基于UG的三维CAD同步建模技术研究

   　 1 引言

    　计算机辅助设计(CAD)的演变在其45年的发展历史中经历了巨大变革。从二维数字绘图媒介到三维世界建模，其不断的技术革新促进了制造业的飞速发展。随着参数建模以及嵌入在基于顺序历史记录架构中的模型特征概念的出现，现代大量商业CAD应用程序都采用了参数化、特征、基于历史记录的设计方法，这种传统的设计系统在更改特征时必须接受从历史记录编辑点开始重新生成整个模型所导致的性能损失。

    　同步建模技术于2008年被推出，该技术实时检查产品模型当前的几何条件，并将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并在一起，以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无需重复全部历史记录。这是三维CAD设计历史中的一个里程碑，是CAD技术的一个成熟的、突破性的飞跃。
 
    　2 同步建模技术概述

    　传统基于有序历史记录的CAD设计系统中，在需要对历史特征进行编辑或进行添加、变更的任何时候，系统都需要删除所有后续几何特征，回复模型到目标特征再进行变更，然后重新执行目标特征的后续特征来重新建立模型，即自动更新该目标特征的依赖特征部分。这在大型复杂的模型中，特征损失可能非常巨大，目标特征在顺序历史记录中列得越早，其后所涉及的相关依赖特征就越多，则对性能的影响就越大。如图l所示，当需要对图中所示曲线进行编辑直径的操作，右边区域特征需要重新更新的可能性有多大，这很难确定。因为只有初始创建者才能够记住用于创建模型的设计战略，而且设计时间是在近期的情况下才记得住。否则设计人员必须接受从目标特征编辑点开始重新生成整个模型所导致的性能损失。

图1 复杂零件模型编辑

    　同步建模技术快速捕捉设计意图，其捕捉构思的速度与用户构思的速度一样快，使几何图形和设计规则保持同步，提供了第一个无历史记录、基于特征的建模技术，突破了基于历史记录的设计系统固有架构障碍，同步建模技术系统实时识别产品模型当前的几何条件，这些条件将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并一起以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，使模型重建仅局限于使模型的几何条件保持正确所必要的那部分，无需重复全部历史记录。

    　可以设想同步建模技术这样带来的性能影响和设计灵活性，进行编辑而无需重新生成整个模型，因为同步建模技术实时发现、定位和解析依赖关系。设计人员不必再研究和揭示复杂的约束关系以便了解如何进行模型编辑，他们也不用担心编辑的下游牵连，可以想象为产品开发复杂性带来的正面利益。

  　  基于此技术，产品制造公司能够在更短开发周期的基础上缩短实现收入的时间；更加易于处理预期内和未预期的产品变更；更容易处理不是他们初始创建的产品模型；获得更好的功能来迅速开发更多的设计；实现更加便宜的产品和更快的上市时间。

  　  3 技术分析

    　想要了解同步建模技术的力量并且全面评估它将对行业产生的影响，需要在逐个示例的基础上进行更加深人的探讨。

   　 (1)特征树型结构变为特征集 任何基于历史记录的CAD设计应用程序，都有一个包含严格顺序的有序特征树型结构，树型结构中的每个项目都称为模型特征，该树型结构是模型特征构建顺序的历史记录。当在树型结构中引用一个现有特征来创建一个新特征，并添加相关约束的时候，特征树型结构就会嵌套到更深层级。这两个特征通常称为父/子结构关系，子结构依赖于父结构的存在。如图2作为一个经典例子表示了这种父/子依赖关系的细微差别。

图2 基于历史记录模型的父/子结构

   　 如果设计人员拾取立方体的底面，并且向上创建一个孔穿过凸台，则该孔变为该立方体的子结构。然而，如果设计人员拾取该凸台的顶面，向下创建一个孔穿过该凸台和立方体，则该孔变为该凸台的子结构。如果设计人员现在选择删除凸台，如果该孔是该立方体的子结构，则该孔仍然存在；然而，如果该孔是该凸台的子结构，则孔与凸台一起删除。所以为避免特征的更改所带来的更新错误，设计人员就必须知道并且了解嵌入的依存关系。同步建模技术免除这种了解依存关系的需要，因为它能够在编辑的时候控制这种关系。

   　 图1描述的模型在其历史记录树型结构中包含950个特征。在传统CAD应用程序中，对高亮面的直径进行参数编辑要用大约63s才能完成。因为在模型中心区域和右边的很多模型细节都是在包含该编辑直径的区域后才构建的。如果利用同步建模技术来编辑，则编辑操作只需用大约1.5s就可以完成。

