本文探討了創新設計中的ThinkDesign相關內容。

　　1.前言

　　以計算機技術為支柱的信息技術日新月異的發展，參數化CAD設計已越來越受到企業設計人員的重視，利用參數化CAD技術手段進行設計不僅可以向人們展示直觀的數據模型，還可以通過一系列的自動化手段(如參數化設計、關聯驅動、提取明細表，干涉與碰撞檢查等等)將繁瑣的工作交由計算機來完成，實踐證實，參數化CAD技術對加速新產品開發、提高產品質量、降低成本起著關鍵作用，是提高市場競爭力的強有力的手段。

　　然而，經濟循環加大和加快，市場競爭日趨激烈，社會的消費觀念也不斷發生變化，以知識為基礎的產品創新設計將成為全球制造業競爭的核心。近年來，參數化CAD軟件主要應用在產品的詳細設計階段，作為一個實體造型的工具，在企業的產品設計制造中發揮了巨大作用，隨著市場需求的變化，參數化CAD技術在企業中所扮演的角色發生了重大變化。

　　2.對參數化CAD技術的新要求

　　科技是第一次競爭，而產品的工業設計是第二次競爭，這就對制造企業提出了新的要求：一個產品由概念設計到制造完成的時間要最短，高質量低成本;為了滿足用戶個性化的需求，就需要在設計過程中進行不斷的、實時的修改。需求和角色的改變，也就要求參數化CAD技術有所創新、有所突破，不僅具有詳細設計階段的造型技術，同時也具有概念設計階段的造型技術。創新設計對參數化CAD提出新的要求，必須具備以下特性：

　　2.1 操作模式實用性

　　應是讓企業的工程技術人員不要把過多時間耗費在CAD軟件技術的使用上，而是采用最新的拖動式技術，直接將需要設計的東西放置在三維空間環境下，然后對它伸展、旋轉、定位等等操作，輕松而有趣地完成設計。再者，將概念設計、曲面和實體造型、裝配設計、鈑金設計、管路設計、工裝設計、渲染和動畫等等，都集成在同一個操作界面下完成，這將大大提高設計速度。

　　2.2 造型設計多樣性

　　造型技術經過20多年的不斷發展和探索, 參數化CAD已發展成曲面特征造型、實體特征造型、幾何約束、參數化尺寸、公式計算和基于特征樹的方法。但是，這些長處也可能會帶來一場噩夢。對此，很多設計人員都可以證實：通過了解嵌入在大型模型中的關系復雜性來確定變更的影響可能令人畏懼。所以，對造型技術提出的要求是：不局限于特征樹、尺寸和參數，提供曲面特征和實體特征相互的依賴性，以實現造型過程的全面控制和靈活性。

　　針對通用產品設計的方法則是采用智能造型技術，該技術不僅具有尺寸驅動模型;而且具有模型特征自適應性，設計人員可以根據企業產品特性，通過草圖、特征、零件和組件建立起企業產品標準化，避免大量重復性工作。

　　2.3 面向對象的造型技術

　　面向對象的造型技術使得建模完成后，造型過程所產生的尺寸、約束關系和特征樹等信息被封裝在模型內部，直接面向設計人員的就是模型。設計人員可以不用關心模型的內部結構，但是他們可以對模型中的幾何元素直接修改。這樣一來，在企業協同設計中，可使上下游廠家提供的產品模型集成起來。對產品協調數據進行修正，同時又保持產品內部的技術細節。

　　2.4 支持產品全過程設計

　　產品設計包含了各個不同的階段，每個階段都需要不同的造型技術來構建產品模型，這就要求CAD造型技術能夠覆蓋從產品的概念設計、詳細設計、工裝設計的全過程。建立起全過程設計完整的數據關系，并保證過程設計中數據的一致性。

　　2.5 支持企業的協同設計

　　單純的CAD技術已不能滿足市場變化的需求，因為從產品設計全過程的數據都需要共享使用，通過網絡使得企業相關人員共享同樣的數據，這樣對CAD技術提出的要求：能夠同網絡技術結合起來，形成具有適應網絡設計工具的新技術。

　　3.ThinkDesign技術應用于創新設計

　　眾所周知，當今主流參數化CAD軟件功能上個有千秋，但都存在著共同特點：三維軟件內核技術都是來自國外，完全開展符合中國制造業設計習慣的服務較為困難，大多數的情況是我們的設計人員要遷就軟件操作模式。所以，非常有必要將ThinkDesign軟件的發展情況做一下闡述：ThinkDesign軟件是意大利Think3公司從1979年開始研發的產品，2008年北京Extech公司收購了think3公司軟件的三維內核技術(ThinkCore)，至此，我們完全擁有自主知識產品的三維軟件技術，經一年來的技術整合，形成了符合中國制造業從工業設計、產品設計和工裝設計全過程的三維設計軟件，

