期大大缩短，在很大程度上改善了3D 造型软件操作复杂的弊端。同时，还由于CATIA 基于特征的三维实体建模功能，使其具有如下优点：

（1）继承了利用实体造型软件进行产品设计时，

使用者在屏幕上能够直接看到产品的真实三维模型的特点，使得其建模思路更加接近于形体本身的构成，因而造型设计更加直观。

（2）由于参数化设计便于图形尺寸更改，出图迅速，相对于二维绘图方式，使设计人员工作量大为减少，特别是其后参数化的设计为技术人员提供了一个便于设计、便于修改的平台，有利用产品的系列化设计。

（3）由于采用基于特征的建模思想，利用布尔运算求截交线、相贯线，使得工程图绘制速度更快捷，线型精确度更高。

参考文献

【1】李志学，李若松.CATIA 实验教程［M ］.北京：清

华大学出版社，2004.

【2】孙桓，陈作模.机械原理［M ］.北京：高等教育出

版社，2001.

作者简介：韩敏（1959—），女，辽宁西丰人，副教授，主要从事机械设计及理论的研究工作。电话：（029）85587024，E -mail ：hanm@xust.edu.cn 。

收稿时间：2005-02-28

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202・《机床与液压》2006.No.

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