技術突破

　　2008年將見證三維CAD設計歷史中的一個里程碑。

　　Siemens PLM Software推出了同步建模技術 - 交互式三維實體建模中一個成熟的、突破性的飛躍。新技術在參數化、基于歷史記錄建模的基礎上前進了一大步，同時與先前技術共存。同步建模技術實時檢查產品模型當前的幾何條件，并且將它們與設計人員添加的參數和幾何約束合并在一起，以便評估、構建新的幾何模型并且編輯模型，無需重復全部歷史記錄。

圖1：同步建模技術在運行時間把當前的幾何模型狀況與永久約束合并在一起。

　　您可以設想這樣帶來的性能影響和設計靈活性 - 進行編輯而無需重新生成整個模型，因為同步建模技術實時發現、定位和解析依賴關系。當設計人員不必再研究和揭示復雜的約束關系以便了解如何進行模型編輯時，當他們也不用擔心編輯的下游牽連時，您可以想象對產品開發復雜性帶來的正面利益。設計人員可能要問，“當建模應用程序能夠立即識別那些幾何相互關系并且保持的時候，我們為什么還要多余地再強制加上諸如兩個模型面是共平面，或者是相切等約束條件?”

圖2：一個普遍模型編輯及其在基于歷史記錄系統里面的應用。

　　同步建模技術突破了基于歷史記錄的設計系統固有的架構障礙。基于歷史記錄的設計系統不能完全確定依賴相互的關系，從而必須依賴于全面重新執行順序建模歷史記錄。以上圖2提出了相關問題。在目前基于有序歷史記錄的系統中，在需要對歷史記錄清單中的特征進行變更的任何時候，系統都需要刪除所有后續幾何模型，回復模型到某個特征再進行變更，然后重新執行后續特征命令來重新建立模型。在大型、復雜的模型中，特征損失可能非常巨大，這取決于目標特征在歷史記錄里面靠后有多遠。同步建模技術沒有這個問題 - 系統實時識別這些條件在哪里，并且使模型重建僅僅局限于使模型的幾何條件保持正確所必要的那部分。

　　建模技術發展的巨大突破

　　計算機輔助設計(CAD)的演變在其45年的歷史中經歷了巨大發展。CAD誕生于1963年-Ivan Sutherland博士的SKETCHPAD(畫板)在麻省理工學院(MIT)的實施。它開始作為一個二維數字繪圖媒介，然后在20世紀70年代利用三維線框技術實現了首次革命性飛躍 - 進入三維世界，并且不久之后就用于三維表面建模。由于其限制(需要用戶編輯由直系和曲線組成的三維模型的外邊界，以此來直接修改幾何模型造型)，所以CAD技術仍然被列為顯式建模。

　　20世紀80年代早期在實體建模中引入商業解決方案，由于它們依賴于求并、求差和求交的布爾運算，所以仍然保持顯式性質。在20世紀80年代中期，隨著參數建模以及嵌入在基于順序歷史記錄架構中的模型特征概念的出現，CAD設計經歷了第二次革命。經過20世紀90年代以及近年的發展，盡管少數例外仍然基于顯式建模技術，大量商業CAD應用程序都采用了參數化、特征、基于歷史記錄的方法。

　　兩種方法都有其優缺點。利用顯式建模，設計人員能夠直接編輯幾何模型，無需擔心編輯的任何影響。設計人員只控制變更內容。然而，這也可以視為一個缺陷。因為直到最近，顯式建模器都還不能識別可以代表形狀特征的模型特征集合(比如，孔或者槽)，需要設計人員仔細選擇所有適當的實體面作為任何編輯的一部分。另外，顯式建模器大部分都不能記錄和記憶用戶施加的幾何約束和參數化尺寸公式。

　　在建模領域另一方面，基于歷史記錄、參數化、特征驅動的應用程序擅長于捕捉知識和用戶施加的約束。對CAD模型進行的變更將自動更新幾何造型的依賴部分。但是，這些長處也可能是帶來一場噩夢。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。通常，只有初始創建者才能夠記住用于創建模型的設計戰略，而且還是在模型是最近才設計的情況下。最后，設計人員必須接受從順序構建歷史記錄中編輯點開始重新生成整個模型所導致的性能損失。

