CATIA作為一款CAD/CAE/CAM軟件在航空、船舶、汽車等行業(yè)已經(jīng)有了較長時(shí)間的使用和迭代，依靠其強(qiáng)大的曲面建模及知識工程能力，在很多產(chǎn)品的研發(fā)環(huán)節(jié)中都扮演了較為重要的角色。本文旨在說明如何使用3DEXPERIENCE CATIA進(jìn)行電子類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，主要包含以下內(nèi)容：

· 電子類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

· 使用3DE CATIA建模的優(yōu)勢和特點(diǎn)

· 使用3DE CATIA繪制電子類產(chǎn)品模型的一般過程

電視機(jī)、手機(jī)、PAD等電子產(chǎn)品相較于汽車、飛機(jī)等大型工業(yè)類產(chǎn)品而言，具有研發(fā)周期短、物料類型及總數(shù)量較少、內(nèi)部空間利用率高等特點(diǎn)。而電子類產(chǎn)品中比較有代表性的部件（例如面板、音箱、攝像頭等）都有著較為成熟的解決方案，所以日漸“紅海”化的市場也就對電子產(chǎn)品研發(fā)廠商提出來新的差異化需求。基于此，各家廠商基本上都是在擴(kuò)大尺寸、提升配置、優(yōu)化ID外形等方面發(fā)力。極致的堆料也就對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件布置等方面提出來新的挑戰(zhàn)。如下圖所示為某品牌電視、手機(jī)的拆機(jī)內(nèi)部實(shí)拍圖：

可以看到：主要的電子設(shè)備類型并不多，因此電子產(chǎn)品研發(fā)過程中最需要解決的問題就是設(shè)備件的堆疊，以及基于電子設(shè)備件的定位需要，調(diào)整背板和后殼的局部結(jié)構(gòu)。

3DEXPERIENCE是達(dá)索系統(tǒng)研發(fā)的集設(shè)計(jì)、仿真、工藝等PLM活動(dòng)為一體的集成性平臺，簡稱3DE。其中“設(shè)計(jì)”板塊繼承了CATIA V5時(shí)代的所有優(yōu)勢，同時(shí)又基于同一數(shù)據(jù)庫的交互形式，將整個(gè)平臺中的數(shù)據(jù)真正做到了“單一數(shù)據(jù)源”的模式。此處我們僅以CATIA品牌為例，說明使用3DE平臺進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)時(shí)的一些主要優(yōu)勢和特點(diǎn)。

1) 優(yōu)秀的曲面建模能力

3DE保留了CATIA V5中優(yōu)秀的曲面建模能力，提供了諸如【創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)】、【自由曲面建?！康惹娼ＤK，用戶可以輕易的創(chuàng)建出不同連續(xù)性要求的曲面，即使是基于第三方工業(yè)設(shè)計(jì)軟件繪制出的ID模型，3DE也可以實(shí)現(xiàn)曲面擬合，滿足產(chǎn)品外形需要。

2) 基于知識工程工具，可以將企業(yè)的研發(fā)知識進(jìn)行封裝重新利用

3DE提供了一整套的知識工程工具，包括知識工程模板的設(shè)計(jì)和調(diào)用、參數(shù)化建模并實(shí)現(xiàn)同一模型的不同狀態(tài)配置、使用EKL語言創(chuàng)建專用的校驗(yàn)規(guī)格實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢查等。用戶可以進(jìn)行模型的全參數(shù)化創(chuàng)建，并且通過利用規(guī)則、檢查等工具實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵特征的自動(dòng)校驗(yàn)。對于重復(fù)出現(xiàn)的特征，可以創(chuàng)建為知識工程模板以供企業(yè)內(nèi)部重復(fù)調(diào)用，縮短建模時(shí)間。

3) 基于“發(fā)布”機(jī)制，可以輕易實(shí)現(xiàn)參考數(shù)據(jù)的替換和更新

3DE獨(dú)有的“發(fā)布”機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)參考數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的手動(dòng)連接與斷開，發(fā)布（Publication）元素的存在，使得骨架元素可以與詳細(xì)設(shè)計(jì)特征之間存在一定的緩沖，而且使用發(fā)布元素進(jìn)行裝配的零部件之間可以實(shí)現(xiàn)無縫切換，替換后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)聯(lián)發(fā)布元素之間的鏈接。

