AI赋能CATIA零件设计与装配自动化（CATIA V5-6R2020）（视频教学版）

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书名：AI赋能CATIA零件设计与装配自动化（CATIA V5-6R2020）（视频教学版）

ISBN：978-7-115-65934-7

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版　　权

编  著 赵文增　蒋明付　梁　智

责任编辑 李永涛

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

读者服务热线：(010)81055410

反盗版热线：(010)81055315

内 容 提 要

CATIA是世界领先的产品设计和工程应用软件之一，它在航空航天、汽车制造、船舶制造等工业制造领域应用广泛，为全球许多企业和设计师提供了强大的设计工具和有效的解决方案。随着人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术的发展和应用，CATIA的功能和应用场景在不断拓展和深化。

本书以CATIA V5-6R2020为基础，结合前沿的AI技术，系统地介绍CATIA的各项功能和应用。本书从基础知识开始，逐步深入讲解CATIA各种模块和工具的使用方法和技巧，包括零件建模、曲面建模和装配设计等，此外还重点介绍CATIA中AI辅助设计的应用，以帮助读者更好地利用AI技术提升设计效率和质量。

本书专为机械设计工程师、产品设计师以及对CATIA技术感兴趣的读者量身打造，无论是初学者还是经验丰富的专业人士，都能从本书中获得宝贵的知识和指导。

前  言

本书从CATIA的基础知识和操作开始，逐步介绍CATIA V5-6R2020的各项功能和特点，包括零件设计、装配设计、绘图、渲染等方面的内容，重点介绍CATIA的核心功能和高级使用技巧，以及CATIA在AI方面的应用，例如智能建模、智能分析等。

本书共7章，大致内容如下。

● 第1章：主要介绍CATIA V5-6R2020的工作环境、视图与对象的基本操作及AI辅助设计基础知识等内容，以帮助读者熟练操作软件。

● 第2～4章：主要介绍CATIA草图绘制、特征设计和AI辅助零件参数化设计等内容，让读者轻松掌握CATIA的零件建模功能。

● 第5、6章：主要介绍CATIA的创成式曲面设计功能，以及AI辅助产品造型设计的实际应用。

● 第7章：主要介绍CATIA装配设计模式中的自底向上装配设计。

在编写本书的过程中，我们力求将复杂的技术以简洁易懂的形式呈现给读者，希望能够帮助读者更快地掌握CATIA的核心功能，并在实践中不断提升自己的设计水平。

感谢您选择了本书，希望我们的努力对您的工作和学习有所帮助，也希望您把对本书的意见和建议告诉我们。

由于编者水平有限，书中难免出现疏漏，敬请广大读者批评指正，在此表示衷心的感谢！编者联系邮箱：shejizhimen@163.com。

编者

2024年8月

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第1章　CATIA与AI辅助设计入门

在学习软件操作时，初学者常常会感到迷茫，本章将详细介绍CATIA V5-6R2020和AI辅助设计的基础知识，帮助读者打下坚实的学习基础。

1.1　CATIA V5-6R2020简介

CATIA V5-6R2020作为法国达索公司的产品开发旗舰解决方案，已经凭借其强大而完善的功能成为3D CAD/CAM领域的标杆和行业标准。在航空航天、汽车及摩托车制造等领域，CATIA一直处于统治地位。作为PLM（Product Lifecycle Management，产品生命周期管理）协同解决方案的核心组成部分，它为制造厂商提供了重要支持，助力设计未来产品的全过程，涵盖从项目前期阶段、具体设计、分析、模拟、组装到维护等完整的工业设计流程。

1.1.1　进入CATIA V5-6R2020工作环境

一般来说，有两种方法（以Windows系统为例）启动并进入CATIA V5-6R2020工作环境。

方法1：双击Windows桌面上的CATIA V5-6R2020快捷启动图标。

方法2：从Windows系统的【开始】菜单进入CATIA V5-6R2020工作环境，操作方法如下。

1．在Windows系统的【开始】菜单中执行【CATIA P3】/【CATIA P3 V5-6R2020】命令，启动CATIA V5-6R2020，进入CATIA V5-6R2020基础环境，如图1-1所示。

图1-1

2．在基础环境的菜单栏中执行【开始】/【机械设计】/【零件设计】命令，进入零件设计环境；或者在基础环境中单击【标准】工具栏中的【打开】按钮，打开某个零件，进入零件设计环境，如图1-2所示。

