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【引用】对同步技术相关问题的思考  

2011-07-13 10:14:18|  分类: 技术共享 |  标签: |举报 |字号 订阅

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               注:本文全部引用来自eworks的黄培博士的博客文章  

         6月15日-16日,我在美国阿拉巴马州的Huntsville市参加了Solid Edge ST4的全球发布会。其间,体验了一下ST4的功能与使用方法,也与西门子负责Solid Edge业务的高层进行了专访,对同步技术有了更深的理解。

 90年代,我在参与开目CAD开发的过程中,与导师一起,对尺寸驱动技术进行过深层次研究。那时候,已经可以实现对多视图的工程图实现尺寸驱动,以便使客户能够方便、快捷地修改设计方案。我们当时研究的算法已经涵盖了线性尺寸、圆弧的直径尺寸、角度尺寸等,可以在尺寸驱动的过程,可以保持相接、相切、垂直、平行、对称、倒角、同心、均布等拓扑约束。当时,我们还开发了一种伸展变形功能,该功能不是修改尺寸的公称值,而是直接用鼠标选中图形进行移动,而CAD系统可以保持拓扑约束不变。这些功能,可以帮助企业大大提高设计变更和系列化产品设计的效率。

 当然,在二维环境下,做尺寸驱动还有相当的局限性。因为工程图的变化很多,有各类剖视图,还有一些曲线、齿轮、螺纹等特征,难以驱动。而在三维设计的环境下,如果能够将尺寸约束和拓扑约束定义明确,就可以进行更加准确的尺寸链计算和约束求解。

 三维实体造型技术(Solid Modeling)的核心是CSG(Constructive Solid Geometry)和B-REP模型。前者是体现的是建模的顺序过程,后者则是三维模型的点、线、面、体信息。而特征造型((Feature Modeling))则是在此基础上添加了设计特征信息。例如,在实体造型系统中,是没有阶梯孔、键槽这些特征信息的,只能表达其实体的属性信息。

CSG表达的是造型过程,B-REP则体现的是造型结果的三维实体信息。这二者在三维造型系统中均存在,而特征造型系统则是在CSG的基础上,添加了特征树的概念。这便是今天流行的各个主流的基于特征造型三维机械CAD系统的核心原理。由于特征造型系统是按顺序进行造型的,因此,保持特征树的准确至关重要。而所谓直觉建模(Direct Modeling),我理解其核心应当是只有B-REP信息,没有CSG信息,因为不考虑造型的顺序,所以,可以随便修改模型的点、线。面、体,无需考虑保持特征树的有效性,就像我们用橡皮泥捏泥人一样。而所谓轻量化三维模型,就是将模型中的特种信息和CSG数据全部删除,只剩下B-REP模型。

 为什么在不同CAD系统之间转换模型,会丢失特征信息? 我认为核心原因是因为各个CAD系统对特征的定义不同,就像很多企业的编码体系不统一一样。 因此,如果通过轻量化格式转换三维数据,则所获得信息都只剩下了三维实体信息,即B-REP模型。而一些CAD系统开发了专门的接口,或者通过STEP文件,可以在一定上将设计特征进行转换,并将造型过程树进行转换,并实现在特征之间建立一定的对应关系,从而实现部分特征的平滑转换,但是特征信息和特征树难以完全转换。

实体造型与特征造型有一个重大的问题在于,对于三维模型的任何修改,都必须基于造型历史的过程。比如,要在三维模型上删除一个孔,则必须去对特征树重新遍历,或者说重新生成一次特征树(我相信一些CAD软件会通过特殊的功能尽量避免全部重新生成特征,以便加快模型修改的速度)。这样,一方面使得特征的修改效率不高,另一方面,更关键的是,除非设计人员修改的尺寸本身就是三维模型的尺寸,例如孔的直径,某个长方体的长、宽、高,某个圆柱体的长度等,特征造型系统并不能按照产品设计的需要,任意修改设计尺寸,就实现尺寸驱动。而机械工程的常识是,在设计过程中,需要根据制造的要求,设置考虑封闭环,因此,设计人员需要标注的尺寸不可能都是设计特征本身的尺寸。所以,在传统的特征造型系统中,不能实现真正完整的尺寸驱动功能。而我理解,从理论上来说,由于直觉建模系统中只存储B-REP信息,不需要考虑保持CSG信息的一致性,因此,是有可能通过对尺寸约束和拓扑约束的记录和求解,实现三维尺寸驱动的。我去查询了一下CoCreate的信息,发现其的确具有三维尺寸驱动的功能。

