由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的快速發(fā)展，由此衍生出的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)技術(shù)有著突破性的推動(dòng)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(jì)達(dá)到一個(gè)前所未有的高度。經(jīng)過(guò)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，三維CAD市場(chǎng)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(jì)，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(dú)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(jì)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(shuō)在進(jìn)行三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的時(shí)候，軟件會(huì)自動(dòng)記錄每一個(gè)步驟的建模順序、所輸入的建模參數(shù)，這對(duì)后期數(shù)據(jù)修改非常重要，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整的時(shí)候，我們并不需要重新建模，而是在原來(lái)的步驟和參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，重新更改設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)變更的目的。這種參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法革命性地提高了設(shè)計(jì)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(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。非參架構(gòu)僅僅局限在一些專(zhuān)業(yè)構(gòu)面逆向軟件如：ICEMSURF、IMAGEWARE等。參數(shù)化設(shè)計(jì)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(guò)多年的設(shè)計(jì)運(yùn)用，參數(shù)化設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。我們?cè)谑芤嬗趨?shù)化設(shè)計(jì)帶來(lái)便利的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這種基于歷史的參數(shù)化設(shè)計(jì)并不完美。最明顯的問(wèn)題就是：
(1)設(shè)計(jì)引用
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)以相關(guān)特征面上的點(diǎn)、線(xiàn)、面為參考進(jìn)行造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也就是作為臨時(shí)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，這樣后續(xù)設(shè)計(jì)步驟就存在與所引用的點(diǎn)、線(xiàn)、面的一種依附關(guān)系，也就是通常所說(shuō)的“父”、“子”關(guān)系。一旦在設(shè)計(jì)后期要對(duì)前面的“父”進(jìn)行更改甚至是刪除，那么由“父”而衍生出來(lái)的“子”（其他特征）就會(huì)發(fā)生建模邏輯上的混亂，在更改后進(jìn)行模型的重新生成時(shí)往往會(huì)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(guò)程都是一個(gè)基于歷史的過(guò)程。特征創(chuàng)建時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)賦予它一個(gè)時(shí)間戳記，當(dāng)修改物體時(shí)，更新將由時(shí)間戳記的順序控制。如果設(shè)計(jì)的零部件結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，在進(jìn)行零部件后期修改時(shí)，用于特征重構(gòu)的時(shí)間和幾何轉(zhuǎn)換的時(shí)間就會(huì)變得很長(zhǎng)，每進(jìn)行一次特征修改，后面的特征都會(huì)進(jìn)行一次重新生成，嚴(yán)重浪費(fèi)了設(shè)計(jì)人員的時(shí)間，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率極為不利。
另外還有一種情況長(zhǎng)期困擾工程設(shè)計(jì)人員，就是第三方數(shù)據(jù)的快速有效地修改。一般設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)修改或者數(shù)據(jù)部分重用，進(jìn)展就比較緩慢了，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)與非參數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)構(gòu)成上面是完全隔離開(kāi)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(wèn)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(gè)基于特征的建模技術(shù)，這種技術(shù)第一個(gè)支持基于歷史和獨(dú)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(shí)不考慮模型構(gòu)建的順序，更改操作是基于實(shí)時(shí)的尺寸驅(qū)動(dòng)，沒(méi)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(jìn)行摩托車(chē)油箱裝飾板支耳的設(shè)計(jì)過(guò)程中，支耳面的修改從右邊的特征導(dǎo)航表中可以看出其特征編號(hào)為68，即為此產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第68步。從圖2可以看出目前產(chǎn)品特征編號(hào)為601，此時(shí)如果發(fā)現(xiàn)先前68步設(shè)計(jì)的特征不妥，要進(jìn)行修改，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法直接點(diǎn)擊Trim Body(68)按彈出的參數(shù)菜單進(jìn)行設(shè)計(jì)修正，完成后軟件進(jìn)行重新計(jì)算(REDO)。隨著結(jié)尾編號(hào)越往后，每次更改編號(hào)靠前的特征，重算的時(shí)間會(huì)顯著增加，重算出錯(cuò)的機(jī)會(huì)也會(huì)增加。