　　最近，CAD系統能力的重大發展 - 實時“挖掘”在一般實體模型幾何模型中找到的信息 -擴展了“直接幾何模型”編輯功能，甚至在基于歷史記錄、參數化系統中也可以。這些改進為技術的又一次革命性飛躍奠定了基礎 - 同步建模技術。結合對模型當前的幾何模型條件進行深度、富有洞察力的檢查，把這些信息與所有用戶定義的約束和參數驅動尺寸結合在一起，然后實時確定模型特征及定位相關等特性依賴，同步建模技術集成了兩種方法的精華。

圖3：CAD演變

　　同步建模技術是不依賴于建模歷史、基于特征的建模系統，合并了尺寸驅動和約束驅動技術的精華，以實現全面控制和可重復性，以及直接建模的靈活性。

　　業務影響

　　利用同步建模技術在基于歷史記錄和無歷史記錄模型上進行編輯所實現的性能提高將給開發過程帶來極大的收益。另外，因為利用其智能模型互操作，同步建模技術用戶變得輕松自如，將降低他們對嵌入在模型中的永久幾何約束的依賴。設計人員可以選擇不用這類嵌入式約束來編輯初始模型，因為他們知道同步建模技術將識別明顯的幾何約束并且對其進行智能管理。該演變的影響將帶來產品開發過程的根本變化。

　　產品制造公司能夠：

　　· 在更短開發周期的基礎上縮短實現收入的時間;

　　· 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;

　　· 因為利用行業標準格式(比如，STEP、Siemens PLM Software的JT格式)，能夠與在不同CAD系統之間傳遞的CAD模型進行智能互操作，所以極大地提高與供應鏈合作的能力;

　　· 獲得更好的功能來迅速開發更多的設計;

　　· 獲得更大的潛力來重用設計而無需重新建模，因為用戶能夠獨立于創建方法進編輯(例如可以通過拉伸一個圓或旋轉一個矩形構建圓柱體);

　　· 在開發周期的后期更加迅速地對市場需求變化做出反應，同時減少和控制變更對產品模型的影響。

　　這些變化具有深遠影響，能夠更加迅速地對現有產品進行修改，從而實現更加便宜的產品和更快的上市時間。CAE分析師能夠更加輕易地準備模型供分析，并且快速制定“假設”場景。公司將簡化生成制造過程計劃的工作量，能夠在制造加工和過程問題的基礎上迅速提出變更建議。

　　技術證明

　　想要了解同步建模技術的力量并且全面評估它將對行業產生的影響，需要在逐個示例的基礎上進行更加深入的探討。

　　特征樹型結構變為特征集

　　檢查任何基于歷史記錄的CAD設計應用程序，您都會發現一個包含嚴格順序結構的有序特征樹型結構，它捕捉設計人員用于構建模型的逐步操作。該有序樹型結構是模型構建的歷史記錄。樹型結構中的每個項目都稱為模型特征(不要與形狀特征混淆 - 比如孔和凸臺- 盡管它們也是形狀特征)，并且每個都表示一個特殊的建模構建操作。例如，當設計人員進行平面草圖的簡單拉伸的時候，它被添加到特征樹型結構作為下一個順序模型特征項目。

圖4：基于歷史記錄的特征樹型結構

　　當設計人員在樹型結構中引用一個現有特征，在一個新特征上顯式地施加約束的時候，特征樹型結構開始嵌套到更深層級。這通常稱為兩者之間的父/子結構關系。子結構依賴于父結構的存在。圖5作為一個經典例子表示了這種父/子依賴關系的細微差別。

　　如果設計人員拾取立方體的下側，并且向上創建一個孔穿過凸臺，則該孔變為該塊件的子結構，不依賴于該凸臺。然而，如果設計人員拾取該凸臺的頂部，并且向下創建一個孔穿過該凸臺和塊件，則該孔變為該凸臺的子結構，并且于依賴于其存在。

