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CATIA 在测试与运动仿真设备设计中的应用
中国航空工业第一集团公司北京航空精密机械研究所 张久松

摘 要: 本文对某型号测试设备关键部件应用 CATIA V5 的经验进行了总结，在设计过
程中成功应用了电子样机(DMU)和知识工程技术，进而提高了产品设计的质量。
关键词: CATIA 测试与运动仿真设备 电子样机 DMU 知识工程
1 概述
我所是进行测试与仿真设备和仪器开发的专业研究机构， 测试与仿真设备的设计与制造 对于精度有着很高的要求， 在设计阶段就要进行必须的分析和控制， 同时企业也面临着提高 综合设计质量、 缩短设计周期的挑战， 当然这也是困扰着当今多数企业的一个难题。 为了解 决这个问题， 我所采取的步骤之一就是采用新的设计手段。 经过仔细的选型和考察， 我所引 进了 IBM 公司的 CATIA V5 软件，这个软件由法国 Dassault Systèmes 公司开发，是一个完 整的 CAD/CAM/CAE 解决方案， 它全面支持协同产品开发， 是一个新一代的软件系统， 具有功 能强大、产品丰富、界面友好、操作直观的特点，广泛应用在世界范围的航空航天、汽车、 轮船等工业领域， 在中小型企业和其他的工业领域中也有着越来越广泛的应用。
以下是我所应用 CATIA V5 软件在某型号测试设备关键部件开发过程中的应用体会。

2、方案设计阶段

2.1 构建装配件的框架模型

首先综合分析客户提出的设备技术指标，利用成熟的技
术，结合以往的设计经验和本单位设备的实际情况，制
定出可以保证客户设备性能要求的技术方案。然后根据
初步的技术方案，利用 CATIA 构建出整个装配的框架模
型。这是典型的 TOP－DOWN 方式的整体设计模式，利用
了 CATIA 的相关性和参数化设计特点，结合部分知识工
程的功能，构造出全参数化的 Skeleton 模型。

2.2 创建重要零部件的初步实体模型

基于此框架模型，我们进行了主要零部件的实体模型

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设计，由于需要精确控制此部件的重心位置和转动惯量，所以我们对几个主要的零部件赋 予材料，利用 Measure Inertia 命令测量出重要零部件的质量和转动惯量，根据设备的动 态和静态技术指标，初步确定驱动单元的技术参数。然后根据这些技术参数确定驱动和控 制单元的型号。

2.3 构建装配模型

整机装配模型可以使设计人员对未来即将加工出来的设备有一个整体、直观的认识，为客 户提供一个设备的三维模型，并为后续的 DMU 等工作打下基础。
由于客户在技术指标中对设备视场角提出了具体的要
求，设计人员必须对设备的视场角进行验证。所以，
我们将视场角定义为一个参数，以之来驱动单个零件
以致于整个装配的外形，这样就可以很容易的根据客
户的要求来调整这些重要的指标。接下来利用 CATIA
直观方便的分析命令来检验其他的参数是否达到技术
指标的要求；如果没有达到技术指标的要求，就需要
修改相应的零件参数， 甚至需要修改最初的技术方案，
直到所有的技术指标达到要求为止。

2.4 利用电子样机技术(DMU)对设备进行仿真。

测试与运动仿真设备,一般都由若干个轴系组成(目前国内外的测试与运动仿真设备有单 轴、双轴、三轴、甚至五个轴系的设备)。客户对每个轴系的运动范围都有具体的要求。 此时我们就可以利用 CATIA 强大的 DMU 功能进行仿真和干涉检查，以验证是否满足运动范 围等要求。

电子样机技术主要是指在计算机上， 通过三维 CAD/CAM 软件， 建立完全电子化的几何模型，
各个设计部门的工程师在统一的、全部真实化的三
维空间内，参照已有的信息设计自己负责的部件，
总体设计部门在整个开发阶段对整体装配或部分部
件进行模拟、分析和仿真，从而替代或减少实物样
机的应用。CATIA 的电子样机技术除了为我们提供了
“上下关联的设计”的方法外，还提供了强大的可
视化手段， 虚拟显示、 多种阅览、 DMN 漫游和截面透

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视等，另外还有各种功能性检测手段，安装/拆卸、机构运动、干涉检查、截面扫描等。

由于 DMU 技术的成功应用，使我们对所设计的项目充满信心，同时也顺利通过了技术方案 的可行性论证。

以上是针对技术方案所作的初步设计，在证明了技术方案切实可行后，便进入了工程 设计阶段。

3、工程设计阶段

经过技术方案可行性验证之后， 便可以进行详细的工程
设计：建立所有相关零件的三维模型，再进行零件装配等。

3.1 详细实体建模

利用 Part Design 模块对所有零件进行建模，考虑所有的细
节，同时为零件模型赋予材料特性。

3.2 模型总体装配

利用 Assemble Design 模块进行装配。

3.3 配重设计

装配完毕后，要对俯仰轴系进行平衡配重，使其重心在轴
线上，此时我们利用了 CATIA 提供的Product Engineering
Optimizer(工程优化)产品对配重块进行优化，以得到
配重块的最终尺寸， 使整个零件的重心与轴线的误差在允
许的范围之内。 这样对设备控制系统和设备的精度等方面
具有极其重要的作用。 工程优化产品作为 CATIA 知识工程
系列产品的一个组成部分， 为我们提供了对多种设计和测
量参数进行优化的有力手段。

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3.4 驱动单元的选择

利用 Measure Inertia 工具分别测量出每个旋转轴系的转动惯量，再根据该惯量确定选用 的驱动单元型号。传统的平面设计计算转动惯量十分麻烦，并且误差比较大，CATIA 软件 的应用使这种情况大为改观。

在上述图表中，IozA 为XXX 型设备的某一个轴系的转动惯量，它表示该轴系的转动部件绕 旋转轴的转动惯量，根据该转动惯量的数值分析计算该轴系所需要的驱动力矩和功率，最 终确定驱动单元的型号。利用 Measure Inertia 功能同时可以测量出设备的整体质量。

3.5 三维模型的最终检验

在完成了产品的三维模型设计后，我们对模型进行了最终的效验和分析，从而确保设计的 合理。确保将所有可能的问题和错误在交付制造之前得到发现和解决。

3.6 绘制整体装配的工程图。

利用 CATIA 的 Drafting 产品进行工程图纸
的生成是非常高效而又直观的，我们可以
快速地得到单个产品和整个装配的各种类
型的视图。添加尺寸标注和各种公差与注
释。

至此，整个工程设计工作基本上接近尾声。

4、结束语

在测试与运动仿真设备中使用 CATIA 软件， 给我们带来了极大的方便， 减少了设计失误率，

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并大大缩短了设计周期。特别是知识工程和电子样机的应用，加强了设计过程最关键的空 间和尺寸控制之间的集成，在产品开发进程中不断对电子样机进行验证，大部分的设计错 误都得到了避免或改善，从而：
• 优化了零部件设计

• 提高了新产品设计的可装配性

• 避免了可能的碰撞与干涉

• 减少模具加工成本

• 最终提高了产品的性能

在设计过程中我们同时也应用了 Msc.Nastran 等软件对设备进行静态、 动态的分析， 进 行优化设计， 提高了设备系统的可靠性和合理性。 确保了设计的一次性成功。 在软件的使用 过程中，MSC 公司驻北京办事处给予了我们及时、周到、专业的技术支持，在此深表谢意。

5 参考文献
[1] IBM CATIA online Documentation
[2] 机械设计手册
[3] 非标准设备设计手册
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