基于CATIA V5的逆向造型设计

　　对于实体造型来说，不同的构造过程，虽然可以造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构(结构树)却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体的应用。而新产品的开发设计需要多次反复地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，还需要形成产品系列，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。不仅如此，CATIA还可改变传统的设计思路，采用逆向思维设计方法对产品进行设计，下面将把类似的特殊齿轮，采用逆向思维设计方法的设计介绍给同仁，便于相互讨论并在实际工作中借鉴。

　　1 机械零件的逆向思维设计思想及方法

　　1.1 设计思想

　　设计一个好的零件，其设计软件中的结构树应该是低而平缓的，这样可以提高拼合运算的速度，提高造型的稳定性和可靠性，优化零件的修改和更新性能，可避免在体素和特征之间的非法和多余的操作，还能够充分反映零件的结构和构造特点，提高零件的可理解性及可修改性，方便模型在其他应用中的处理。齿轮设计结构树较高，设计过程较麻烦，且在齿根部分的处理不够完善(如图1所示)，进行数控加工时会出现加工缺陷，为解决上述问题，减少体素间的拼合计算量，改用逆向思维造型设计。

　　图1 设计的齿根情况

　　1.2 宴体设计方法

　　参数化设计的基本方法是从草图设计开始，逆向思维设计也是如此，即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成零件的三维实体模型，通过拉伸、切割、旋转、放样、混成、拔模等方法生成所需的三维零件。利用参数化约束功能，根据需要随时进行修改，实现三维造型设计过程，由“绘图“向设计的转变。由CATIA V5提供的特征设计方法，是将特征作为设计单元，在生成三维零件毛坯后，利用打孔、开槽、抽壳、倒角、加工螺纹等工具对毛坯进行“加工”，最终完成机械零件的实体构造。逆向思维设计思路是通过以上方法，尽量从最复杂、建模过程中最容易出现缺陷的结构处开始，在生成整体之前就将可能出现的问题提前解决，以得到完美造型。

　　2 典型零件设计举例

　　特制变速箱中，特殊齿形的齿轮为例，介绍利用CATIA建模及生成工程图的逆向选型过程。

　　2.1 齿形设计

　　齿轮设计方法，在设计特殊齿形时，是在柱面毛坯上切出单个齿形形状，阵列生成整个圆周齿形，但该齿形结构复杂，齿形结构需要2次切割完成，第1次渐开线槽型切割形成齿根圆的柱面，与第2次齿尖结构切割形成的柱面，控制的完全重合较为困难(如图1所示)，且当切割尺寸不符合运算要求时，齿形都无法阵列生成，所以设计过程中总会有一点结构上的不完整性。用拉伸轮齿后再切割的设计方法。同样存在以上问题。

　　采用逆向思维的设计方式，设计过程并非先从生成整体毛坯开始，而是从齿形开始入手，首先造型出单个齿形(如图2所示)，值得注意的是，形成单个齿形时，齿形底面的位置，一定完全包含在该齿轮的齿根圆位置以内，造型完成后将圆周所有齿形先阵列生成出来(如图3所示)。

　　图2 单个齿形

　　图3 阵列生成的齿形

　　2.2 创建齿轮的带齿毛坯

　　在阵列出的齿形坐标面中，进入草绘模式，按毛坯尺寸利用旋转(Shaft)工具生成齿轮毛坯，经布尔运算，齿形与毛坯生成一体，圆柱毛坯与齿形能够完全结合，如图4所示。

　　图4 带齿齿轮毛坯

　　2.3 生成齿轮其他结构

　　根据齿轮内齿轮的尺寸，利用切或打孔，挖出加工齿轮的内孔及保证齿宽齿高的孔。对需要部位进行倒角和拔模。

　　2.3.1 拔模柱面L开油槽

　　由于油槽是在拔模柱面上加工，并且要求投影图中看到的油槽轨迹为一个圆(如图5所示)，所以，油槽要用工具栏中Slot扫描开槽的功能来完成，且在扫描开槽前必须先有一条扫描轨迹，为得到拔模柱面上的扫描轨迹，须将模块再次转换到Wireframe and Surfacr Design线和面设计界面，点击工具栏中Plane图标在适当的位置新建辅助平面，草绘圆弧曲线(如图6所)，利用曲线在曲面上的投影，投射出拔模柱面上的扫描轨迹(如图7所示)，投射扫描轨迹时，要注意在Projection Definition对话框中的Projection tipe项，必须选择Along a direction选项，才能保证投影图中的油槽轨迹为一个圆。扫描条件具备，草绘油槽截面，扫描开槽，在拔模柱面的本体上开出一个油槽(如图8所示)，用环形阵列出拔模柱面上的6个油槽(如图9所示)。

　　图5 油槽轨迹

　　图6 草绘圆弧曲线

　　图7 投射扫描轨迹

　　图8 油槽

　　图9 特殊齿轮

　　2.3.2 加工齿轮内齿形

　　根据特殊齿轮内齿轮的参数，计算出内齿轮的齿间、齿厚、齿根高、齿顶高等参数，将模块转换到Wireframe and Surface Design线和面设计界面，首先点击工具栏内的Point点图标，创建一个X，Y，Z值为0的点，然后在三维造型中点击工具栏内的Spiral螺旋图标，出现螺旋曲线定义对话框，利用机械原理的齿轮螺旋线函数，计算出对话框中所需要的“结束角度”、“调整线的夹角”等，在工具栏内点击Join图标，选择三维图形中确定齿廓的4条线：齿根圆弧、螺旋线、螺旋对称线和一条直线，将其连接为一条封闭线框。再次切换到Part Design零件设计界面，用连接好的封闭线框开槽，开出齿轮中内齿轮上的第1个齿，随后在工具栏内点击Circular Pattern进行齿廓的环形阵列(如图9所示)。

　　2.4 生成二维工程图

　　当三维构造完成后，确定视图布局、幅面大小、图幅方位等，进入工程图环境。根据需要选择适当的剖视、剖面、局部放大等辅助视图。最后进行尺寸标注。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，所以其尺寸标注可以自动生成，但是由于在绘制草图进行尺寸约束时，只是针对造型进行的，并没有考虑机械加工等问题，所以自动生成的尺寸标注不一定符合标注原则，且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，最终完成特殊齿轮的工程图。

　　3 设计方案对比

　　典型零件的设计，是按照正常的加工顺序，设计完成的，其结构树较高，设计过程较烦琐，且在齿根部分的处理不够完善。理想的结构树，要求低而平缓，低而平缓的结构树可以提高拼合运算的速度;避免在体素或特征之间的非法和多余操作。从设计角度上考虑，该逆向思维的设计方法，得到了较理想的结构树，是拼合运算速度更快的一种生成方式，更重要的是该设计还改善了齿轮根部的结构缺陷(如图10所示)，从而得到更理想的建模齿轮。

　　图10 方案对比

　　4 结束语

　　CATIA三维设计软件，能提供完整的设计工具及方便的操作界面，采用CATIA软件进行三维建模造型设计，其优越性大大高于平面设计软件，设计过程灵活多变，可做出不同的三维造型方案进行比较。随着各CAD软件的开发、推广，越来越复杂、多样的特殊造型及方法也会不断地出现。文中设计的另一个方案，可使产品更理想化，大大地提高了使用者的设计效率，缩短了产品开发周期，为新产品快速占领市场提供了思路。

　　以上的特殊齿轮的逆向造型实例，做到了设计过程简捷明了，简化了实体零件的造型结构，结构树趋于合理，减少了体素之间的拼合计算。从而达到了一个好的造型零件所需的结构树要求。