　　如果設計人員現在選擇該凸臺并且刪除它，則在其創建歷史記錄的基礎上，新模型視哪個依賴關系存在于模型中而定。如果該孔是該塊件的子結構，則該孔仍然存在;然而，如果該孔是該凸臺的子結構，則它與該凸臺一起刪除。在這類普遍采用的基于歷史記錄的建模應用程序中，負擔在設計人員身上 - 知道并且了解嵌入的依存關系。同步建模技術免除這種了解創建方法的需要，因為它使設計人員能夠在編輯的時候控制這種關系。

圖5：根據用戶選擇,基于歷史記錄模型的父/子結構關系。

　　目前基于歷史記錄的CAD系統不掃描幾何模型并且定位編輯的影響。它們完全依賴于重復歷史記錄來傳播變更。同步建模技術改變了這種模式。

　　同步建模技術實時分析、定位相互依賴關系，然后只執行那些必要的變更。考慮其直接影響：在普遍采用的有序、基于歷史記錄的應用程序中，系統需要刪除所有后續幾何模型，滾動模型回到需要變更的特征后再進行變更后續特征，然后重新執行后續特征命令來重新建立模型。目標特征在順序歷史結構中列得越早(前)，則對性能的影響就越大。在很多情況下，設計人員通常毫無規則地進行編輯修改或者干脆避免這類變更。

　　下面的圖6描述了一個在普通的基于歷史記錄系統里面構建的模型。它在其歷史記錄樹型結構中包含950個特征。在一個普通的基于歷史記錄的應用程序中，對高亮面的直徑進行參數編輯要用大約63秒鐘才能完成。

圖6：由950個特征組成的基于歷史記錄的模型。

　　編輯的結果在圖7中給予了顯示。編輯過程很冗長，因為在模型中心區域和右邊的很多模型細節都是在那些包含經受編輯的特征的區域之后才構建的。基于全面歷史記錄的系統不能確定模型的其它部分是否存在與所選特征的依賴關系，從而必須盲目地遵循歷史記錄順序。如果利用同步建模技術來編輯同一基于歷史記錄的模型，則編輯操作只需用大約1.5秒鐘就可以完成。同步建模技術實時掃描模型，定位依賴關系并且只解算那些必要的依賴關系，以形成正確的解決方案。

圖7：對基于歷史記錄的模型進行編輯，減小直徑尺寸。

　　在目前基于歷史記錄的系統中，特征樹型結構具有順序依賴關系。改變歷史記錄樹型結構的順序可能導致重大的模型變化或者導致模型失效。利用同步建模技術，所顯示的樹型結構變為一個特征集。利用該特征集，設計人員能夠快速地選擇和操作其模型的零件。然而，它并不影響構建模型的方式。這樣為設計人員提供了大量有利的可能性。特征集還可以按照特征類型進行分類，比如，把所有圓形聚集在一起，如果那樣提供了對模型的必要了解的話。

　　對于同步建模技術所許諾的力量的初始反應通常引出一長串“是的，但是假如…?”問題。從歷史上來看，在于20世紀80年代把參數化技術引入市場的時候，同樣也是這樣的。需要利用逐個案例來檢查同步建模技術如何在不同類型的模型上運行。

　　在無約束模型上進行受控編輯

　　在該領域的一端，模型可能完全無約束，有時稱為無參數實體，這些模型通常都來自于從一個專有CAD系統到另一個之間的數據交換、轉換。一個無約束模型不包括永久的幾何約束，也沒有分配給幾何模型尺寸的參數化數值。

　　給定圖8所述的一個無約束模型，用戶必須進行編輯，把高亮(藍綠色)圓柱體向上移動到一個幾何位置，與配對軸承(未顯示)的位置匹配。由于模型無約束，所以沒有與圓柱體相關的驅動尺寸，用戶能夠以參數的形式進行識別和修改。

