作者：范星光，李 屹，贾 亮
（贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025）
摘要：介绍了利用CATIA软件进行参数化设计的一般过程。创建了一个直齿轮的实例，并运用VB语言开发了一个可以自动设计齿轮的程序，只需要输入相应的齿轮参数即可，从而利用对软件的二次开发达到了设计优化的目的，明显缩短了开发齿轮的时间，为后续设计过程做好准备。
关键词：CATIA；参数化；二次开发；优化
中图分类号：TP391.7 文献标识码：A
0 引言
CATIA是法国Dassault System公司旗下的CAD／CAE／CAM -体化软件，CATIA如今在CAD/CAE/CAM以及PDM领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。齿轮是经常使用到的零件，每次设计齿轮的时候都需要从头开始绘制渐开线，然后作对称、修剪、阵列等操作，比较繁琐，CATIA提供了很好的可扩展性供用户根据自己的实际情况进行二次开发，且CATIA提供了多种二次开发的接口，其中包括自动化对象编程(V5 Automation)和开放的基于构件的应用编程接口(CAA)。本文采用Visual Basic进行自动化对象编程，实现基于渐开线原理的直齿轮的自动化设计，以达到设计优化的目的。
1 参数化设计的一般类型
参数化设计是指设计对象模型的尺寸用变量及其关系表示，而不需要输入确定的数值，用一组参数约束该几何图形的结构尺寸和零部件的特征。在产品的整个设计周期中，设计者按照自己的设计理念和产品的需求绘制出草图，系统自动建立对象中各元素的相互关系，这样设计者在后期只要更改相应的尺寸参数即可，系统可以自动更改图形的尺寸来达到设计者的想法。一般来说CATIA中参数化设计类型有以下3种。
1.1 用参数实现尺寸驱动
CATIA是尺寸驱动的三维设计软件，在草图设计时，先绘制草图，得到图形的大概形状，再修改草图的尺寸，添加诸如长度以及相切、平行等约束，由于CATIA具有尺寸驱动功能，所以草图在修改尺寸后，图形的大小和位置会相应地变化，这样符合设计者的思维方式和设计过程。比如在草图编辑器中，绘制一个简单的图形，在垂直方向和水平方向都确定的情况下，可以实现对图形的约束。如图1所示，绘制了一个圆并进行了尺寸的修改。
1.2知识工程
知识工程是以模型数据为基础，使用公式将几何数据参数化，并可以窗体方式控制多个参数，或者检查参数是否符合所设置的检查规则，并对结果产生反应，知识工程包括公式、URL和注释、检查分析、关联，其中关联又包括设计表和规则，在后面的直齿轮参数化设计实例中，使用到了公式和规则中的法则曲线。使用知识专家中的知识顾问(Knowledge Advisor)模块中的函数和关系可以实现参数化设计，在函数ƒ(x)中，可以设定各个参数间的关系，在给定一定的参数数值后，其余相关的参数就可以自动修改。比如在进行直齿轮的设计时，齿根圆直径df可以使用公式（z-2ha-2×ca）×m来进行约束。
1.3 利用编程语言进行二次开发
CATIA提供了良好的接口供开发者对软件进行二次开发，其中包括自动化对象编程(V5 Automa-tion)和开放的基于构件的应用编程接口(CAA)。
2 直齿轮参数化设计及设计优化实例
CATIA提供了宏录制这样一种方便的方式进行二次开发，在进行零件设计的开始打开宏录制，再进行零件的设计，设计完成后结束宏录制。宏录制是以VBScript的形式存储的，也就是VB脚本存储，这样可以方便我们学习利用VB开发应用程序中各种函数的使用。下面以直齿轮参数化设计为例介绍二次开发的基本方法。
2．1 渐开线的形成及其相关的计算公式
当一直线BK沿一圆周作纯滚动时，直线上任意点K的轨迹AK就是该圆的渐开线，如图2所示。该圆称为渐开线的基圆，它的半径用rb示，θk称为展角。在图2中有，tanak=BK/OB=/OB=θk+ak，则θk=tanak -ak。令ak =u，得到渐开线上点的方程，可表示为：
其中：u取值为0°～50°。
直齿轮参数化设计中涉及到的符号及公式见表1。表1中各个数据为绘制渐开线直齿轮轮廓需要使用到的参数，齿数z、模数m、压力角a和齿轮的厚度s是需要输入的参数，基圆直径db分度圆直径d是绘制渐开线的时候关系x和关系y计算过程需要使用的，绘制完样条线后，需要使用到齿根圆和齿顶圆截取样条线，从而形成一半齿廓，顶隙系数ca和齿顶高系数ha是计算齿根圆和齿顶圆直径时需要使用的，齿根圆角半径系数ra是作齿根圆和外插样条线之间的圆角时候需要使用的，即mra。
2.2 建立VB和CATIA的关系
在打开Visual Basic程序后，需要在工程选项下引用中将有关CATIA的接口全部勾选上（如图3所示），这样就能在Visual Basic程序中调用CATIA中的函数进行设计。
2.3 在CATIA中进行直齿轮参数化设计的步骤
在CATIA中进行直齿轮的参数化设计包括使用知识顾问中的函数进行公式的编辑、渐开线上点的生成、样条曲线连接和外插延伸，绘制齿根圆，在外插延伸和齿根圆之间作圆角并修剪，进行圆角对称来形成一个完整的齿形，再进行圆形阵列，以圆形阵列作凸台拉伸形成完整的齿轮。当这个完整的宏录制完成后，就可以学习齿轮绘制过程中函数的调用以及怎样连接CATIA，从而进行VB程序的开发。
2.4开发过程中的关键代码
(1)连接CATIA库的关键代码如下：
(2)公式编辑的关键代码（以关系x设置为例）：
(3)以单个齿廓作参考作圆形阵列并接合的代码如下：
2.5程序界面以及CATIA中形成的直齿轮零件
最终得到的VB程序界面以及CATIA中形成的直齿轮零件分别如图4和图5所示。
3结束语
本文介绍了利用CATIA设计过程中实现参数化的3种常见类型，以直齿轮的设计为例，重点介绍了使用Visual Basic对CATIA软件进行二次开发的方法，明显地缩短了齿轮设计周期，为后续的继续设计做好了准备。当然，后续可以继续做更多零件的设计，可以编制成一个零件库供机械设计时调用。
参考文献：
[1]詹熙达．CATIA V5快速入门教程[M].北京：机械工业出版社，2008．
[2]孙桓，陈作模，葛文杰，机械原理[M].第7版．北京：高等教育出版社，2006．
[3]刘炳文，谭浩强．Visual Basic程序设计教程[M].第4版，北京：清华大学出版社，2009.
[4]胡挺，吴立军．CATIA二次开发技术基础[M].北京：电子工业出版社，2006．
[5]成大先．机械设计手册[M].第5版．北京：化学工业出版社，2008．
A Method of Parametric Design and Optimization Based on CATIA
FAN Xing-guang, LI Yi, JIA Liang
(College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)
Abstract: This paper describes the general process of parametric design utilizing CATIA, creates a spur gear and develops an auto-matic gear design program through using VB language which only needs to input the appropriate gear parameters. It achieves the purpose of design optimization using the secondary development of software, and significantly reduces the time to develop gear.
Key words: CATIA; parameterization; secondary development; optimization