圖1 油箱裝飾板
圖2 參數(shù)導(dǎo)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(hào)特征上進(jìn)行更改；(2)綜合運(yùn)用特征操作(Feature Operation)、直接建模(Direct Modeling)等進(jìn)行特征修改。修改的過(guò)程非常繁瑣，耗費(fèi)設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和精力。由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在諸多缺點(diǎn)，SIEMENS PLM事業(yè)部提出了全新的設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)比。
對(duì)圖1支耳按Z方向（向上）移動(dòng)5mm，按NX4及以前的版本，完成目標(biāo)分如下幾步：
①通過(guò)變換坐標(biāo)，構(gòu)建草圖，構(gòu)建切割平面；
②切割實(shí)體，進(jìn)行曲面替換、延伸剪切等實(shí)體變換；
③向Z方向移動(dòng)支耳，進(jìn)行布爾求和運(yùn)算；
④完成目標(biāo)。
從圖3可以看出，要完成此目標(biāo)，我們共進(jìn)行了27步操作，完成了支耳向Z向移動(dòng)5mm的動(dòng)作。
圖3 步驟對(duì)比
下面再來(lái)看看使用NX7.0的基于History Mode的同步建模達(dá)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(dòng)方向，在Distance欄輸入距離5mm即可完成。再看看右邊的特征導(dǎo)航器，到Move Face完成，后面的編號(hào)為601，也就是說(shuō)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)突破性技術(shù)飛躍。
圖4 基于歷史的同步建模
2 獨(dú)立于歷史的建模模式
現(xiàn)代設(shè)計(jì)是一個(gè)數(shù)據(jù)大協(xié)同、數(shù)據(jù)大共享的時(shí)代，在進(jìn)行一個(gè)龐大項(xiàng)目時(shí)，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(méi)有參數(shù)的。對(duì)這些沒(méi)有參數(shù)的特征，要進(jìn)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(guò)實(shí)體切割、偏置、復(fù)制、移動(dòng)、布爾運(yùn)算等手段完成設(shè)計(jì)更改。而運(yùn)用同步建模技術(shù)往往只需要1-2個(gè)命令就可以解決。通常我們利用History-Free Mode進(jìn)行幾何或者尺寸上的實(shí)時(shí)編輯。同步建模沒(méi)有時(shí)間戳記，僅對(duì)產(chǎn)生同步特征的命令建立表達(dá)式，更重要的是沒(méi)有整體特征的更新或特征回放。
如圖5產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)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(xiàng)目總設(shè)計(jì)師進(jìn)行裝配驗(yàn)證和相關(guān)檢查，如干涉檢查、運(yùn)動(dòng)分析等。檢查結(jié)果不符合要求就要進(jìn)行修改。
圖5 設(shè)計(jì)項(xiàng)目組構(gòu)成
下面來(lái)看看使用CATIA V5完成某踏板車(chē)前擋風(fēng)板部件數(shù)據(jù)，分別應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和同步建模（如圖6）對(duì)其進(jìn)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(chē)、摩托車(chē)行業(yè)常用的中性格式的實(shí)體文件。從圖7左邊的特征導(dǎo)航器中可以看出輸入NX7.0的踏板車(chē)前擋風(fēng)板是一個(gè)沒(méi)有參數(shù)和歷史的數(shù)據(jù)，也就是此數(shù)據(jù)是獨(dú)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(yíng)處沒(méi)有按設(shè)計(jì)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(tái)特征；②移動(dòng)凸臺(tái)至正確位置；③修正切割后凸臺(tái)殘留特征；④延伸凸臺(tái)至件2本體，修剪凸臺(tái)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(tái)特征加在件2上面成為一個(gè)完整實(shí)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(guò)Pull Face或者M(jìn)ove 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(guò)以上對(duì)比可以看出使用同步建模技術(shù)對(duì)獨(dú)立于歷史的非參數(shù)據(jù)的修改，顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，較之傳統(tǒng)建模方法顯著提高了設(shè)計(jì)效率。
3 結(jié)語(yǔ)
對(duì)同一零部件上的特征修改我們使用了兩種方法進(jìn)行對(duì)比，從中可以看出使用同步建模方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)修改特別是后期數(shù)據(jù)修改，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)特征建模方式。正如Liebert公司的Jack Beeckman所說(shuō)“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(jì)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(dú)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(biāo)題：產(chǎn)品設(shè)計(jì)中同步建模技術(shù)與傳統(tǒng)建模技術(shù)的對(duì)比分析
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