圖8：在無約束參數模型上進行的選擇

　　由于無約束系統的原因，所以只有所選圓柱體才移動(圖9)。這種結果是很不理想的，因為丟失了模型造型明顯的、未寫明的意圖。任何設計人員都可能知道內安裝孔應該與外圓柱體表面保持同心，側錐面應該保持相切。用戶可能已經把外圓柱體添加到選擇以便保持同心性(把它們一起移動)，但是沒有任何永久約束嵌入到模型之中，側面的錐度沒有得到保持(圖10)。

圖9：不用同步建模技術的單一選擇編輯

圖10：不用同步建模技術的雙重選擇編輯

　　利用同步建模技術，可以在無約束模型上進行同樣的編輯操作，但是現在系統實時地自動識別這些幾何條件，并且同心圓柱體和錐形切線均得到保持(圖11)。注意，通過只選擇圓柱體的內面來進行該編輯，但是如果只是選擇和移動外圓柱體，同步建模技術也將形成同樣的結果。

圖11：利用同步建模技術進行編輯

　　這個簡單的實例強調了同步建模技術的力量以及該技術對用戶解決設計問題方面產生的廣泛影響。首先，在為用戶給定了一個沒有嵌入式約束的部件模型的時候，如同與供應商合作時經常出現的情況一樣 - 要么是因為利用行業標準(比如，STEP)對該模型進行了轉換，要么是因為供應商有意識地去掉了嵌入式約束以保護其知識產權 - 用戶仍然可以輕易地進行智能編輯，沒有不得不添加明顯條件的幾何關系的負擔。

　　其次，對設計建模的性質而言更為重要。因為系統要求較少的嵌入在模型中的公開定義的關系(這個案例中沒有)來進行智能解算，所以設計人員可以選擇不用這類嵌入式約束來編輯初始模型，因為知道將識別和管理明顯的幾何條件,可以極大地簡化設計編輯工作流。設計人員不必研究和揭示復雜的約束關系以了解如何進行編輯，也不用擔心編輯的下游牽連。同步建模技術實時地發現和解析這些關系。

　　在參數約束模型上進行編輯

　　現在我們把注意力轉移到建模領域的另一面，研究同步建模技術對參數約束模型的影響。

　　下面的圖12說明了一個具有基座上兩個孔之間參考尺寸的模型。參考尺寸有時也稱為衍生尺寸。它不是用戶施加的約束。然而，在控制尺寸(或者驅動尺寸)中引用該距離，利用一個等式來控制軸心點的高度，使其在基座孔之間形成0.75的距離。這表示了一個參數公式約束，無論任何時候對模型進行編輯都必須對其給予保護。

圖12：具有參數公式約束的模型

　　圖13表示設計人員可以在基座末端直接移動。同步建模技術實時識別右邊的基座孔是否與基座末端所選的弧形呈同心，自動把它添加到編輯。該移動是利用移動表面操作的一個直接模型編輯。由于基座塊件變得更長，右邊的基座孔與基座一起移動;兩個基座孔之間的參考距離發生了變化，在其參數公式約束的基礎上更新了與軸心點的距離。

圖13：對具有參數公式約束的模型進行直接幾何模型編輯

　　圖14表示了在拖動塊件末端30毫米之后的最終結果。注意，保護了參數公式約束。從而同步建模技術與用戶施加的參數約束共存。

圖14：合成模型

　　父/子結構

　　如果我們返回到我們的軸臺模型，我們可以研究同步建模技術對父/子結構關系的影響。圖15描述了設計人員一般用于在普通的基于歷史記錄系統中構建模型的方法。首先，定義基座矩形(長150單位、寬40單位)的二維草圖。然后把草圖輪廓向上拉伸20單位，創建一個實體基座。基座的兩端是圓形的，把兩個孔添加到基座。這兩個孔就是基座母塊的子結構。

圖15：在基于歷史記錄的模型上進行編輯

　　為了在一個較大裝配中把軸臺模型安裝在正確位置，用戶現在必須進行編輯，把基座孔移動得更開，以便滿足與另一個(未見)部件的匹配條件。盡管大部分中性操作都是選擇基座孔然后將它們移動到所需位置，但是在這個約束系統中設計人員不能直接在孔上進行操作。由于約束模型中的結構，從父結構幾何模型中驅動孔。在基座父結構幾何模型得以創建之前，它們不存在。它們需要一個有序歷史記錄。由此，則必須改變父結構才能夠移動孔 - 一種完全不自然并且笨拙的方法。而且，只有手動計算整個造型(把孔間隙考慮進去)才能夠正確改變基座幾何模型的整個距離。