  　  (2)在无约束模型上进行受控编辑 如某一个模型可能完全无约束，有时称为无参数实体，一个无约束模型不包括永久的几何约束，也没有分配给几何模型尺寸的参数化数值。在传统的CAD设计系统中，对图3(a)所述的一个元约束模型进行编辑，把高亮圆柱体向上移动到一个几何位置，以便与配对轴承(未显示)的位置匹配。由于模型无约束，没有与圆柱体相关的驱动尺寸，用户不能以参数的形式进行识别和修改。由于无约束，所以只有所选圆柱体才移动，如图3(b)，这种结果很不理想，因为丢失了模型明显的、未写明的意图。内安装孔应该与外圆柱体表面保持同心，侧锥面应该保持相切，就是用户把外圆柱体添加到选择一起同心移动，仍不能保证侧面的相切问题，如图3(C)。

    　利用同步建模技术，可以在无约束模型上进行同样的编辑操作，设计系统实时地自动识别这些几何条件，保证在只移动圆柱体的内面过程中，同心圆柱体和锥形切线均得到保持。同时如果选择和移动外圆柱体，同步建模技术也将形成图3(d)所示的结果。这个简单的实例强调了同步建模技术的力量。

图3 编辑无约束模型

 　   (3)对父/子结构关系的影响如图4所示模型是在普通的基于历史记录CAD设计系统中所构建的。首先，定义基座的二维草图再通过拉伸创建出一个实体基座。随后把两个孔添加到基座，这两个孔就是基座母块的子特征。为了在一个较大装配中把该轴台模型安装在正确位置，必须增大基座孔的孔心距，以便满足与另一个部件(未显示)的匹配条件。尽管大部分中性操作都是选择基孔然后将它们移动到所需位置，但是在这个约束系统中设计人员不能直接在孔上进行操作。由于子特征对父特征的依赖关系，必须从父特征结构中驱动孔，由此，则必须改变父特征结构才能够移动孔。这是一种完全不自然并且笨拙的方法。而且，必须经过手动计算整个造型(把孔间隙考虑进去)才能够正确改变基座几何模型的整个距离。

　    利用同步建模技术，用户可以简单地在基座孔之间设定一个尺寸并且直接移动。同步建模技术保持了修改孔和所有同心圆柱体之间的同心性，而且还自动保护了切线。另外一个利益就是同步建模技术还保持了小型盖帽的正确同心位置，这些盖帽围绕着基座孔。这类添加的尺寸可以与零件一起保存。

图4 编辑基座孔孔心距

　    (4)尺寸方向控制 同步建模技术有比传统普通基于历史记录的设计系统有更多的尺寸方向控制。下面这个例子说明了利用同步建模技术可以获得的不同方向的尺寸控制。要修改如图5所示部件模型中孔的位置，可能的方法有两种：①简单地来回移动孔，同时使零件模型的大小保持相同。图5(a)所示的箭头表示将往该左方向移动孔，把初始值“5O”修改为“100”，同时保持零件尺寸“180”，即零件大小不变；②对孔位置往图5(b)中箭头所示的右方向进行编辑，注意此时孔和零件边界距离的增大都将引起零件尺寸变大。在普通的基于历史记录的设计系统中，如图5(b)所示的第二种控制尺寸的编辑方法是不可能的，因为该零件模型是在孔之前创建的，孔不能推动在孔特征之前创建的几何模型。

图5 编辑孔的位置

　    (5)快速进行“假设”变更设计部门希望拥有的最有用的功能之一是：在讨论最佳产品设计时，能快速地对产品进行假设变更设计。但在普通的基于历史记录的系统中，对模型进行变更修改必须需要设计人员全面了解历史记录顺序，以防止对模型进行变更编辑，将引起麻烦的涟漪效应。

   　 以图6所示进行举例说明。现需对图中该装配模型进行干涉检查并修改。传统的做法是利用平面把装配切割开来，以寻找干涉的状况。干涉情况用红色圈起来，这些干涉明显围绕着圆孔，如图6(a)。该设计问题通常需要设计评审员对视图进行标注，并且把图像返回编辑设计人员以寻找解决方案。有了同步建模技术，利用基于剖面的编辑功能，设计评审员能够方便的尝试操作一些可能的模型变更，以便在当前及时纠正问题。首先，基于剖面的编辑功能把模型切割开，形成一个平面图，生成驱动模型的草图曲线，如图6(b)。然后评审人员能够拖动曲线，或者把二维尺寸添加到轮廓，修改它们的值以从5mm变更到3.8mm，产生图6(c)所示的结果，干涉消除。

图6 编辑存在干涉的装配模型

    　4 结论

    　同步建模技术作为设计应用技术在执行过程中，能从几何模型的当前状态以及用户施加的任何永久约束中提取信息，自动发现模型中明显存在的几何条件与特征，并且在编辑过程对它们加以保护，智能处理从全面无约束到完全约束的广泛模型。因为同步建模技术提供的在实体模型中识别当前几何条件的实力与用户施加的约束和参数尺寸共存，所以用户将平稳过渡，以便越来越多地利用该技术的具有创新性、突破性的新功能。产品开发部门利用同步建模技术的力量和性能，将为他们的竞争优势提供动力。以后，同步建模技术将逐步被了解并且引起巨大的影响，三维CAD智能建模将更大意义的得到普及。

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