由于計算機圖形學的快速發(fā)展，由此衍生出的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計對傳統(tǒng)二維設(shè)計技術(shù)有著突破性的推動作用，特別是三維CAX(CAD\CAM\CAE等)技術(shù)的廣泛應(yīng)用更是使產(chǎn)品設(shè)計達到一個前所未有的高度。經(jīng)過激烈的市場競爭，三維CAD市場形成了以PRO/E、NX、CATIA為核心的軟件集成。三種軟件提出的建模理論和概念各不相同：PRO/E首創(chuàng)參數(shù)化設(shè)計，以GRANITE為幾何建模內(nèi)核(Kernel)；NX提出混合建模技術(shù)，以PARASOLID為幾何內(nèi)核；CATIA是以自己獨有的核心為幾何內(nèi)核的混合建模技術(shù)。
不管是PRO/E的參數(shù)化設(shè)計還是CATIA、NX的混合建模其核心都是參數(shù)化技術(shù)，是一種基于建模歷史的參數(shù)化技術(shù)。也就是說在進行三維數(shù)據(jù)設(shè)計的時候，軟件會自動記錄每一個步驟的建模順序、所輸入的建模參數(shù)，這對后期數(shù)據(jù)修改非常重要，但在設(shè)計過程中進行設(shè)計調(diào)整的時候，我們并不需要重新建模，而是在原來的步驟和參數(shù)的基礎(chǔ)上進行修正，重新更改設(shè)計參數(shù)，進而達到設(shè)計變更的目的。這種參數(shù)化的設(shè)計方法革命性地提高了設(shè)計效率，以至于現(xiàn)在絕大部分三維軟件都使用參數(shù)化、變量化（參數(shù)化的變種之一）進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。非參架構(gòu)僅僅局限在一些專業(yè)構(gòu)面逆向軟件如：ICEMSURF、IMAGEWARE等。參數(shù)化設(shè)計從最先PTC公司提出到目前已經(jīng)有20年左右的歷史，經(jīng)過多年的設(shè)計運用，參數(shù)化設(shè)計已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。我們在受益于參數(shù)化設(shè)計帶來便利的同時也發(fā)現(xiàn)這種基于歷史的參數(shù)化設(shè)計并不完美。最明顯的問題就是：
(1)設(shè)計引用
在產(chǎn)品設(shè)計過程中經(jīng)常會以相關(guān)特征面上的點、線、面為參考進行造型結(jié)構(gòu)設(shè)計，也就是作為臨時設(shè)計基準，這樣后續(xù)設(shè)計步驟就存在與所引用的點、線、面的一種依附關(guān)系，也就是通常所說的“父”、“子”關(guān)系。一旦在設(shè)計后期要對前面的“父”進行更改甚至是刪除，那么由“父”而衍生出來的“子”（其他特征）就會發(fā)生建模邏輯上的混亂，在更改后進行模型的重新生成時往往會以失敗告終。
(2)建模歷史
以往不管參數(shù)化還是以參數(shù)化為核心的混合建模，其建模過程都是一個基于歷史的過程。特征創(chuàng)建時，系統(tǒng)自動賦予它一個時間戳記，當修改物體時，更新將由時間戳記的順序控制。如果設(shè)計的零部件結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在進行零部件后期修改時，用于特征重構(gòu)的時間和幾何轉(zhuǎn)換的時間就會變得很長，每進行一次特征修改，后面的特征都會進行一次重新生成，嚴重浪費了設(shè)計人員的時間，對提高設(shè)計效率極為不利。
另外還有一種情況長期困擾工程設(shè)計人員，就是第三方數(shù)據(jù)的快速有效地修改。一般設(shè)計人員獲得的最終第三方數(shù)據(jù)都是非參數(shù)據(jù)(Unparameters Data)。如果我們要利用非參數(shù)據(jù)進行設(shè)計修改或者數(shù)據(jù)部分重用，進展就比較緩慢了，因為傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計與非參數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)構(gòu)成上面是完全隔離開的。如何快速修改非參數(shù)據(jù)一直是參數(shù)化技術(shù)的瓶頸。
基于上述問題，NX在其6.0及以后的版本推出了能突破目前參數(shù)化瓶頸的同步建模技術(shù)(Syn-chronous Modeling)。所謂同步建模技術(shù)是一個基于特征的建模技術(shù)，這種技術(shù)第一個支持基于歷史和獨立于歷史兩種模式(History Mode and History-FreeMode)。同步建模的核心是修改模型時不考慮模型構(gòu)建的順序，更改操作是基于實時的尺寸驅(qū)動，沒有數(shù)據(jù)的特征回放。
1 基于歷史的建模
以圖1為例，在進行摩托車油箱裝飾板支耳的設(shè)計過程中，支耳面的修改從右邊的特征導航表中可以看出其特征編號為68，即為此產(chǎn)品設(shè)計的第68步。從圖2可以看出目前產(chǎn)品特征編號為601，此時如果發(fā)現(xiàn)先前68步設(shè)計的特征不妥，要進行修改，傳統(tǒng)設(shè)計方法直接點擊Trim Body(68)按彈出的參數(shù)菜單進行設(shè)計修正，完成后軟件進行重新計算(REDO)。隨著結(jié)尾編號越往后，每次更改編號靠前的特征，重算的時間會顯著增加，重算出錯的機會也會增加。