　　ThinkDesign軟件技術不僅具備參數化CAD技術，而且在此基礎上對CAD技術進行了創新，具體將從以下幾方面作詳細描述：

　　3.1 集成環境必定帶來操作實用

　　ThinkDesign軟件集成了TD Styling(概念設計)、TD Engineering(產品設計)和TD Tooling(工裝模具設計)三個主要功能模塊，將零件、裝配、鈑金、管路、構件、模具、工程圖等設計全部統一在一個操作環境下。結合企業使用三維CAD軟件的實際，從以下二點闡述ThinkDesign軟件的實用性：

　　1.對企業歷史數據的繼承

　　企業應用CAD技術都是沿著二維CAD到三維CAD技術方向發展的，歷史的設計數據大多數是二維的，如何能夠充分地利用起來是非常棘手的問題。下面將用數控機床刀具機構部件的設計實例，看看ThinkDesign軟件是如何解決這類問題的。

　　首先，采用自頂向下(Top-Down)設計方式，打開刀具機構部件模型文件，接下來直接打開DWG格式的換刀組件的裝配文件(詳見圖1中的右邊部分)，利用“移除重疊”功能對DWG格式文件中移去多余的線段，實現圖層與線段的對應，然后采用鼠標拖動方式，將DWG格式的換刀組件文件直接拖到三維模型設計環境下(詳見圖1中的左邊部分)，當然，除了DWG/DXF外，其它的模型和圖片也能夠直接拖動到三維造型環境中。

圖1

　　其次，利用軟件的旋轉、平移和圖層編輯功能，對換刀組件的裝配文件進行編輯，再利用“標簽”功能實現設計人員可以從自定義的不同視角觀看設計環境。接下來就是將2D遷移成3D模型，可以利用實體操作命令，但關鍵是利用“智能尺寸鏈”技術，直接在工程圖上拾取尺寸、長度、半徑、直徑、角度以及最小距離等數值。如圖2所示，選擇“尺寸”，用鼠標在工程圖上拾取標注的尺寸“223”，則模型拉伸的尺寸就是“223”。

圖2

　　最后，安裝上述的步驟，依次完成換刀組件中每個零件的轉換工作，接著按照參數化CAD裝配的技術完成該組件的裝配，這里就不再作詳細描述了，最終的結果如圖3所示。

圖3

　　2.零件與裝配的統一環境

　　使用過三維CAD軟件的設計人員都非常清楚，零件模型和裝配模型的文件是分開的，采用不同的擴展名稱，每當需要移動裝配模型文件時，必須將其子部件和零件模型文件一起移動;或者必須重新調整裝配的文件路徑關系，的確給設計工作帶來不便利。

　　ThinkDesign軟件全部的模型文件都采用相同的擴展名稱(.e3);由于需要兼顧參數化CAD技術，所以對工程圖的文件采用擴展名稱(.e2)。這樣一來，零件和裝配的文件即相互統一又相互獨立，通過葉輪加工模型文件，說明如何解決上述問題的。

　　首先，在目錄中將葉輪加工模型拖動到軟件造型環境中，從圖4中左邊圖的右下角，可以看出打開的模型文件是零件模型，但它卻又是裝配模型，因為實際生產中設計人員需要對葉輪加工模型中的葉片進行修改;而制造人員只是需要修改后的葉輪加工模型文件。

圖4

　　為了實現這個想法，利用圖4中右邊圖所示的菜單命令，選擇“創建外部參考”將葉片水力圖特征變成外部模型文件，這時，在目錄中多了個文件名稱(見圖5左下角所示)。如果特征樹上的特征結構比較多時，也可以將修改的模型文件設置成“標記為設計中”以區分修改與不修改的零部件，并在特征樹上以背景為“紅色”進行標識出來，結果如圖5所示。

圖5

　　最后，當設計修改完成后，需要形成一個獨立的葉輪加工模型文件時，則可以利用圖4中右邊圖所示的菜單命令，選擇“斷開鏈接”將取消與葉片水力圖模型文件的關聯，并將修改后的結果保存在葉輪加工模型文件中，對葉片水力圖模型文件來講，可以刪除了。

　　3.2 務實的自由造型方法

　　參數化CAD造型技術已經給設計人員提供：從二維草圖通過旋轉、拉伸、切除和掃描等特征造型技術形成三維模型;從插補曲線、樣條曲線、NURBS曲線到放樣曲面、旋轉曲面、NURBS曲面，最后完成曲面建模;然后可以對實體特征和曲面特征進行編輯、參數驅動、尺寸關聯等等，這些是參數化CAD軟件必備的造型技術。