由于電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及研發(fā)周期較短等限制，使用3DE進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要發(fā)力點(diǎn)就需要放在“快速”以及“便于調(diào)整”這個(gè)方向上。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來說，電子類產(chǎn)品研發(fā)一般遵循以下業(yè)務(wù)流程：

其中，耗時(shí)最長的階段為結(jié)構(gòu)件詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要有以下原因：

· 后殼結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮ID外形及安全、法規(guī)等要求，而ID外形在研發(fā)過程中又可能會(huì)發(fā)生調(diào)整，因此這是一個(gè)不斷試錯(cuò)又需要瞻前顧后的過程；

· 背板等結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)設(shè)備的布置調(diào)整局部結(jié)構(gòu)，例如背板一般作為鈑金件，上面分布著若干規(guī)格類似甚至相同的局部凸包、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)需要與設(shè)備件進(jìn)行匹配或者避讓，而設(shè)備的位置改動(dòng)必然會(huì)造成背板特征的調(diào)整；

· 基于散熱和美觀等要求，在外部結(jié)構(gòu)件上會(huì)存在許多局部重復(fù)的條紋或孔狀結(jié)構(gòu)，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，這些局部結(jié)構(gòu)在進(jìn)行繪制時(shí)需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行逐一繪制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

因此，如果可以打通“ID外形→設(shè)備→結(jié)構(gòu)”之間的數(shù)據(jù)流問題，使得單一數(shù)據(jù)的調(diào)整可以驅(qū)動(dòng)其他后續(xù)設(shè)計(jì)特征的被動(dòng)調(diào)整，同時(shí)結(jié)合模板化設(shè)計(jì)，就可以極大的縮短研發(fā)周期。

電子類產(chǎn)品件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)樹可參考下圖：

其中ID外形節(jié)點(diǎn)的Physicial Product節(jié)點(diǎn)被分配給造型設(shè)計(jì)工程師，用于在產(chǎn)品研發(fā)初期基于立項(xiàng)資料進(jìn)行ID模型的創(chuàng)建。整機(jī)模型設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)被分配給整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總布置師（有的公司可能因?yàn)闃I(yè)務(wù)特色沒有此角色，可以直接分派給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師）。接下來我們通過一些關(guān)鍵步驟的演示，來說明一般設(shè)計(jì)過程的重點(diǎn)步驟。

ID外形的設(shè)計(jì)遵循造型部門的技術(shù)資料要求即可，使用3DE平臺的高階曲面或自由曲面等APP完成曲面設(shè)計(jì)如圖：

設(shè)計(jì)完成的結(jié)果最好按照一定規(guī)則進(jìn)行“拆件”，將造型曲面按照前、后、左、右等規(guī)則拆分為幾個(gè)關(guān)鍵特征。

此時(shí)，ID設(shè)計(jì)師需要激活Physicial Product節(jié)點(diǎn)，將ID外形設(shè)計(jì)結(jié)果發(fā)布，便于設(shè)計(jì)師引用：

圖5: 發(fā)布ID外形拆件結(jié)果

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在ID初步設(shè)計(jì)完成后就可以基于已發(fā)布的資料進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，采用選擇性粘貼的形式將ID發(fā)布元素作為外部參考：

使用帶鏈接粘貼的外部參考進(jìn)行設(shè)備的初步布置，當(dāng)參考元素的源數(shù)據(jù)發(fā)生了改變時(shí)，可以采用以下方式進(jìn)行修改。

方式一：造型設(shè)計(jì)師直接修改原始發(fā)布元素的指向數(shù)據(jù)；

圖7：修改發(fā)布元素的指向數(shù)據(jù)

如上圖所示，ID設(shè)計(jì)師可以在產(chǎn)生新的拆件結(jié)果后直接修改發(fā)布元素的指向路徑，以調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的引用基準(zhǔn)。

方式二：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在模型設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部替換外部參考元素；

