产品设计中同步建模技术与传统建模技术的对比分析

冉险生 林 立

（重庆交通大学，重庆 400074）

产品设计中同步建模技术与传统建模技术的对比分析

冉险生 林 立

（重庆交通大学，重庆 400074）

在新产品开发设计工程中，复杂的设计分工，使设计人员获得数据的渠道变得多种多样。传统设计方法费时费力且效率不高，非参数据的重用和更改也一直是困扰设计人员多年的问题。一种新型的建模方法——同步建模（Synchronous Modeling）克服了传统建模方法的缺点，提出了基于特征的快速模型修改，并在UGNX7.0中得到广泛应用。

产品设计 同步建模 传统建模

由于计算机图形学的快速发展，由此衍生出的产品数字化设计对传统二维设计技术有着突破性的推动作用，特别是三维CAX（CADCAMCAE等）技术的广泛应用更是使产品设计达到一个前所未有的高度。经过激烈的市场竞争，三维CAD市场形成了以PRO/E、UGNX、CATIA为核心的软件集成。三种软件提出的建模理论和概念各不相同：PRO/E首创参数化设计，以GRANITE为几何建模内核（Kernel）；UGNX提出混合建模技术，以PARASOLID为几何内核；CATIA是以自己独有的核心为几何内核的混合建模技术［1－2］。

不管是PRO/E的参数化设计还是CATIA、UGNX的混合建模其核心都是参数化技术，是一种基于建模历史的参数化技术。也就是说在进行三维数据设计的时候，软件会自动记录每一个步骤的建模顺序、所输入的建模参数，这对后期数据修改非常重要，但在设计过程中进行设计调整的时候，我们并不需要重新建模，而是在原来的步骤和参数的基础上进行修正，重新更改设计参数，进而达到设计变更的目的。这种参数化的设计方法革命性地提高了设计效率，以至于现在绝大部分三维软件都使用参数化、变量化（参数化的变种之一）进行产品结构设计。非参架构仅仅局限在一些专业构面逆向软件如：ICEMSURF、IMAGEWARE等。参数化设计从最先PTC公司提出到目前已经有20年左右的历史，经过多年的设计运用，参数化设计已经发展得非常成熟。我们在受益于参数化设计带来便利的同时也发现这种基于历史的参数化设计并不完美。最明显的问题就是：

（1）设计引用

在产品设计过程中经常会以相关特征面上的点、线、面为参考进行造型结构设计，也就是作为临时设计基准，这样后续设计步骤就存在与所引用的点、线、面的一种依附关系，也就是通常所说的“父”、“子”关系。一旦在设计后期要对前面的“父”进行更改甚至是删除，那么由“父”而衍生出来的“子”（其他特征）就会发生建模逻辑上的混乱，在更改后进行模型的重新生成时往往会以失败告终［3］。

（2）建模历史

以往不管参数化还是以参数化为核心的混合建模，其建模过程都是一个基于历史的过程。特征创建时，系统自动赋予它一个时间戳记，当修改物体时，更新将由时间戳记的顺序控制［4］。如果设计的零部件结构过于复杂，在进行零部件后期修改时，用于特征重构的时间和几何转换的时间就会变得很长，每进行一次特征修改，后面的特征都会进行一次重新生成，严重浪费了设计人员的时间，对提高设计效率极为不利。

另外还有一种情况长期困扰工程设计人员，就是第三方数据的快速有效地修改。一般设计人员获得的最终第三方数据都是非参数据（Unparameters Data）。如果我们要利用非参数据进行设计修改或者数据部分重用，进展就比较缓慢了，因为传统的参数化设计与非参数据在数据构成上面是完全隔离开的。如何快速修改非参数据一直是参数化技术的瓶颈。

基于上述问题，UGNX在其6.0及以后的版本推出了能突破目前参数化瓶颈的同步建模技术（Synchronous Modeling）。所谓同步建模技术是一个基于特征的建模技术，这种技术第一个支持基于历史和独立于历史两种模式（History Mode and History－Free Mode）［5］。同步建模的核心是修改模型时不考虑模型构建的顺序，更改操作是基于实时的尺寸驱动，没有数据的特征回放。

1 基于历史的建模

以图1为例，在进行摩托车油箱装饰板支耳的设计过程中，支耳面的修改从右边的特征导航表中可以看出其特征编号为68，即为此产品设计的第68步。从图2可以看出目前产品特征编号为601，此时如果发现先前68步设计的特征不妥，要进行修改，传统设计方法直接点击Trim Body（68）按弹出的参数菜单进行设计修正，完成后软件进行重新计算（REDO）。随着结尾编号越往后，每次更改编号靠前的特征，重算的时间会显著增加，重算出错的机会也会增加。