　　ThinkDesign軟件的造型技術除了具備參數化CAD造型技術外，并在此基礎上對造型技術進行延伸，具體體現在以下三點：

　　1.有參和無參的造型技術

　　參數化造型技術對設計人員來講，不是一個陌生的概念，主要應用于產品詳細設計階段。而無參數造型技術是產品創新設計過程中經常使用的工具，覆蓋了從概念設計到制造前設計中的每個階段，無參數造型技術將為設計人員提供對圖片、草圖、模型等處理的手段。下面通過數控機床的工作臺設計實例，敘述ThinkDesign軟件對該項技術的應用：

　　首先，利用軟件的2D遷移到3D的方法，完成對工作臺的實體造型，接下來對工作臺進行裝配，經測量(見圖6a所示)發現工作臺的滑槽部位尺寸需要將“320”調整到“420”。

　　其次，打開模型的草圖進行調整(見圖6b所示)，這時你會發現草圖沒有任何尺寸，而修改時工作臺外輪廓不能發生變化，只要選擇“多重拉伸”命令，將需要修改的部分草圖用鼠標框選，確定起始點后左右各偏移50mm，這樣就完成滑槽部位尺寸的調整。

　　最后，當草圖調整完成后，模型文件會自動調整過來，檢測以下結果是“420”(見圖6c所示)。

(a)(b)(c)

圖6

　　通過上述的例子，讓設計人員對無參數造型技術有個直觀了解，雖然只是對草圖進行處理，但有參和無參造型技術始終貫穿在ThinkDesign軟件中。

　　2.曲面和實體混合造型技術

　　實體造型技術和曲面造型技術，在當今參數化CAD技術中被廣泛采用，但它們之間的特征是相互獨立的，由于產品的市場需求的變化，大多數情況要求曲面造型和實體造型相互結合，才能完成產品的設計模型。所以，在產品創新設計中提出了將曲面和實體混合的造型技術。接下來以水泵的葉片模型為例，說明ThinkDesign軟件是如何實現曲面實體混合造型技術：

　　對葉片的曲面繪制同參數化CAD技術相似，過程就不作闡述，模型生成的結果見圖7a所示，接著選擇“生成實體”的命令，將曲面變成實體，在特征樹上的反映是“實體”，但它還具有曲面的特征，也可以采用曲面的編輯功能進行修改。

　　那么，現在使用實體特征編輯命令“邊圓角”，對葉片外表面上部三個邊倒R3的圓角，其結果見圖7b所示。

(a)(b)

圖7

　　大家都知道，曲面上倒圓角必須用曲面圓角命令;實體上倒圓角必須用實體圓角命令，而上述的例子恰恰是在曲面上采用實體倒圓角的命令，足以說明只有是曲面實體混合造型才能實現，必然會提高設計人員造型的速度。

　　3.智能特征式造型技術

　　據相關統計資料表明，機械制造業中零部組件屬于標準件和外構件占50%;企業通用件和相似件占40%;用戶特殊需求件占10%，所以，多數企業已經開始采用產品標準化設計和模塊化設計，為了讓企業能夠快速便捷地建立產品設計數據庫，ThinkDesign軟件提供了智能特征式造型技術，它不僅能夠參數驅動特征，同時特征也具有自適應功能，舉個實例同大家分享一下：

　　對汽車儀表覆蓋件的設計過程中，需要有一個連接耳片，那么可以從軟件的“智能對象庫”選取拖動插入，見圖8a所示，你可以修改尺寸數據和選擇插入模式。再見圖8b所示，拖動插入銷座的零件，它能夠依據草圖的外形自適應的變化。

(a)(b)

圖8

　　智能對象庫的建立只需選擇“定義”命令，確定屬性、選項、參數、參考、配置等信息，然后從特征樹上選擇草圖、特征、零件或部件等信息，最后確定并保存成智能對象(擴展名稱是.sf)。定義后的智能對象也可以被重新編輯。

　　3.3 國際化內核技術引領面向對象的建模

　　由于軟件廠商的不同，其參數化CAD軟件的模型數據也不同，雖然相互之間能夠讀取，但由于只是外形輪廓數據，造成了企業之間數據交換的不方便，尤其是配套生產的企業呈現的問題特別突出，這就促使參數化CAD技術要創新，能夠對無參數模型數據進行編輯，為企業設計人員提供便捷的服務。

