对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
本文标签: CAD 同步技术 特征造型 直觉造型 尺寸驱动 参数化设计 伸展变形 

    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

 

   

 

 

 

 

 

发表于: 2011-06-17 12:30 阅读(4627) 评论(12) 收藏 好文推荐
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-17 17:30 | 熊东旭 | 1楼
黄总这篇博客很技术~!
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-17 17:57 | 知雨 | 2楼
要细细读~~
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-17 20:20 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 3楼
黄总真是全才啊,技术、销售、管理样样行啊!
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-17 20:36 | zebrajack | 4楼
谢谢黄博给我们带来的ST的底层技术的介绍。这里我也想探讨一下这个热门技术。先亮一下我的观点: 我不是很赞同ST是“三维造型技术发展历程中一个具有革命意义的里程碑”的观点。至少现在不是。阐述一下我的理由吧:

1. 目前这门技术里面的“直接建模”部分的robust不是很强。怎样判断直接建模功能的强大与否可参考我翻译的文章。 http://otherstones.com/?p=138 ; http://otherstones.com/?p=143。 
2.这种技术本身有点不太让人接受的是:

a.我先阐述一下黄博的观点("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") 这背后的原因是ST的造型逻辑有问题: ordered的特征可以参照synchrous的实体/特征,反过来就不行了。我想知道这种逻辑该如何让用户来规划创建一个零件。本来客户是想随意在这两种技术间切换的,但逼得用户必须遵循先同步的特征,后参数的特征。这变成了一种强盗逻辑。
b. 因为a理由,最后就变成了同步建模在这里的运用主要是修改,而不是创建。那我想问的是“什么时候需要将从ordered挪到synchrounous中?”(也许很多人会说是为了修改方便,这句话讲到了实质:因为top-down规划的不好,模型再生时候失败了,干脆就打断那些复杂的关系,将特征从ordered挪到synchrounous中就不会报错了。但问题是,你是贪图方便,还是贪图参数建模的复杂关系带来的设计自动化。假如两者都要的话,那你建模的规划就变得越来越复杂了)
c.将特征从ordered挪到synchrounous的操作是不可逆的(你得先想清楚移过去以后就会抛弃之前的参数,约束等,世界上没有后悔药的)
3. 一直让我觉得疑惑的事情是:SIEMENS将ST当成是参数建模和直接建模交叉部分的技术(我记得他们有一张PPT这么展示的)。最后他们的方法就变成了:synchrounous是有特征的。syncrounous明明表现的就是直接建模,直接建模是没有特征只有B-REP的实体,他们创造性的弄出来了一个特征。我就不知道我要这些特征干啥?我是否能够灵活的去处理这些特征/实体吗?总让我感觉是带着脚铐跳舞。
4.对于直接建模技术,在国内还在推广阶段。所以我觉得有必要去深入的学习。比如有人说他是“无参建模”,但是能实现尺寸驱动的建模是无参数的吗?还有人说他是带约束的?但是用过的就知道,它会把前一分钟建的草图约束直接抛弃掉。
5.总结一下, siemens的ST技术是有独到之处,感觉上也很酷。但值得商榷的是这种独到之处给用户带来的好处是啥,是越弄越复杂,还是越弄越简单?站着个人角度上这门技术看上去挺好的,但站在一个团队,整个研发体系来说,该如何规范的使用这么技术呢?有没有best practice呢?总而言之,相对技术创新,我更偏好运用创新。

有异议的童鞋欢迎板砖。




# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-17 21:01 | 黄培 | 5楼
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-17 21:10 | 黄培 | 6楼

    我在99年的时候学习过Solid Edge V6。当时感觉还是很方便的,我完全是自学的。坦率地说,这些年我没有具体去使用各种三维软件,看得倒是很多。

    我觉得最好的Benchmark,就是让真正从事产品设计的工程师,使用这种技术来进行实际的设计。看是否真正用得是否更舒服,更自然,修改模型更方便。

    另外,其实Solid Edge将ST作为产品名称的一部分,我觉得是值得商榷的。ST是一种技术,其实与Insight等图档管理功能、仿真功能没有本质的关系。所以我觉得更好的方式是:Solid Edge 某个版本,但是可以指出从什么版本之后,是ST Enabled。



    



# 同步技术的探讨
2011-06-18 00:08 | Arthur_UHPLM | 7楼
首先,感谢黄总分享的专业技术理解和分析。

作为到Huntsville参加sT4发布会的技术人员,很可喜的看到Siemens PLM Software对同步技术的不断完善和优化。

本人是从V9版本开始使用Solid Edge的,并且全程经历了同步技术的发展历程,也从一开始的混沌,到逐渐的接受、适应和使用。

将同步技术说成是创新历程碑也罢,这些都是虚无的东西,而对于我们设计人员最实在的,有重要意义就是:我们又多了一种设计手段!!