圖8：替換參考元素

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師也可以在研發(fā)任務(wù)進(jìn)行到某一環(huán)節(jié)時(shí)，直接替換基準(zhǔn)元素的外部參考數(shù)據(jù)，這樣可以在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部直接調(diào)整設(shè)計(jì)參考而不影響外部輸入。

ID外形設(shè)計(jì)這一業(yè)務(wù)場景在3DE CATIA中應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)在于：電子產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)階段更強(qiáng)調(diào)藝術(shù)性、美觀性和差異性，突出的是不同公司對于產(chǎn)品的理解和對于“美”的表達(dá)，而對于曲面質(zhì)量和數(shù)據(jù)的參數(shù)化卻沒有過多要求，這樣就造成了外形設(shè)計(jì)結(jié)果無法直接轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入，從而導(dǎo)致ID造型的迭代難度加大，過程耗時(shí)耗力等特點(diǎn)。基于CATIA提供的多種自由曲面建模APP，可以保證“ID造型→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的數(shù)據(jù)流暢通，避免不必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和曲面修復(fù)工作。同時(shí)，CATIA的發(fā)布機(jī)制（Publication）可以保證驅(qū)動(dòng)模型與被驅(qū)動(dòng)模型之間不會(huì)直接“接觸”，而是通過發(fā)布元素產(chǎn)生保持聯(lián)系的同時(shí)又留有緩沖的效果，便于數(shù)據(jù)的替換和調(diào)整，這一點(diǎn)也可以很好的對數(shù)據(jù)流程產(chǎn)生積極影響。

3DE CATIA繼承了CATIA V5強(qiáng)大的知識工程能力?？梢曰谀K化建模思路將整機(jī)層面、物料層面、特征層面的重復(fù)性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歸集整理，創(chuàng)建成企業(yè)級的設(shè)計(jì)模板。這些模板在未來的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中只需要根據(jù)實(shí)際場景實(shí)例化后適當(dāng)調(diào)整（甚至不需要調(diào)整）即可滿足要求。例如電子類產(chǎn)品后殼內(nèi)部存在大量boss柱結(jié)構(gòu)，這些特征基本上比較相似，可以將一般特征提取創(chuàng)建為知識工程模板，存放在Catalog中，在實(shí)際設(shè)計(jì)場景中只需要對boss柱進(jìn)行定位及數(shù)量布置，然后執(zhí)行模板實(shí)例化即可。

特征的模板化牽扯到的概念較多，這里我們不過多贅述。一般而言，公司級別的特征模板創(chuàng)建，建議設(shè)置為UDF或者工程模板。UDF用于封裝特征級別的模板，而工程模板用于封裝零件或者裝配級別的模板。此處以UDF為例，將BOSS柱繪制為參數(shù)化模型，封裝時(shí)設(shè)置好輸入條件：

將封裝完成后的模板存放進(jìn)入研發(fā)知識庫Catalog，以便調(diào)用；

完成以上內(nèi)容后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師就可以在自己的設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行Boss柱模板的批量調(diào)用，并根據(jù)調(diào)用的結(jié)果基于需要臨時(shí)調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)然，也可以通過EKL語言編寫知識工程工具，來自動(dòng)執(zhí)行批量化模板。

可以看到，對于大批量重復(fù)性特征的建模任務(wù)，3DE CATIA可通過知識工程實(shí)現(xiàn)高效率的處理，這對于產(chǎn)品后殼、背板這類結(jié)構(gòu)件來說是十分有利的。

實(shí)際上，Top-Down建模方法（也稱為骨架建模法）是一種建模思路，并不局限于使用某一種三維軟件。而3DE CATIA的系統(tǒng)對象為Top-Down建模方法提供了更為靈活更為穩(wěn)定的支撐。所謂骨架建模法，必然是要從系統(tǒng)全局考慮，首先將關(guān)鍵性的全局參考提煉出來進(jìn)行統(tǒng)一布置并發(fā)布，然后下層專業(yè)基于這些骨架元素進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。這里的關(guān)鍵性全局參考沒有統(tǒng)一的定義，針對于不同的行業(yè)也可以適當(dāng)調(diào)整。