图1-2

CATIA各个模块下的用户界面基本一致，主要包括菜单栏、工具栏（包括右工具栏和下工具栏）、指南针、命令提示栏、绘图区和特征树。

1.1.2　工作环境与界面的定制

CATIA允许用户根据自己的习惯和喜好对【开始】菜单、工具栏和命令等进行定制。

【例1-1】定制【开始】菜单。

1．在菜单栏中执行【工具】/【定制】命令，弹出【自定义】对话框，如图1-3所示，该对话框包含【开始菜单】【工具栏】【命令】【选项】4个选项卡。

图1-3

2．在左侧【可用的】列表框中选择需要添加的命令，单击按钮，命令将被添加到右侧的【收藏夹】列表框中，如图1-4所示。

图1-4

3．用同样的方法添加【实时渲染】命令到【收藏夹】列表框中，打开【开始】菜单，可以看到【开始】菜单中的内容已经变更，如图1-5所示。

图1-5

提示：

如果要删除【开始】菜单中的命令，在【自定义】对话框的【收藏夹】列表框中选择相应的命令，单击按钮即可，如图1-6所示。

图1-6

【例1-2】定制工具栏。

【自定义】对话框中的【工具栏】选项卡用于新建、删除和重命名工作台中的工具栏，还可用于向工具栏添加或移除命令。

1．打开【自定义】对话框，切换到【工具栏】选项卡。

2．单击【新建】按钮，弹出【新工具栏】窗口，如图1-7所示。

图1-7

3．在【新工具栏】窗口的【工具栏名称】文本框中输入“D5集成命令”，接着在【工作台】列表框中选择【DELMIA D5集成】工作台，单击【确定】按钮，即可创建新的工具栏，如图1-8所示。

图1-8

新建的工具栏会显示在【工具栏】选项卡的【工具栏】列表框中，如图1-9所示。

图1-9

提示：

如果需要删除工具栏，选中工具栏对应的选项后单击【删除】按钮即可。

在新建工具栏时，可在某个工作台中选择已有的工具栏，对相应工具栏进行重命名，如图1-10所示。

图1-10

新建一个空白的工具栏后若要添加命令，可在【工具栏】选项卡中单击【添加命令】按钮，弹出【命令列表】对话框，如图1-11所示。

图1-11

在【命令列表】对话框中按住Ctrl键选择多个命令，单击【确定】按钮，即可在【D5集成命令】工具栏中添加新命令，如图1-12所示。

图1-12

如果要删除命令，可以单击【自定义】对话框【工具栏】选项卡中的【移除命令】按钮，在弹出的【命令列表】对话框的命令列表中选择需删除的命令，单击【确定】按钮，如图1-13所示。

图1-13

【例1-3】定制命令。

【自定义】对话框中的【命令】选项卡用于为工作台中的工具栏添加或移除命令。【类别】列表框中列出了所有的CATIA工具类别（对应于菜单栏中的所有菜单），【命令】列表框中显示所选菜单的全部命令，可以将命令直接拖到工具栏中，列表框下面显示当前命令的图标和简短描述。

1．新建工具栏后，在【命令】选项卡中选择需要添加的命令，按住鼠标左键将其拖动至新工具栏中即可添加命令，如图1-14所示。

图1-14

2．单击【自定义VR按钮】按钮可以自定义按钮的图标样式。

提示：

用户不能够将命令添加到菜单栏的各菜单中。如果要删除命令，直接从工具栏中拖动命令到工具栏外即可。

3．单击【显示属性】按钮，对话框中增加了【命令属性】选项组，其中显示了当前命令的标题、用户别名、图标等属性，可在其中为当前命令设置快捷键和图标等，如图1-15所示。

图1-15

【例1-4】定制选项。

【自定义】对话框中的【选项】选项卡用于设置CATIA V5-6R2020工具栏的其他属性，如图1-16所示。

图1-16

1．选中【大图标】复选框，工具栏中的各个命令以大图标显示。

2．选中【工具提示】复选框，当鼠标指针移动到命令图标上时，会显示相应命令功能的简短提示。

3．【用户界面语言】下拉列表用于设置用户界面语言，默认为环境语言。修改此项设置后，系统会弹出提示对话框，提示需重新启动CATIA V5-6R2020才能使设置生效，如图1-17所示。

图1-17

4．选中【锁定工具栏位置】复选框，可锁定当前工具栏位置，使用户不能移动工具栏。

1.2　视图与对象的基本操作

CATIA V5-6R2020以鼠标操作为主，用键盘输入数值。执行命令主要是通过单击工具图标来实现的，也可以通过菜单或键盘来执行命令。

在CATIA工作界面中，选中的对象被加亮（显示为橙色）。选择对象时，在绘图区选择与在特征树中选择是相同的，并且是相互关联的。利用鼠标也可以操作视图和特征树，要使视图或特征树成为当前操作的对象，可单击文件窗口右下角的坐标轴图标或特征树。

