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，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。
(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。
(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。
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。
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，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。
图2 点云视图
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3D Curve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网（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X1轴、Y1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，如图5所示。此后的设计将以变换后的点云为依据。
图4 Z轴的创建
图5 系统坐标
进入digital shape editor，选择mesh create，得到的网格曲面如图6所示。
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)，则得到底面网曲线，加厚曲面即得底面网台阶部分，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。
图8 执行器各特征
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。
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