传统模式中更改以前的特征通常使用两种方法：（1）直接在68号特征上进行更改；（2）综合运用特征操作（Feature Operation）、直接建模（Direct Modeling）等进行特征修改。修改的过程非常繁琐，耗费设计人员的时间和精力。由于传统设计方法存在诸多缺点，SIEMENS PLM事业部提出了全新的设计理念：基于历史的同步建模模式（History Mode）直接修改

相关参数化模型。下面我们分别使用传统模式和同步模式两种方法来进行设计对比。

对图1支耳按 方向（向上）移动5 mm，按NX4及以前的版本，完成目标分如下几步：

①通过变换坐标，构建草图，构建切割平面；

②切割实体，进行曲面替换、延伸剪切等实体变换；

③向 方向移动支耳，进行布尔求和运算；

④完成目标。

从图3可以看出，要完成此目标，我们共进行了27步操作，完成了支耳向 向移动5 mm的动作。

下面再来看看使用NX7.0的基于History Mode的同步建模达到上述目的所需要的步骤（如图4）：使用同步建模（Synchronous Modeling）模块的 Move Face，在方向栏选定移动方向，在Distance栏输入距离5 mm即可完成。再看看右边的特征导航器，到Move Face完成，后面的编号为601，也就是说使用同步建模的Move Face命令，一步即可完成以前要27步才能完成的任务。并且保留了原始数据的参数特征，这对产品设计来说是一个突破性技术飞跃。

2 独立于历史的建模模式

现代设计是一个数据大协同、数据大共享的时代，在进行一个庞大项目时，不可避免地接受各方面、各种格式的三维数据，从外界得到的数据绝大部分都是没有参数的。对这些没有参数的特征，要进行修改或者数据重用，传统方法（PRO/E、UGNX、CATIA）不外乎都是通过实体切割、偏置、复制、移动、布尔运算等手段完成设计更改。而运用同步建模技术往往只需要1～2个命令就可以解决。通常我们利用History－Free Mode进行几何或者尺寸上的实时编辑。同步建模没有时间戳记，仅对产生同步特征的命令建立表达式，更重要的是没有整体特征的更新或特征回放［5］。

如图5产品设计项目组，组成人员中有人使用UGNX、有人使用 CATIA、有人使用PRO/E，相关零部件完成后，都需要提交给项目总设计师进行装配验证和相关检查，如干涉检查、运动分析等。检查结果不符合要求就要进行修改。

下面来看看使用CATIA V5完成某踏板车前挡风板部件数据，分别应用传统设计方法和同步建模（如图6）对其进行结构修改。首先我们获得的是CATIA输出的STP格式的文件，这是一种汽车、摩托车行业常用的中性格式的实体文件［6］。从图7左边的特征导航器中可以看出输入NX7.0的踏板车前挡风板是一个没有参数和历史的数据，也就是此数据是独立于历史的。

在装配检查中我们发现件1、件2在 处没有按设计要求做成0间隙（如图8），而是有 1.078 9 mm的间隙。更改方法一：①在数据a－a处切割件2凸台特征；②移动凸台至正确位置；③修正切割后凸台残留特征；④延伸凸台至件2本体，修剪凸台特征末端曲面使之与件2相应曲面完美配合；⑤布尔求和将凸台特征加在件2上面成为一个完整实体。

更改方法二：使用同步建模技术选择好需要变化的Face如图9，通过Pull Face或者Move Face命令确定矢量方向，输入间隙值1.078 9 mm完成数据修改。

通过以上对比可以看出使用同步建模技术对独立于历史的非参数据的修改，显示出强大的优势，较之传统建模方法显著提高了设计效率。

3 结语

对同一零部件上的特征修改我们使用了两种方法进行对比，从中可以看出使用同步建模方法来进行数据修改特别是后期数据修改，其效率远远高于传统特征建模方式。正如Liebert公司的Jack Beeckman所说“同步建模技术改变了人们利用CAD的方法，更重要的是，它使设计者有更多的精力去考虑他们想要在模型中创建什么，而不是考虑怎样去建模”。这种可独立于建模历史的构建技术是CAD技术今后发展的主要方向。

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

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

［3］张幼军，王世杰.UG CAD/CAM 基础教程［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［4］赵波，张琴.UGNX2相关参数化设计培训教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［5］洪如瑾.UG NX6同步建模技术培训教程［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［6］陈鑫，林逸.车身CAD技术［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

冉险生，男，1971年生，讲师，主要研究方向：现代交通工具设计方法、车辆造型技术，已发表论文8篇。

（编辑 谭弘颖） （

2010－02－22）

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