移动视图最常用的操作，如果每次都通过单击工具栏中的按钮来移动视图，将会浪费很多时间。可以通过鼠标快速地完成视图的移动。

表1-1列出了不同操作对应的鼠标动作及相关描述。

表1-1

1.2.1　利用指南针操作视图

图1-18所示的指南针是一个重要的工具，通过它可以对视图进行旋转、移动等操作。指南针也可用于操作零件。下面简单介绍指南针的基本功能。

图1-18

指南针位于绘图区的右上角，并且总是处于激活状态，可以通过执行【视图】/【指南针】命令来隐藏或显示指南针。使用指南针既可以对特定的模型进行操作，又可以对视点进行操作。

字母x、y、z表示坐标轴，z轴起到定位的作用；靠近z轴的点称为自由旋转把手，用于旋转指南针，旋转指南针时绘图区中的模型将随之旋转；红色方块是指南针操纵把手，用于拖动指南针，可以将指南针置于模型上进行操作，也可以使模型绕该点旋转；指南针底部的xy平面是系统默认的优先平面，也就是基准平面。

提示：

指南针可用于操作未被约束的物体，也可用于操作彼此之间有约束关系但是属于同一装配体的一组物体。

一、视点操作

视点操作是指使用鼠标对指南针进行简单的拖动，从而对绘图区中的模型进行平移或者旋转操作。

1．将鼠标指针移至指南针处，鼠标指针由变为，并且鼠标指针所经过之处、坐标轴、坐标平面的弧形边缘以及平面本身皆会以亮色显示。

2．单击指南针上的轴（此时鼠标指针变为形状）并拖动，绘图区中的模型会沿着相应轴移动，但指南针本身并不会移动。

3．单击指南针上的平面并拖动，绘图区中的模型和空间会在相应平面内移动，但是指南针本身不会移动。

4．单击指南针平面上的弧线并拖动，绘图区中的模型会绕其法线旋转，指南针本身也会旋转，而且鼠标指针离红色方块越近旋转速度越快。

5．单击指南针上的自由旋转把手并拖动，指南针会以红色方块为中心自由旋转，绘图区中的模型和空间会随之旋转。

6．单击指南针上的x、y或z字母，绘图区中的模型将以垂直于对应轴的方向显示，再次单击该字母，视点方向会变为反向。

二、模型操作

可以把指南针拖动到物体上，对物体进行操作。

将鼠标指针移至指南针操纵把手处（此时鼠标指针变为形状），然后拖动指南针至模型上并释放，此时指南针会附着在模型上，且字母x、y、z变为W、U、V，这表示坐标轴不再与文件窗口右下角的绝对坐标系相一致。这时可以按对视点的操作方法对物体进行操作。

在对模型进行操作的过程中，移动的距离和旋转的角度均会在绘图区显示。显示的数据为正，表示与指南针指针的正向相同；显示的数据为负，表示与指南针指针的正向相反。

将指南针恢复到默认位置的方法：拖动指南针操纵把手至模型外，释放鼠标，指南针就会回到绘图区右上角的位置，但是不会恢复为默认的方向。

将指南针恢复到默认方向的方法：将指南针拖动到文件窗口右下角的绝对坐标系处；在拖动指南针离开物体的同时按住Shift键，且先释放鼠标左键；执行【视图】/【重置指南针】命令。