圖1 油箱裝飾板
圖2 參數(shù)導航器
傳統(tǒng)模式中更改以前的特征通常使用兩種方法：(1)直接在68號特征上進行更改；(2)綜合運用特征操作(Feature Operation)、直接建模(Direct Modeling)等進行特征修改。修改的過程非常繁瑣，耗費設(shè)計人員的時間和精力。由于傳統(tǒng)設(shè)計方法存在諸多缺點，SIEMENS PLM事業(yè)部提出了全新的設(shè)計理念：基于歷史的同步建模模式(History Mode)直接修改相關(guān)參數(shù)化模型。下面我們分別使用傳統(tǒng)模式和同步模式兩種方法來進行設(shè)計對比。
對圖1支耳按Z方向（向上）移動5mm，按NX4及以前的版本，完成目標分如下幾步：
①通過變換坐標，構(gòu)建草圖，構(gòu)建切割平面；
②切割實體，進行曲面替換、延伸剪切等實體變換；
③向Z方向移動支耳，進行布爾求和運算；
④完成目標。
從圖3可以看出，要完成此目標，我們共進行了27步操作，完成了支耳向Z向移動5mm的動作。
圖3 步驟對比
下面再來看看使用NX7.0的基于History Mode的同步建模達到上述目的所需要的步驟(如圖4)；使用同步建模(Synchronous Modeling)模塊的Move Face，在方向欄選定移動方向，在Distance欄輸入距離5mm即可完成。再看看右邊的特征導航器，到Move Face完成，后面的編號為601，也就是說使用同步建模的Move Face命令，一步即可完成以前要27步才能完成的任務(wù)。并且保留了原始數(shù)據(jù)的參數(shù)特征，這對產(chǎn)品設(shè)計來說是一個突破性技術(shù)飛躍。
圖4 基于歷史的同步建模
2 獨立于歷史的建模模式
現(xiàn)代設(shè)計是一個數(shù)據(jù)大協(xié)同、數(shù)據(jù)大共享的時代，在進行一個龐大項目時，不可避免地接受各方面、各種格式的三維數(shù)據(jù)，從外界得到的數(shù)據(jù)絕大部分都是沒有參數(shù)的。對這些沒有參數(shù)的特征，要進行修改或者數(shù)據(jù)重用，傳統(tǒng)方法(PRO/E、NX、CATIA)不外乎都是通過實體切割、偏置、復(fù)制、移動、布爾運算等手段完成設(shè)計更改。而運用同步建模技術(shù)往往只需要1-2個命令就可以解決。通常我們利用History-Free Mode進行幾何或者尺寸上的實時編輯。同步建模沒有時間戳記，僅對產(chǎn)生同步特征的命令建立表達式，更重要的是沒有整體特征的更新或特征回放。
如圖5產(chǎn)品設(shè)計項目組，組成人員中有人使用NX、有人使用CATIA、有人使用PRO/E，相關(guān)零部件完成后，都需要提交給項目總設(shè)計師進行裝配驗證和相關(guān)檢查，如干涉檢查、運動分析等。檢查結(jié)果不符合要求就要進行修改。
圖5 設(shè)計項目組構(gòu)成
下面來看看使用CATIA V5完成某踏板車前擋風板部件數(shù)據(jù)，分別應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計方法和同步建模（如圖6）對其進行結(jié)構(gòu)修改。首先我們獲得的是CATIA輸出的STP格式的文件，這是一種汽車、摩托車行業(yè)常用的中性格式的實體文件。從圖7左邊的特征導航器中可以看出輸入NX7.0的踏板車前擋風板是一個沒有參數(shù)和歷史的數(shù)據(jù)，也就是此數(shù)據(jù)是獨立于歷史的。
圖6 同步建模模塊
圖7 非參數(shù)據(jù)的輸入
在裝配檢查中我們發(fā)現(xiàn)件1、件2在A處沒有按設(shè)計要求做成0間隙(如圖8)，而是有1.0789mm的間隙。更改方法一：①在數(shù)據(jù)a-a處切割件2凸臺特征；②移動凸臺至正確位置；③修正切割后凸臺殘留特征；④延伸凸臺至件2本體，修剪凸臺特征末端曲面使之與件2相應(yīng)曲面完美配合；⑤布爾求和將凸臺特征加在件2上面成為一個完整實體。
圖8 裝配分析
更改方法二：使用同步建模技術(shù)選擇好需要變化的Face如圖9，通過Pull Face或者Move Face命令確定矢量方向，輸入間隙值1.0789mm完成數(shù)據(jù)修改。
圖9 基于同步建模的模型修改
通過以上對比可以看出使用同步建模技術(shù)對獨立于歷史的非參數(shù)據(jù)的修改，顯示出強大的優(yōu)勢，較之傳統(tǒng)建模方法顯著提高了設(shè)計效率。
3 結(jié)語
對同一零部件上的特征修改我們使用了兩種方法進行對比，從中可以看出使用同步建模方法來進行數(shù)據(jù)修改特別是后期數(shù)據(jù)修改，其效率遠遠高于傳統(tǒng)特征建模方式。正如Liebert公司的Jack Beeckman所說“同步建模技術(shù)改變了人們利用CAD的方法，更重要的是，它使設(shè)計者有更多的精力去考慮他們想要在模型中創(chuàng)建什么，而不是考慮怎樣去建模”。這種可獨立于建模歷史的構(gòu)建技術(shù)是CAD技術(shù)今后發(fā)展的主要方向。
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本文標題：產(chǎn)品設(shè)計中同步建模技術(shù)與傳統(tǒng)建模技術(shù)的對比分析
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