例如，交通運(yùn)輸行業(yè)或工程機(jī)械行業(yè)，一般會(huì)有“車架”這一關(guān)鍵承重件，而總布置工程師也會(huì)選擇底盤車架的橫縱梁位置、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝位置、流體專業(yè)/電氣專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)之間交互的位置（例如接頭、電路管夾）等作為全局參考統(tǒng)一布置。而對于電子類產(chǎn)品來說，顯然專業(yè)沒有那么多，因此可以按照不同專業(yè)的配合點(diǎn)或配合面進(jìn)行布置，比如背板上安裝電子設(shè)備的凸包；也可以按照全局的關(guān)鍵定位尺寸布置，比如天側(cè)、地側(cè)以及前后側(cè)等限位面。

當(dāng)然，實(shí)際的建模業(yè)務(wù)是需要結(jié)合公司的組織架構(gòu)、專業(yè)分工、便于協(xié)同等因素來綜合考慮的。我們建議骨架可以涵蓋上述的兩個(gè)主要部分：即全局關(guān)鍵尺寸和不同專業(yè)之間交互的配合部位。如下圖所示，電子類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一般骨架可以分為兩層：

T1骨架屬于總布置工程師角色，此節(jié)點(diǎn)承接了ID外形拆件后的發(fā)布元素，并在其基礎(chǔ)上規(guī)定了整臺電子類產(chǎn)品模型的全部關(guān)鍵尺寸、及各專業(yè)之間配合的關(guān)鍵位置和配合樣式。T1骨架發(fā)布后，各專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)引用，并基于此進(jìn)行細(xì)化，創(chuàng)建屬于各專業(yè)內(nèi)部的詳細(xì)設(shè)計(jì)骨架，這里我們稱之為T2骨架。這樣可以保證各專業(yè)內(nèi)部的建模嚴(yán)格遵循“自頂向下”，同時(shí)又保證了專業(yè)之間的配合在總布置工程師所有權(quán)下，避免不必要的無效溝通降低研發(fā)效率。數(shù)據(jù)之間的傳遞流如下圖所示：

基于骨架設(shè)計(jì)的好處就是便于研發(fā)過程中的模型調(diào)整。我們模擬了ID外形工程師由于某些原因調(diào)整了整機(jī)的寬度尺寸，此時(shí)由于結(jié)構(gòu)件專業(yè)內(nèi)部的背板和后殼均基于ID外形發(fā)布的骨架進(jìn)行帶鏈接設(shè)計(jì)，因此當(dāng)激活結(jié)構(gòu)樹根節(jié)點(diǎn)并更新連接關(guān)系以后，可以觀察到設(shè)計(jì)結(jié)果中的模型也會(huì)自動(dòng)更新，這種基于同一結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行的全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，是3DE平臺的專有優(yōu)勢。

實(shí)際上，在第二部分中我們基于已有參考批量實(shí)例化UDF的過程中也是用到了骨架的概念：可以把參考元素中的定位點(diǎn)和直線理解為骨架，系統(tǒng)基于這些骨架調(diào)用模板自動(dòng)完成了接下來的BOSS柱設(shè)計(jì)任務(wù)，而實(shí)例化完成后，如果我們執(zhí)行參考元素的替換或者坐標(biāo)調(diào)整，也會(huì)驅(qū)動(dòng)實(shí)例化以后的模型自適應(yīng)發(fā)生改變。

從上面這些示意我們可以看出：3DE CATIA的單一數(shù)據(jù)源特性、優(yōu)秀的模塊化建模能力以及全專業(yè)協(xié)同的可行性與電子類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)場景是比較契合的。3DE平臺支持從“ID外形→元器件堆疊→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→PCB設(shè)計(jì)→CAE仿真→工藝仿真”的全要素設(shè)計(jì)分析能力，并且基于內(nèi)嵌的知識工程工具可以進(jìn)行一定程度的設(shè)計(jì)提效，這些都可以很好的滿足企業(yè)需求。我們也相信在智能設(shè)計(jì)、智能制造的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)幫助更多的企業(yè)激發(fā)內(nèi)在潛力，完成技術(shù)優(yōu)勢積累，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級！