那么,到底什么是Synchronous Technology,大家当然知道其常用的中文翻译是同步建模技术。其实,如果大家仔细去理解这个英文词汇,其实正确的翻译应当是同步技术,并未包括“造型”二字。

我理解,同步技术并不是一种不同与特征建模或者直觉建模的新的造型技术,而是一种将顺序造型和直接造型相结合,从而实现在三维环境下,进行尺寸驱动(或者叫参数化设计,Paramatric Design)及伸展变形(Strech)的三维造型方法和约束求解技术,其核心价值在于大大提升产品设计方案变更的效率。

为了实现三维环境下的尺寸驱动,我认为西门子PLM采用了特征建模与直接建模的混合模式,配合西门子PLM所拥有的Parasolid三维造型核心系统和D-CUBED求解器,实现三维建模和尺寸驱动,既保留零件的实体特征信息,又能实现尺寸驱动。而对于原来用特征造型方法,按造型顺序生成的三维模型,则需要将需要进行尺寸驱动的三维模型转换到同步技术的环境中,增加相应的约束信息,以便进行约束求解。

我认为同步技术的核心优势,并不在于造型过程本身,而是在于通过尺寸驱动,实现三维模型的迅速修改,从而实现快速的设计变更和系列化产品设计。

所以,同步技术实际上是一种在特征造型的环境下,为了实现三维尺寸驱动而开发的新型算法。同步技术需要首先要捕捉或输入机械零件中的尺寸约束和拓扑约束, 然后进行尺寸链计算和约束求解,从而实现尺寸驱动和伸展变形。开发过CAD的人都知道,这一点实际上是当年我们梦寐以求的理想。而这个理想,被西门子PLM旗下的数学家们实现了,我相信其核心算法是十分复杂的。西门子PLM负责Solid Edge的技术专家告诉我,他们已经申请了多项专利。

那么,为什么要实现尺寸驱动,需要将原来的顺序建模特征进行转换呢? 前面已经介绍了,实际上就是需要进行尺寸驱动的部分,不能完整地保留原有的CSG模型,或者说传统的特征树。因此,为了实现设计的变更,同步技术将需要驱动部分的特征信息进行了转换,再补充相应的约束信息,以满足实现其算法的需求。

Solid Edge的ST2、ST3和这次发布的ST4版,实际上是在同步技术这个核心的基础上,使得通过轻量化导入的特征能够通过特征识别获取约束信息(这对于传统的特征造型系统而言,是无能为力的);将基于二维工程图生成的三维模型进行尺寸驱动(需要保留及识别原二维工程图中的尺寸和拓扑约束);使同步技术不仅可以用于机械零件,而且可以用于钣金零件(未来可能还将适用于塑料件);使同步技术的尺寸驱动结果能够同时准确地修改二维工程图;实现在三维装配环境下的尺寸驱动和伸展变形(这个技术是更为复杂的,需要求解装配体之间的装配约束);通过同步技术提高仿真分析的效率等。

通过观看Solid Edge ST4的演示,我看到在尺寸驱动的过程中,可以锁定某些尺寸,在尺寸驱动时,不修改。这样,就可以实现使用者所期待的尺寸驱动结果,避免二义性。系统也支持方便地使用鼠标对特征进行拖拽,移动,系统自动保持拓扑约束,还可以快捷地拷贝特征,提高造型和对三维模型进行编辑修改的效率,使对三维模型的编辑更加自然。还可以对复杂的特征,例如弹簧进行方便地修改。

我认为同步技术真正的核心,在于尺寸约束和拓扑约束的求解,从而高效地实现对零件模型和装配模型的设计变更,真正实现参数化设计。同时,该技术可以使设计过程更加自然,符合工程师的设计思路。我感觉,也许对于一个从未使用特征建模技术的工程师而言,直接上手用同步技术进行建模和修改,有可能更快。因为没有传统习惯的阻碍。

总而言之,我认为,同步技术应当被视为三维造型技术发展历程中一个具有革命意义的里程碑。 当然,该技术也正在不断完善之中。

以上思考,纯粹是技术方面的探讨。希望与各位专家、同仁讨论,并不吝赐教。

以下是一些与ST有关的视频:

   http://www.youtube.com/watch?v=n991zqG853s&feature=related

   http://www.youtube.com/watch?v=WbJ8270EVmM&feature=related

   http://www.youtube.com/watch?v=jkCYbqU3NbI&feature=related 

   http://www.youtube.com/watch?v=YyRJP_Ctv08&feature=related

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