　　ThinkDesign軟件就很好地解決了這類問題，在參數據CAD技術基礎上，提出了交互建模技術(ISM)，它是在交互式三維曲面和實體建模中一個突破性的飛躍。同時與先前技術共存。以便評估、構建新的幾何模型并且編輯模型，無需考慮特征、參數及屬性等歷史記錄。通過“轉動接頭組件”CATIA模型文件實例，讓大家了解技術的實用性。

　　直接打開“轉動接頭組件”模型文件(如圖9a所示)，當然對PRO/E、Parasolid等格式的模型文件也是可以直接讀取的。打開后的零件屬性、尺寸和約束關系等都沒有，裝配關系在特征樹上只用實體來表示。可以通過編輯顏色來區分組件下的每個零件，還可以選擇“新建組件”來形成組件一下的每個零件，具體見圖9a所示;對零件模型的編輯，則采用交互建模技術的移動面、延伸面/封閉實體、偏移面、移除面和替換面等功能，那么我們就利用“移動面”的功能將腰型槽進行移動并復制，在移動過程中選擇“要移動的面”和“限制面”，并通過移動的尺寸等參數進行控制，具體見圖9b所示的操作完成后的結果。

(a)(b)

圖9

　　不錯，上述的實例是實體模型，接下來采用汽車 “沖壓件”的CATIA曲面模型文件為例，了解該技術對曲面模型的處理。同樣，直接打開汽車 “沖壓件”的CATIA曲面模型文件，然后選擇“移除面”功能，選取“需要移除的曲面”(見圖10a所示的桔黃色部分)和“限制曲面”(見圖10a所示的綠部分)，確認后曲面的圓角被刪除，依次類推，最后修改的結果如圖圖10b所示，前端圓弧曲面以被移除。

(a)(b)

圖10

　　總之，只有在具有面向對象造型技術的基礎上，利用交互建模技術，才能實現對無歷史記錄模型上進行編輯，給產品設計開發過程帶來極大的便捷。同時企業能夠更加易于處理預期內和未預期的產品變更、處理不是他們初始創建的產品模型，提高與供應鏈合作的能力。

　　3.4 數據關聯覆蓋產品設計全過程

　　概念設計階段是產品創新的關鍵階段。實踐表明，產品創新主要來自概念設計階段所涉及的功能、原理、形狀、布局和結構等方面的創新。目前在國內開展概念設計的軟件也有，但同主流的參數化CAD的數據格式是不一致的，需要進行數據轉換工作，同時數據模型的精度較難保證，設計過程會隨著設計更改和模型轉換而延長周期。

　　在概念設計與工程設計的一致性方面, ThinkDesign軟件能夠協調好這二個方面的關系, 實現集成的設計體系，其中：TD Engineering(產品設計)和TD Tooling(工裝模具設計)兩大模塊的功能同參數化CAD的功能相似，在這就不做具體描述。主要從以下二個方面來闡明ThinkDesign軟件集成設計體系，面向概念設計階段開展工作的技術特色，以汽車配件倒視鏡設計為例，闡述產品設計人員如何將藝術師的手稿(圖像文件)變成多種產品設計模型。

　　1.概念設計中的模型產生

　　首先，在軟件模型環境中選擇不同的工作平面，分別插入二個圖片文件，選擇“縮放圖像”命令將圖片的比例值設置成一樣(本例是1.2)，在運用“修改圖像”命令對圖片進行拖動和旋轉，達到指定的定位位置中具體見圖11a所示。接下來利用軟件的曲線功能完成圖片上輪廓曲線的繪制工作，通過選擇“通過控制點的曲線”命令來繪制圖片的輪廓草圖，具體見圖11a所示中“紅色”曲線，它們都屬于二維曲線;那么，利用“由2D曲線生成3D曲線”命令來實現2D曲線到3D曲線的轉換工作，具體見圖11a所示中“綠色”曲線，它是屬于三維曲線;依此類推，完成圖片的3D曲線繪制，如圖11b所示。

(a)(b)

圖11

　　其次，在3D曲線繪制完成并通過曲線修改功能進行完善，確認可以后，利用曲面功能繪制圖片上的各個曲面，選擇 “放樣曲面”命令來繪制曲面，具體見圖11b所示中“綠色”曲面部分，然后在運用曲面的分析功能、修改功能對繪制曲面進行完善，依次類推完成曲面繪制工作，如圖12a所示。

(a)(b)

圖12

　　最后，對各個曲面進行整合，運用“生成實體”命令實現曲面實體混合模型;用布爾運算“實體合并、實體相交、實體刪減”的命令來實現特征的關聯，再利用實體的變半徑倒圓角、實體抽殼、倒角等命令對模型進行細節修整，根據已設計的模型再添加“鏡子”的實體，這樣一個從圖片到3D模型的設計過程就完成，結果如圖12b所示。