三、编辑

1．将指南针拖动到物体上，右击指南针，弹出图1-19所示的快捷菜单。

图1-19

2．在弹出的快捷菜单中选择【编辑】命令，弹出图1-20所示的【用于指南针操作的参数】对话框。

图1-20

3．利用【用于指南针操作的参数】对话框对模型进行平移和旋转等操作。

● 锁定当前方向：固定目前的视角若要重置指南针的方向，只需再次执行该命令。

● 将优先平面方向锁定为与屏幕平行：指南针的坐标系同当前自定义的坐标系保持一致。如果当前无自定义的坐标系，则与文件窗口右下角的绝对坐标系保持一致。

● 使用局部轴系：指南针的优先平面与屏幕方向平行，这样，即使改变视点或者旋转模型，指南针也不会改变。

● 使VW成为优先平面：使VW平面成为指南针的优先平面，系统默认选用此平面。

● 使WU成为优先平面：使WU平面成为指南针的优先平面。

● 使优先平面最大程度可视：使指南针的优先平面为可见程度最大的平面。

● 自动捕捉选定的对象：使指南针自动移动到指定的未被约束的对象上。

● 编辑：可以实现模型的平移和旋转等操作。

1.2.2　选择对象

在CATIA V5-6R2020中，选择对象的常用方法如下。

直接单击需要选取的对象。

在特征树中单击对象的名称，即可选择对应的对象，被选取的对象会高亮显示。

按住Ctrl键，单击多个对象，可同时选择多个对象。

提示：

在绘图区中单击可以选择某个特征，如图1-21所示。双击则可以选中全部特征，如图1-22所示。

图1-21

图1-22

利用图1-23所示的【选择】工具栏选取对象。

图1-23

【选择】工具栏中按钮的功能如下。

● ❶【选择】：用于选择系统自动判断的元素。

● ❷【几何图形上方的选择框】：用于在特定的几何图形上方显示选择框，并自动拾取元素。

● ❸【矩形选择框】：用于选择被矩形包围的元素。

● ❹【相交矩形选择框】：用于选择与矩形相交的元素。

● ❺【多边形选择框】：用于选择被多边形包围的元素。

● ❻【手绘选择框】：用于选择被任意形状包围的元素。

● ❼【矩形选择框之外】：用于选择矩形外部的元素。

● ❽【相交矩形选择框之外】：用于选择与矩形相交的元素及矩形以外的元素。

搜索工具可以根据用户提供的名称、类型、颜色等信息快速选择对象。在菜单栏中执行【编辑】/【搜索】命令，弹出【搜索】对话框，如图1-24所示。使用搜索工具需要先打开模型文件，然后在【搜索】对话框中输入查找条件，单击【搜索】按钮，对话框下方将显示出符合条件的元素，如图1-25所示。

