本文探討研究了拖拉機(jī)車(chē)身曲面的CATIA在設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。

　　當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展日新月異，給當(dāng)代的工業(yè)設(shè)計(jì)提供了極大的便利，目前使用三維實(shí)體模型的設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)徹底地改變了傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)模式，向工業(yè)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)嶄新的創(chuàng)作平臺(tái)，通過(guò)正逆向設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品造型在研發(fā)設(shè)計(jì)之初就能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)三維模擬出來(lái)，然后對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配，在產(chǎn)品末生產(chǎn)前就呈現(xiàn)出具體的三維空間立體模型以供設(shè)計(jì)者比較分析，進(jìn)而任意修改以提供多種方案。

　　1 CATIA軟件的特點(diǎn)

　　CATIA是IBM公司的個(gè)廣泛的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))/CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)/CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)/PDM應(yīng)用系統(tǒng)，CATTA外形設(shè)計(jì)和風(fēng)格設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)零件提供了廣泛的集成化工具，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的曲面造型功能，故可以采用該軟件對(duì)拖拉機(jī)車(chē)身曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)。CATIA在被研發(fā)之初便是被定義于在汽車(chē)車(chē)身建模的基礎(chǔ)上，但隨著時(shí)代的進(jìn)步，軟件的發(fā)展，它已經(jīng)基本適用于各種設(shè)備三維建模的需要了，比如手機(jī)的模具等。對(duì)于拖拉機(jī)車(chē)身曲面的造型也可以參考CATIA對(duì)汽車(chē)車(chē)身曲面造型的方法，但是造型設(shè)計(jì)時(shí)要適應(yīng)拖拉機(jī)自身造型的特點(diǎn)，比如曲面光順性不高但是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求比較高等一系列拖拉機(jī)車(chē)身的特點(diǎn)。拖拉機(jī)車(chē)身結(jié)構(gòu)造型工作主要用到了CATIA軟件包的線(xiàn)架構(gòu)與曲面設(shè)計(jì)(Wireframe and Surface Design )、自由造型( Freestyle)和草圖跟蹤( Sketch Tracer)模塊。

　　20世紀(jì)50，60年代，拖拉機(jī)車(chē)身造型多采用曲面、曲線(xiàn)、大圓弧過(guò)度的造型方式;70年代，出現(xiàn)直線(xiàn)、平面構(gòu)成的梯形小圓角過(guò)度的造型風(fēng)格;隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展以及審關(guān)觀(guān)的不斷進(jìn)步，當(dāng)今拖拉機(jī)車(chē)身外形逐漸向汽車(chē)車(chē)身造型設(shè)計(jì)方向靠攏，大曲面、小圓弧、楔形漸成為主流采用CATIA軟件可以建立出精確的拖拉機(jī)車(chē)身3D曲面模型，它能夠精確地反映出造型師的意圖，使造型師設(shè)計(jì)的現(xiàn)代復(fù)雜、優(yōu)美、流線(xiàn)型的拖拉機(jī)曲面得以實(shí)現(xiàn)。這也是引入CATIA對(duì)拖拉機(jī)車(chē)身曲而進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的。

　　2 在拖拉機(jī)車(chē)身造型設(shè)計(jì)建模中的應(yīng)用

　　2.1 車(chē)身曲面設(shè)計(jì)流程

　　當(dāng)代的拖拉機(jī)車(chē)身一些復(fù)雜的輪廓是由不規(guī)則的三維曲面構(gòu)成，車(chē)身設(shè)計(jì)是拖拉機(jī)車(chē)型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)工程中最為基礎(chǔ)的一個(gè)環(huán)節(jié)。拖拉機(jī)設(shè)計(jì)包括車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和車(chē)身造型設(shè)計(jì)。拖拉機(jī)造型設(shè)計(jì)是車(chē)身設(shè)計(jì)的最初步驟，是機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)最初階段的一種綜合構(gòu)思，它是車(chē)身CAD/CAM設(shè)計(jì)方法的一個(gè)主要工作，為以后車(chē)身結(jié)構(gòu)的有限元分析、工藝設(shè)計(jì)及模具制造提供基礎(chǔ)。為了在設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)部門(mén)之間更好地進(jìn)行數(shù)字化銜接。便提出基于CATIA的拖拉機(jī)車(chē)身曲面設(shè)計(jì)理論。具體造型設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

