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

冉險生 林 立

（重慶交通大學，重慶 400074）

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

冉險生 林 立

（重慶交通大學，重慶 400074）

在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計工程中，復雜的設(shè)計分工，使設(shè)計人員獲得數(shù)據(jù)的渠道變得多種多樣。傳統(tǒng)設(shè)計方法費時費力且效率不高，非參數(shù)據(jù)的重用和更改也一直是困擾設(shè)計人員多年的問題。一種新型的建模方法——同步建模（Synchronous Modeling）克服了傳統(tǒng)建模方法的缺點，提出了基于特征的快速模型修改，并在UGNX7.0中得到廣泛應(yīng)用。

產(chǎn)品設(shè)計 同步建模 傳統(tǒng)建模

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（CADCAMCAE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、UGNX、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）；UGNX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)［1－2］。

不管是PRO/E的參數(shù)化設(shè)計還是CATIA、UGNX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［3］。

（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［4］。如果設(shè)計的零部件結(jié)構(gòu)過于復雜，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，UGNX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)（Synchronous 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－Free Mode）［5］。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。

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 方向（向上）移動5 mm，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 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 向移動5 mm的動作。

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5 mm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。

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、UGNX、CATIA）不外乎都是通過實體切割、偏置、復制、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［5］。

如圖5產(chǎn)品設(shè)計項目組，組成人員中有人使用UGNX、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。

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［6］。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。

在裝配檢查中我們發(fā)現(xiàn)件1、件2在 處沒有按設(shè)計要求做成0間隙（如圖8），而是有 1.078 9 mm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。

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1.078 9 mm完成數(shù)據(jù)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。

［1］http：//www.ptc.com/products/proengineer/granite－ interoperabilitykernel

［2］http：//www.plm.automation.siemens.com/en_us/Images/3847_tcm1023 －7382.pdf

［3］張幼軍，王世杰.UG CAD/CAM 基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［4］趙波，張琴.UGNX2相關(guān)參數(shù)化設(shè)計培訓教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［5］洪如瑾.UG NX6同步建模技術(shù)培訓教程［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［6］陳鑫，林逸.車身CAD技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2005.

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Comparative Analysis between Synchronous Modeling Techniques and Traditional Modeling Techniques in Product Design

RAN Xiansheng，LIN li
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，CHN）

In new product development and design engineering，complex design division of labor，allowing designers to get access to a wide variety of data sources，the traditional design method is time－consuming and inefficient，the reusing and modification of non－parametric data have been plagued designers for many years.A new kind of modeling approach——synchronous modeling which overcomes the shortcomings of the traditional modeling methods and proposed feature－based rapid modifications has been widely applied in UGNX7.0.

Product Design；Synchronous Modeling；Traditional Modeling

冉險生，男，1971年生，講師，主要研究方向：現(xiàn)代交通工具設(shè)計方法、車輛造型技術(shù)，已發(fā)表論文8篇。

（編輯 譚弘穎） （

2010－02－22）

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