图1-24

图1-25

提示：

【搜索】对话框中的*是通配符，代表任意字符，可以是一个字符也可以是多个字符。

1.2.3　视图显示与着色显示

三维形体在屏幕上有两种显示方式：视图显示与着色显示。

模型的显示视图一般有7种，包括正视图、背视图、左视图、右视图、俯视图、仰视图和等轴测视图，如表1-2所示。

表1-2

除了上述7种视图外，用户还可以自定义视图。

执行【视图】/【已命名的视图】命令，弹出【已命名的视图】对话框。单击【添加】按钮，可以添加新的视图，如图1-26所示。

图1-26

CATIA V5-6R2020提供了6种着色显示模式，如图1-27所示。图1-28所示为各种着色模式的示例。

图1-27

图1-28

单击【自定义视图参数】按钮，弹出【视图模式自定义】对话框，如图1-29所示。在此对话框中可以对视图的边线和点等进行详细的设置。

图1-29

1.2.4　修改图形属性

用于修改图形属性的工具栏如图1-30所示。

图1-30

选择要修改图形属性的几何对象，在工具栏中设置图形属性，然后单击绘图区的空白处即可。

● ❶【修改几何对象颜色】：单击该下拉列表框，从弹出的下拉列表中选择颜色。

● ❷【修改几何对象的透明度】：单击该下拉列表框，从弹出的下拉列表中选择透明度，100%表示完全不透明。

● ❸【修改几何对象的线宽】：单击该下拉列表框，从弹出的下拉列表中选择线宽。

● ❹【修改几何对象的线型】：单击该下拉列表框，从弹出的下拉列表中选择线型。

● ❺【修改点的样式】：单击该下拉列表框，从弹出的下拉列表中选择点的样式。

● ❻【修改几何对象的着色模式】：单击该下拉列表框，从弹出的下拉列表中选择着色模式。

● ❼【修改几何对象的图层】：单击该下拉列表框，从弹出下拉的列表中选择图层。

提示：

如果下拉列表中没有合适的图层，选择【其他层】选项，弹出图1-31所示的【已命名的层】对话框，在其中建立新的图层即可。

图1-31

● ❽【格式刷】：单击此按钮，可以复制格式（属性）到所选对象。

● ❾【图形属性向导】：单击此按钮，打开【图形属性向导】窗口，可以在其中自定义属性，如图1-32所示。

图1-32

也可以在绘图区中右击某个特征，然后在弹出的快捷菜单中选择【属性】命令，打开【属性】对话框，在此对话框中设置颜色、线型、线宽、图层等属性，如图1-33所示。

图1-33

1.3　AI辅助设计概述

AI已成为一个热门话题，影响着我们生活的方方面面。从基本的机器学习到复杂的神经网络和深度学习，AI技术的发展正改变着众多行业的运作方式。

如今，AI辅助计算机图形设计正逐渐成为现实。许多AI工具被集成到CAD软件中，以执行自动化常规任务、优化设计流程、辅助决策制定等。

1.3.1　学习AI辅助设计应掌握的知识

AI仅是辅助设计工具，它可以帮助设计师提高设计效率，但并不能完全替代设计师完成设计。学习AI辅助设计应掌握的知识如下。

● 熟悉AI和机器学习的基本概念，包括数据处理、模型训练和算法选择等，可以通过在线课程、图书等来学习。

● 了解AI在设计领域的应用和具体案例，尤其是在建筑设计、工程设计和产品设计领域的应用。可以通过阅读行业报告、参与在线讨论和参与相关工作来了解相关应用。

● 熟练掌握设计工具和软件，例如CATIA、AutoCAD、Rhino等。熟练使用这些工具可以帮助用户更好地理解如何整合AI到设计流程中。

● 了解和学习集成了AI的平台的操作方式。这些平台通常提供教程、文档和实践案例，可帮助用户更好地使用AI进行设计。

● 通过参与实际项目（可以是个人项目，也可以是团队项目）或者进行练习来应用所学的AI设计技能。

● AI技术在不断发展，了解其最新的发展方向和技术趋势非常重要。参与行业论坛、相关课程或阅读最新的研究成果可以保持竞争力。

学习AI辅助设计技术需要耐心，并保持持续学习的态度。结合理论知识和实践经验，可以逐步提升自己在这个领域的综合素质。

1.3.2　AI在CATIA中的应用

AI在CATIA中的应用主要有以下几个方面。

（1）AI在CAE（Computer-Aided Engineering，计算机辅助工程）有限元分析和数值模拟仿真的工业软件领域的应用。这些应用可能受到数据集和维度的限制，并且有大量的计算力需求。

（2）AI正在进一步融入创成式设计、自适应用户界面和预测分析等技术细节之中。

（3）在Python中通过CATIA Automation二次开发，实现自动化读取点云数据并建立翼型模型。

（4）CATIA的全新设计方式，Imaging&Shape技术使设计师能够快速绘制各种曲线、曲面和形状，以实现高效的创作和方案迭代。

1.3.3　AI辅助设计工具

近年来，能与CATIA结合使用的AI辅助设计工具主要如下。

一、AI大语言模型

当用户在设计过程中需要了解相关设计信息或其他知识时，可以通过与AI对话，掌握最新的信息。此类工具中最具代表性的有ChatGPT、通义千问、文心一言、Bard、Copilot等，这类AI工具也被称为AI大语言模型。

除了语言文字交流功能外，部分AI大语言模型还具备图像生成功能、视频生成功能、数据分析功能及PPT制作功能等。

二、AI图像生成大模型

AI图像生成大模型是一种利用AI技术，根据文本或其他输入，自动生成逼真的图像的模型。这类模型通常基于深度神经网络（如Transformer、扩散模型）进行大规模的预训练和微调，以提高图像生成的质量和多样性。

AI图像生成大模型的应用领域非常广泛，包括游戏制作、动画制作、设计、教育等。它也可以与其他模态（如文本、音频、视频、3D模型等）的生成模型结合，实现更丰富的创作效果。目前，知名的AI图像生成大模型主要有以下几个。

● Midjourney：Midjourney是一款由Leap Motion开发的AI图像生成大模型，它可以根据用户输入的文字描述，自动生成逼真的图像。它利用深度学习的技术，如Transformer和扩散模型，来进行大规模的预训练和微调，以提高生成的图像的质量和多样性，Midjourney有很多应用场景，例如游戏、动画、艺术、设计、教育等。它也可以与其他模态的生成模型结合，如文本、音频、视频、3D模型等，实现更丰富的创作效果。

● DALL-E 3：由OpenAI公司开发，能够根据文本描述生成相应的图像。DALL-E 3有很多应用场景，例如游戏、动画、艺术、设计、教育等。它也可以与其他模态的生成模型（如文本、音频、视频、3D模型）结合，实现更丰富的创作效果。

● Imagen：由谷歌开发，基于Transformer模型，能够利用预训练语言模型中的知识从文本生成图像。

● Stable Diffusion：由慕尼黑大学的CompVis小组开发，基于潜在扩散模型，能够通过在潜在表示空间中迭代去噪来生成图像。

● 通义万相：由阿里云开发的AI图像生成大模型，它可以根据用户输入的文字内容生成符合语义描述的不同风格的图像，或者根据用户输入的图像生成其他用途的图像。

● 文心一格：文心一格是百度依托飞桨、文心大模型的技术创新推出的AI艺术和创意辅助平台，该平台定位为面向有设计需求和创意的人群，基于文心大模型智能生成多样化AI创意图片，辅助创意设计，突破创意瓶颈。