Fig.1 Flow Chart of Module and Design of Body

　　2.2 車(chē)身曲面設(shè)計(jì)及曲面分塊

　　拖拉機(jī)車(chē)身是指拖拉機(jī)除發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)外所有零部件的總稱(chēng)。拖拉機(jī)車(chē)身造型設(shè)計(jì)主要是根據(jù)一些美學(xué)、形體組成、色彩和裝飾等方法，使拖拉機(jī)車(chē)身外型輪廓達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的技術(shù)發(fā)展和中國(guó)加人WTO后國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，農(nóng)民朋友對(duì)拖拉機(jī)外觀(guān)造型的要求也是越來(lái)越高。富有優(yōu)美曲線(xiàn)的造型能賦予產(chǎn)品更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為滿(mǎn)足造型設(shè)計(jì)要求進(jìn)行的工業(yè)設(shè)計(jì)，要根據(jù)造型表面曲面分塊進(jìn)而確定各總成的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所謂曲面分塊是為了計(jì)算機(jī)繪圖的方便，依據(jù)現(xiàn)有曲面理論和應(yīng)用軟件曲面造型特點(diǎn)，再結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品的實(shí)際外形情況，把拖拉機(jī)車(chē)身發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件曲面以及駕駛室曲面劃分為多個(gè)比較簡(jiǎn)單、容易處理的曲面塊，在計(jì)算機(jī)中這些曲面塊根據(jù)實(shí)際的光順性要求再進(jìn)行拼接和縫合，或用過(guò)渡表面與其連結(jié)，最終完成拖拉機(jī)車(chē)身造塑設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整車(chē)的車(chē)身的整體造型。所謂光順性包括以下幾個(gè)內(nèi)容：曲線(xiàn)、曲面具有二階幾何連續(xù)性，即光滑性;沒(méi)有多余的拐點(diǎn);曲率變化較均勻;符合設(shè)計(jì)師的主觀(guān)感覺(jué)要求。關(guān)于曲面分塊理論在汽車(chē)車(chē)身曲面設(shè)計(jì)中已經(jīng)比較成熟，在對(duì)拖拉機(jī)車(chē)身進(jìn)行曲面分塊時(shí)可參照汽車(chē)車(chē)身曲而分塊，但是對(duì)待當(dāng)代拖拉機(jī)特有的小圓弧、楔形曲面應(yīng)該區(qū)別對(duì)待加以分塊。

　　2.2.1 車(chē)身外形三維圖反求

　　利用CATIA軟件的Freestyle和Sketch Tracer模塊，在確定車(chē)身坐標(biāo)原點(diǎn)以后，再根據(jù)資料上的拖拉機(jī)跨距、整車(chē)(長(zhǎng)、寬、高)等一系列尺寸在CATIA視窗中反求實(shí)際車(chē)身大小外形草圖三維視圖，作為重新設(shè)計(jì)車(chē)身曲線(xiàn)曲面的基礎(chǔ)。當(dāng)然也可以通過(guò)云點(diǎn)掃描l:1油泥模型的方式反求產(chǎn)品外塑三維視圖。

　　2.2.2 曲面分塊原則

　　曲面分塊必須根據(jù)被造型零件的形狀特征、所選曲面的類(lèi)型、曲面的階數(shù)等方面來(lái)綜合考慮。當(dāng)代拖拉機(jī)車(chē)身一些復(fù)雜的輪廓是由不規(guī)則的三維曲面構(gòu)成，所以用一張曲面很難在保證精度的情況下去構(gòu)建其三維數(shù)學(xué)模型。為了保證模型的設(shè)計(jì)精度通常就需要對(duì)拖拉機(jī)車(chē)身進(jìn)行曲面分塊。對(duì)拖拉機(jī)車(chē)身可按如下的分塊原則：

　　1)在保證繪制曲線(xiàn)曲面的靈活造型功能基礎(chǔ)上，最大限度地減少分塊數(shù)目。

　　2)在曲面分塊時(shí)小能產(chǎn)生異形曲面，即所有曲面都必須是定義在四邊形域上。

　　3)曲面分塊的結(jié)果要便于CAD軟件的應(yīng)用，即要便于數(shù)據(jù)輸入

　　4)曲面分塊要與現(xiàn)有的CAD軟件的造型功能和編輯功能相適應(yīng)相配合使用。

　　2.2.3 曲線(xiàn)、曲面的建立

　　要高質(zhì)量地完成一個(gè)較復(fù)雜拖拉機(jī)車(chē)身覆蓋件曲面的造型，需要具備計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)械制圖、機(jī)制工藝等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，并對(duì)CAD/CAM軟件有一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。具體地說(shuō)，首先要了解各種曲面的構(gòu)造方法，其次要看懂圖紙能夠根據(jù)不同的技術(shù)要求，將曲面劃分為基本曲面和過(guò)渡曲面。