　　利用同步建模技術，用戶可以簡單地在基座孔之間設定一個尺寸并且直接移動。同步建模技術保持了修改孔和所有同心圓柱體之間的同心性。而且還自動保護了切線。另外一個利益就是同步建模技術還保持了小型蓋帽的正確同心位置，這些蓋帽圍繞著基座孔。這類添加的尺寸可以與零件一起保存。

圖16：利用同步建模技術，通過設定和更新尺寸來進行編輯

　　尺寸方向控制

　　同步建模技術為用戶與產品模型進行互操作提供了大量新的可能性。

　　下一個例子說明了利用同步建模技術可以獲得的尺寸方向控制。用戶的任務就是修改圖17所述部件模型中孔的位置。兩種情況都有可能。

圖17：用于尺寸方向控制的部件模型

　　第一個方法就是簡單地來回移動孔，同時使零件模型的大小保持相同。圖18所示的紅色方向箭頭表示將往該方向移動孔幾何模型。把幾何特征移到另一邊，尺寸保持不變。把初始值“50”修改為“100”，同時保持尺寸“180”。

圖18：孔移動，同時零件大小保持不變

　　第二個可能的方法就是先固定零件的孔和右邊之間的距離。注意，對孔位置往那個方向(圖19中的紅色箭頭所示)進行的任何編輯都將引起零件尺寸變大。在沒有同步建模技術的普通的基于歷史記錄的系統中，這種編輯方法是不可能的。這類編輯必須以創建的順序來進行。在普通的基于歷史記錄的系統中，孔不能推動在孔特征本身之前創建的幾何模型，并且可控制方向少得多。

圖19：孔移動和零件大小調整

　　程序特征

　　在下一個例子中，用戶需要對鍵槽孔孔的樣式進行編輯，要么改變實例數，要么改變基本特征的幾何造型。在普通的基于歷史記錄的系統中，樣式編輯需要回復到基本特征，只有這樣才能夠進行編輯，并且在那個點開始重新建立模型(模型生成)，以便所有后續操作起作用。基本孔特征在歷史記錄中越靠后，則想要重建模型就必須進行更多的計算。

圖20：樣式特征

　　同步建模技術引入了一個稱為程序特征的概念。這些特征專門設計用于在沒有發生有序解算的系統中進行操作。一個特征必須能夠自我生成才被視為程序特征。不是所有特征都能夠或者都需要是這種類型的，然而，孔和樣式遵循這種行為方式。薄壁件(殼體)類似，因為它包含了關于如果正確建模的特殊知識，但是它在薄壁的定位區域之內管理變更。

　　利用同步建模技術，首先要注意如何才能夠把一系列尺寸應用于任何樣式實例，并且任何實例進行的變更都將引起所有實例更新。雖然尺寸變更將引起樣式更新，但是在樣式之后創建的任何操作都不需要重新生成(因為樣式是自包含的)，并且獲得極大的潛在性能提高。下面最右邊的圖像顯示了對實例數進行的變更。同樣，只修改了與樣式相關的幾何模型。

圖21：樣式特征編輯結果

　　模型創建

　　以上例子說明了利用同步建模技術的模型編輯功能，還可以獲得很多新的有趣的幾何模型創建功能。

　　· 利用協調的二維草圖解算器和三維幾何模型解算器，能夠以三維形式繪制草圖，在此兩種解算同時進行。在這三個圖像的下一個順序中，以三維形式繪制草圖(圖22)完成，草圖閉合(圖23)，出現動態拉手，使用戶能夠操作實體拉伸。運行時間邏輯決定了何時添加或者去除材料。(在該圖例中，只能添加材料，如圖24所示)尺寸或者拖到其它幾何模型關鍵點都可用于設定推/拉操作的距離。

