2012年11月22-23日，“第八屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會”在深圳隆重召開。本屆峰會的主題為“數(shù)字化技術(shù)驅(qū)動產(chǎn)品創(chuàng)新”。在22日下午的“數(shù)字化設(shè)計與制造一體化”技術(shù)論壇上，e-works PLM編輯部主任涂彬做了題為“2012三維CAD技術(shù)發(fā)展趨勢分析” 的精彩演講，本文是對涂主任演講內(nèi)容的整理。論壇由e-works合作總監(jiān)陳同江主持。
e-works PLM編輯部主任 涂彬
1 三維建模技術(shù)的創(chuàng)新與融合
近幾年，三維CAD在國內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，企業(yè)中三維CAD替代二維CAD的趨勢明顯。 同時，CAD廠商也在根據(jù)用戶需求不斷完善CAD軟件的三維設(shè)計功能。三維建模技術(shù)經(jīng)歷了從線框建模、實體/曲面建模到特征建模等發(fā)展過程。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，又出現(xiàn)了直接建模、同步技術(shù)等多種新的先進(jìn)建模技術(shù)，并逐步走向融合。設(shè)計師因此有了更多新的建模手段，從而實現(xiàn)快速的設(shè)計變更和系列化產(chǎn)品設(shè)計。 圖1為三維建模技術(shù)的發(fā)展路線。
圖1 三維建模技術(shù)的發(fā)展路線
三維實體造型技術(shù)的核心包括CSG（Constructive Solid Geometry）和B-REP模型。CSG表達(dá)建模的順序過程，B-REP是三維模型的點、線、面、體信息，即造型結(jié)果的三維實體信息。特征造型技術(shù)是在CSG的基礎(chǔ)上，添加了特征樹的概念，今天流行的各個主流的基于特征造型三維機械CAD系統(tǒng)的核心原理；直接建模的核心是只有B-REP信息，沒有CSG信息，它不考慮造型的順序，所以可以隨便修改模型的點、線、面、體，無需考慮保持特征樹的有效性，不受到造型順序的制約；同步技術(shù)將特征建模和直接建模相結(jié)合，實現(xiàn)在三維環(huán)境下，進(jìn)行尺寸驅(qū)動（或者叫參數(shù)化設(shè)計，Parametric Design）及伸展變形（Stretch）的三維造型方法和約束求解技術(shù)，既保留零件的實體特征信息，又能實現(xiàn)尺寸驅(qū)動，還能使基于特征的無參數(shù)建模和基于特征的參數(shù)建模的完美兼容，實現(xiàn)三維模型的迅速修改，從而達(dá)到快速變更設(shè)計模型和產(chǎn)品系列化設(shè)計的目的。
為了使設(shè)計更加的方便、快捷，易于修改，目前市場上主流三維CAD基本融合以上建模技術(shù)中的兩種或幾種建模方式。Siemens PLM Software率先在PLM行業(yè)內(nèi)發(fā)布同步技術(shù)，形成了直接建模、特征建模、曲面建模和同步技術(shù)多種建模方式；PTC收購直接建模工具Cocreate后，整合推出了Creo Direct應(yīng)用，將Cocreate的直接建模功能融入到Creo平臺中，實現(xiàn)了參數(shù)化建模與直接建模的融合；SolidWorks 2012版本中將基于歷史的參數(shù)化建模和直接建模是這兩種技術(shù)有機的融合在一起，既沿用參數(shù)化技術(shù)的特點同時也與直接建模技術(shù)相結(jié)合；Autodesk Inventor Fusion也具備了直接建模功能，能夠自由、快速地更改設(shè)計，并將直接流程與參數(shù)化流程結(jié)合到了 Autodesk Inventor 軟件創(chuàng)建的單個數(shù)字化模型之中。
2 三維CAD技術(shù)發(fā)展趨勢
2.1 集成一體化的CAE/CAM和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理功能
很多企業(yè)雖然在整個流程中引入了CAD/CAE/CAM和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理功能，但往往由于各個軟件系統(tǒng)之間相互孤立而沒有發(fā)揮其應(yīng)有的價值，主要表現(xiàn)為：引進(jìn)非集成的專業(yè)CAE/CAM工具，意味著設(shè)計人員需要重新掌握新的一套軟件，造成工作效率的降低；數(shù)據(jù)格式之間相互獨立且不容易轉(zhuǎn)換，影響了與CAD軟件之間的數(shù)據(jù)溝通，無法構(gòu)成設(shè)計、分析、加工的循環(huán)創(chuàng)新體系；引入獨立的CAE/CAM工具是一筆巨大的成本支出，性價比較低。鑒于以上的原因，很多廠商考慮將CAD/CAE/CAM集成于一體，提供完整的PLM解決方案。這種集成方案的優(yōu)勢在于：1.數(shù)據(jù)的無損失性和相關(guān)性；2.直接地將工程分析和加工驗證結(jié)果反饋到設(shè)計中去，快速評估，減少物理樣機測試；3.一體化的數(shù)據(jù)和流程管理，可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的安全性及可追溯性。