　　對(duì)拖拉機(jī)車(chē)身外形草圖進(jìn)行初步分析，了解車(chē)身曲面。由于曲面是在曲線(xiàn)的基礎(chǔ)下生成的，生成正確的空間曲線(xiàn)是獲得曲面邊界、生成二維曲面的基礎(chǔ)，也是造型工作中的關(guān)鍵。對(duì)曲面的光順有著決定性的影響。

　　在兩張曲面之間生成第3張過(guò)渡曲而也是車(chē)身設(shè)計(jì)中常用的功能。由于拖拉機(jī)車(chē)身某些過(guò)渡面的圓角可能較小，而且形狀比較狹長(zhǎng)，精確測(cè)量是極其困難的，在造塑時(shí)可以不將它作為主曲面處理，當(dāng)然也不需要做出兩曲面的理論交線(xiàn)，而是在擬合好的兩張主曲面后自動(dòng)生成過(guò)渡面。對(duì)車(chē)身表面分塊造型后將各部分裝配到一起，然后先進(jìn)行車(chē)身各部分曲線(xiàn)的縫合，再進(jìn)行曲面的縫合。最后就可以縫合好整張拖拉機(jī)車(chē)身發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件。

　　2.3 外形修正

　　在車(chē)身曲面創(chuàng)建設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)階段以及在創(chuàng)建設(shè)計(jì)完成后，都要根據(jù)不同的對(duì)象采用相應(yīng)的方法進(jìn)行分析檢查。要隨時(shí)檢查所建曲面的狀況，分析檢查是貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的，是保證設(shè)計(jì)精度質(zhì)量的重要手段。

　　2.3.1 CURVE

　　CURVE主要分析其光順性，特別是拖拉機(jī)柴油機(jī)攫蓋件不僅僅要求曲線(xiàn)連續(xù)，還要求曲率的變化要連續(xù)。經(jīng)過(guò)曲率分析過(guò)的曲線(xiàn)才可以用來(lái)生成曲面。拖拉機(jī)覆蓋件大多數(shù)對(duì)光順性要求不像汽車(chē)那么高，有時(shí)在u，v方向做到一階幾何連續(xù)即可。

　　2.3.2 曲面分析

　　在構(gòu)造曲面時(shí)要對(duì)曲面外形進(jìn)行分析，要分析曲面的品質(zhì)，檢查曲面或曲線(xiàn)間的細(xì)縫大小以及其連續(xù)性，檢查曲線(xiàn)、曲面的曲率變化情況等，對(duì)曲線(xiàn)、曲面的光順性、扭曲、切率變化也應(yīng)該注意分析，然后及時(shí)修改。

　　2.3.3 渲染檢查

　　在車(chē)身全部曲面生成而且拼接完成后，則要對(duì)整體曲面進(jìn)行評(píng)價(jià)，這可以采用CATIA軟件進(jìn)行光照效果渲染檢查整體造型效果，通過(guò)改變光源位置、變換曲面的顏色、變換觀(guān)察視角等方法來(lái)檢查曲面的拼接光滑性，再根據(jù)處理后的圖像光亮度的分布規(guī)律來(lái)判斷出曲面的光順度。圖像明暗度變化均勻，則曲面光順性好，反之亦然。車(chē)身曲面造型完成以后，可用打印機(jī)輸出彩色造型圖，當(dāng)然也可用大屏幕投影設(shè)備在大屏幕上投影顯示。然后進(jìn)一步檢查過(guò)渡曲面的拼接的光順性。

　　3 結(jié)論

　　這里提出了一種基于CATIA反求出拖拉機(jī)車(chē)身三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行拖拉機(jī)設(shè)計(jì)的新思路，即從拖拉機(jī)反求三維設(shè)計(jì)效果圖出發(fā)，采用CATIA的線(xiàn)架構(gòu)與曲面設(shè)計(jì)模塊曲面造型技術(shù)對(duì)拖拉機(jī)車(chē)身曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)，為日后進(jìn)行產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。