　　2.多種設計方案的形成

　　縱觀企業產品設計過程可以得出結論，新產品的設計方案必定是多個。同樣，對上述的汽車倒視鏡的產品設計，采用軟件可形成多種設計方案：

　　【方案一】對倒視鏡的鏡面部分進行設計;選擇全局變形建模(GSM)中的“高級GSM”命令，在命令菜單對話條中選取整個模型，并確定倒視鏡的尾部曲線為固定;然后選擇鏡框邊的曲線為初始曲線，再選擇如圖13a所示的曲線為目標曲線，接下來選擇“確定”，新的設計方案形成，具體如圖13b所示。

(a)(b)

圖13

　　【方案二】對倒視鏡的尾部形狀進行設計;選擇全局變形建模(GSM)中的“高級GSM”命令，在命令菜單對話條中選取除鏡片特征外的特征，接著采用“套索”選擇命令來確定倒視鏡的前部曲線為固定不變，然后選擇倒視鏡尾部的曲線為初始曲線，再選擇如圖14a所示的曲線為目標曲線，接下來選擇“確定”，又一個新的設計方案形成，具體如圖14b所示。

(a)(b)

圖14

　　需要說明的是：全局變形建模(GSM)的功能包括折彎、半徑折彎、扭轉、高級GSM、復制、平面變形、3D變形、棱線扭轉和圓角轉換等，為設計人員開展柔性設計提供豐富的解決造型技術的手段，本例雖然只采用“高級GSM”命令，但確實現了三個設計方案的產品模型，分別如圖12b、圖13b和圖14b所示。

　　總之，從制造到創造是任何企業都要經歷的一個發展過程，越來越多的設計者要從中國制造轉向中國創造，而創造就不再是為了解剖或生產某一個零部件而設計，而是整體設計整個產品，從長遠看，在概念設計階段使用三維是CAD技術一個不可逆轉的趨勢。

　　3.5 結合網絡實現協同設計

　　制造業正在改變傳統的作業方式，企業經營模式開始從小而全模式向合作專業化模式轉變。采用以Internet網絡為基礎，基于項目管理的分布式協同工作方式，促進企業內部和企業之間的合作。

　　ThinkDesign軟件不僅具有集成的設計體系，同時也具有與TD PLM系統無縫的集成性，具體的集成方式見圖15a所示。其中，如圖15a所示TD PLM系統的工具菜單直接集成在ThinkDesign軟件中，它包括登錄、檢入、檢出、創建版本、顯示物料結構、從零件中獲取文件、保存等等功能，設計人員可以直接面向TD PLM系統進行操作，那么我們以零件下載為例，實現從TD PLM系統中選擇零件進行裝配的。

(a)(b)

圖15

　　從圖15a所示中選擇“從零件中獲取文件”命令，就會登錄到TD PLM系統中(需要有登錄的帳戶名稱及密碼)，出現如圖15b所示中的TD PLM系統窗口，顯示相關零部件信息(預覽圖、代號、名稱、生命周期、版本等等)，在選取的零件前面打上“√”后,選擇執行“導入”命令，這樣被選取的零件會自動進入到ThinkDesign軟件模型集成環境中(如圖15b所示)，接下來按照ThinkDesign軟件的裝配功能完成零件的裝配。

　　鑒于TD PLM系統屬于產品數據管理的范疇，為此不作詳細描述。但由于TD PLM是基于Web的產品全生命周期管理系統，這樣一來，設計人員可以利用企業局域網開展內部的協同設計工作;利用Internet網絡開展異地的協同設計工作。

　　4.結束語

　　從二維CAD繪圖到三維參數化CAD造型是企業深化CAD技術應用的方向，而當企業應用三維CAD軟件后，也會提出深化三維CAD應用的需求，綜上所述的分析，得出一個結論是ThinkDesign軟件是企業深化CAD應用技術的領跑者，提供系列化的設計工具，讓設計人員從模糊的概念開始，將自己的設計思想表達出來，經過動態的修改得出精確的設計模型，結合產品全生命周期管理系統PLM，幫助企業實現設計、生產、管理等環節的信息化集成。先進的設計能力才能產生先進的制造企業，CAD技術發展趨勢就是進行創新設計，以參數化CAD技術為基礎向創新協同CAD技術發展。CAD世界正在發生翻天覆地的變化，創新協同CAD技術必將成為普遍適用的高新技術，引發了制造業的數字化革命，鋒芒所指，所向披靡。