CAD/CAM/CAE一體化代表性的廠商包括PTC、達(dá)索系統(tǒng)、Simense PLM等。PTC公司的Creo Simulate提供結(jié)構(gòu)分析和熱分析兩個仿真分析模塊，既可作為獨立軟件使用，也可集成在Creo Parametric的統(tǒng)一界面環(huán)境下執(zhí)行其功能；達(dá)索系統(tǒng)的ABAQUS for CATIA使用戶可以在CATIA內(nèi)部直接調(diào)用ABAQUS求解器進(jìn)行機械、熱和熱固耦合等分析，SolidWorks在仿真方面依靠與SolidWorks Simulation的完全集成，使仿真界面、仿真流程無縫融入到SolidWorks的設(shè)計過程中，提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析，如圖2所示；Simense PLM旗下的NX8.0和Solid Edge ST5中也都有相應(yīng)的仿真解決方案，如圖3、4所示。
圖2 SolidWorks 2012 強度剛度分析
圖3 NX8 Simulation 氣流分析
圖4 Solid Edge ST5 Simulation穩(wěn)態(tài)熱分析
2.2 機、電、軟一體化協(xié)同設(shè)計
機械電子幾乎貫穿所有的機械產(chǎn)品中，設(shè)計人員不僅要處理機械、電子的設(shè)計問題，更要處理機械電子的集成問題，也就是機電一體化協(xié)同的問題。 機電一體化概念設(shè)計解決方案MCD（Mechatronics Concept Designer），協(xié)同運用機械原理、電氣原理和自動化原理，加快設(shè)計交付速度、減少設(shè)計流程后期的集成問題。 三維PCB板設(shè)計，實現(xiàn)MCAD和ECAD的交互，并集成電路板的熱分析，確保設(shè)計質(zhì)量。 電纜設(shè)計，涵蓋了電氣元器件的定義和管理，電氣原理的輸入和走線布局，以及最終線纜生產(chǎn)文檔的輸出。在產(chǎn)品日趨復(fù)雜和客戶要求越來越高的雙重壓力下，制造企業(yè)特別是高科技電子企業(yè)必須同時使用設(shè)計工具組（EDA、ECAD、MCAD），才能更好地實現(xiàn)MCAD與ECAD的交互，更快地傳遞設(shè)計變更，讓機械工程師和電氣工程師得以暢通的交流，從而保證設(shè)計地高效和精確。在機電一體化設(shè)計方面代表性的廠商如PTC，PTC的Creo中的ECAD-MCAD Collaboration Extension模塊可以幫助改善電氣和機械設(shè)計師之間的設(shè)計協(xié)作，改善機電詳細(xì)設(shè)計過程、減少協(xié)作錯誤，使機械工程師在提出變更建議之前能夠更好地了解對電氣設(shè)計的影響，更快速地傳遞設(shè)計變更。
2.3 三維CAD應(yīng)用體驗的改善
三維CAD廠商從關(guān)注功能到關(guān)注用戶體驗轉(zhuǎn)變 ，如Simense PLM的全息3D技術(shù)（HD3D）提供了可視化的模型和信息，如圖5所示；達(dá)索“3D EXPERIENCE（3D體驗）”理念通過3D的方式構(gòu)建一個完整的逼真體驗環(huán)境，包括虛擬設(shè)計、虛擬仿真、虛擬制造、虛擬運行、虛擬維修；中望3D 2012中，為了改善用戶體驗加入了全新的Ribbon界面以及Windows操作風(fēng)格，同時為用戶提供豐富的界面定制功能，滿足了個性化需求。
圖5 全息3D技術(shù)（HD3D）
2.4 滿足不同行業(yè)的設(shè)計需求
每個行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用都是有其行業(yè)特點和特殊需求，針對專業(yè)行業(yè)領(lǐng)域需要更有針對性行業(yè)解決方案。 山大華天的 SINOVATION針對鑄造和沖壓提供了專門的解決方案，如圖6、7所示。中望3D 2012 全流程塑膠模具解決方案，可以自動分析型芯型腔 ，提供了豐富的DME\HASCO\MISUMI等標(biāo)準(zhǔn)模架與配件庫，滿足了塑膠模具行業(yè)的設(shè)計需求，有效提高模具設(shè)計人員的工作效率。
圖6 SINOVATION鑄造工藝CAD設(shè)計系統(tǒng)
圖7 SINOVATION沖壓解決方案
除了以上幾點外，云計算、移動應(yīng)用也在三維CAD領(lǐng)域興起，以AutoDesk為首的各大主流CAD廠商積極試水云計算，并在CAD的移動應(yīng)用方面逐漸興起。最后，對各三維CAD軟件的新功能進(jìn)行了歸納介紹，如圖8所示。
圖8 各三維CAD新功能介紹
本文根據(jù)e-works PLM編輯部主任涂彬在“2012年產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化峰會CAD/CAM一體化”論壇的發(fā)言錄音整理，已經(jīng)本人確認(rèn)！
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