圖22：繪制草圖 圖23：草圖矩形閉合 圖24：拉伸的草圖

　　· 打開輪廓用于把圖紙簡化為簡單草圖，在此二維直接連接到三維。同樣，通過簡單的推或者拉來創建在圖像順序中所看到的模型(圖25)。

圖25：打開輪廓拉伸

　　· 還可以通過簡單線條在整個平面上創建區域。在圖26中，一條線把平面分開，能夠直接修改平面。

圖26：區域

　　· 一般把孔放在平面上。然而，添加一個潤滑油嘴(如圖27所示)需要在切線的一些點開孔。在同步建模技術中嵌入了把孔添加到曲面的功能，在該曲面上孔的法向矢量自動與平面法線相匹配。

圖27：與曲面法線相切的孔

　　· 通過直接選擇一個平面集并且操作幾何控制，還可以添加、去除或者旋轉材料。以下順序說明了如何才能夠快速旋轉平面。

圖28：旋轉平面

　　快速進行“假設”變更

　　設計部門希望擁有的最有用的功能之一就是在他們討論最佳產品設計的時候快速地進行假設變更的能力。在普通的基于歷史記錄的系統中，對模型進行編輯可能很笨拙，并且需要設計人員全面了解歷史記錄順序，以便確定在順序中的哪里進行編輯，然后預測該變更將引起什么漣漪效應。

　　設想傳統的設計評審，利用平面把裝配切割開來，以尋找干涉的狀況。圖29表示了用紅色圈起來的干涉，這些干涉明顯圍繞著圓孔。

圖29：顯示干擾的剖面切口

　　該設計問題通常需要下游用戶對視圖進行標注(紅線)，并且把圖像返回編輯設計人員以尋找解決方案。有了同步建模技術，利用基于剖面的編輯功能，評審人員能夠輕易建議一些可能的模型變更，以便糾正問題。首先，基于剖面的編輯功能把模型切割開，形成一個平面圖，生成驅動模型的草圖曲線(圖30)。

圖30：顯示草圖曲線的生成的剖面切口

　　然后評審人員能夠拖動曲線，或者把二維尺寸添加到輪廓，修改它們的值，如圖31所示。

圖31：添加的尺寸

　　在這種情況下，厚度可以從5毫米變更到3.8毫米，產生圖32所示的結果，消除了干涉。

圖32：改變尺寸以消除干涉

　　技術推廣

　　同步建模技術軟件作為設計應用技術，介于CAD應用程序中設計創建/編輯命令的操作邏輯和幾何模型內核以及其它實用程序的基本幾何模型支持服務功能之間。在執行過程中，它在從幾何模型的當前狀態以及用戶施加在該模型部分上的任何永久約束中提取信息。它智能處理從全面無約束到完全約束的廣泛模型。

　　Siemens進行收購調查過程中在UGS研發實驗室發現了同步建模技術的初始研究種子。因為Siemens認可其潛在價值并且培養、加快了其開發。Siemens PLM Software表示，同步建模技術的第一個商業版本將在2008年夏季推出，嵌入在它的兩個CAD應用程序之中 - NX和SolidEdge。

圖33：軟件構架

　　總結和評價

　　CAD世界即將發生翻天覆地的變化。

　　如同CAD用戶在20世紀80年代面對參數建模一樣的方式，隨著時間的推移來逐步了解并且認可其影響，同步建模技術將在整個垂直行業中找到產品建模方面同等滿意的位置。因為同步建模技術提供的在實體模型中識別當前幾何條件的實時力量與用戶施加的約束和參數尺寸共存，所以用戶將平穩過渡，以便越來越多地利用新的突破功能。

　　產品開發部門利用同步建模技術的力量和性能，他們實現的競爭優勢將為其提供動力。不會退回到利用用戶定義的幾何約束來淹沒產品模型。同步建模技術將自動發現模型中明顯存在的幾何條件與特征，并且在編輯過程對它們加以保護。CAD建模的新智能之風實際上將從他們的桌面上刮起。