不管是同步技术或者传统特征设计技术,都有其存在的价值,应该是并存发展,共同前进。设计者完全可以根据个人喜好、产品特色选择合适的建模方式。

以下将个人使用同步技术的优势总结如下,供参考与讨论:
1、 继承已有历史数据——对于国内绝大多数的用户来说,都是有大量的已有二维数据(AutoCAD、开目、CAXA等),使用同步技术可以利用图纸信息快速创建出参数化模型,另一个数据的继承是指将导入的第三方软件模型和图纸有机结合成可参模型。当然,这些操作仅仅是对客户的心理安慰,实际应用价值不大,建议还是直接进行实体建模。

2、 外部数据利用——使用同步技术可以对外部导入的模型直接修改。由于同步技术是基于模型的,因此可以直接三维参数驱动设计、快速选择相关元素、智能判断模型结构关系、实时操作于模型。这些都有基于特征的传统方式所无法比拟的,因为导入的模型只有一个体特征。诸如“缝缝补补”的修改操作,本人是经历了近十年的设计,苦不堪言。而同步技术在某些程度上说,是给设计人员带来极大的福音。

3、 团队设计——同步技术的最大优势在于装配级的设计和修改,基于模型的设计技术保障其可操作性,这点是传统技术所无法比拟的。设计者可以在装配环境中,直接利用所有的资源进行关联设计和修改,效率可以大幅度的提升。

4、 最佳获益——根据上述特点,为企业提升整体设计效率、产生更多的经济效益变得水到渠成。使用拥有同步技术的软件,可以为企业统一设计平台,而不再是以前的各自为政;并且可以将同步技术应用于更深层次的有限元分析(CAE)、加工制造(CAM)软件,提升整体设计手段。

当然,一项新技术的产生到成熟是有过程的,我们应该理智的看待。有实用价值的就尽早使用,功能不够的就等待更新的版本。
期待同步技术能走得更远更好,为我们的设计带来更多的价值!
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-18 11:01 | zebrajack | 8楼
黄博,Arthur_UHPLM我想再补充几句:

首先我很赞同黄博的那句话:

“让真正从事产品设计的工程师,使用这种技术来进行实际的设计。看是否真正用得是否更舒服,更自然,修改模型更方便。”

我觉得Arthur_UHPLM从实践中得到的真知很给力,同时我也想给出自己的一些回应:


理由一:不想多说

理由二:这是纯粹的直接建模的功能,也不想多说

理由三:我和Arthur_UHPLM有同感,从SIEMENS给出的例子也是,在装配级别的编辑修改比较灵活。我不是SE的用户,但我还是想提出我的一些问题,可能会比较幼稚,请Arthur_UHPLM回答。

a.同步建模给装配带来的好处具体是啥?(我感觉是异构数据在一起装配的时候比较体现出它的好处,因为非SE数据装配进来的话也可以在装配的环境下进行调整)

b.装配级别的修改涉及到利用ST达到修改方便的话,是不是必须将局部order特征甚至整个order特征挪到ST下。但怎样挪好像也挺有技巧的(我测试的情况,时不时发现发现挪动的不可控,有时候干脆报错说挪不过去)。你有什么最佳实践吗

c.无论是零件级还是装配件级,特征的挪动是不是仅仅是说能够快速帮助完成这个模型就可以了。那以后的设计数据重用该如何解决呢?因为这里掺杂着两种特征的模型树如何帮助企业后续的规范化设计呢。(假如企业有意去规范话设计的话,假如没有的话,这个问题作废)

理由4.平台是统一了。我想问的是,CAE,CAE工程师操作同步建模有问题吗?还是说模型的简化还是得依赖CAD操作员。假如他们能够操作的话,那他们的修改应该如何整合到规范化设计里呢(上下游的人怎样读懂他们的修改,并如何有效地将修改带入到设计中)?

我的问题可能会比较幼稚,或者说站在单个个体的一次性设计上来看同步建模没有啥问题。但我还是想强调规范化设计和数据重用。(假如不认同的话,作废涉及到此观点的讨论)
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-20 00:01 | 赵敏 | 9楼
关注1:黄总还能写出这么技术化的文章,宝刀不老啊:)
关注2:由黄总文章而引发的技术讨论,更为细微,更为实际。
关注3:国际上CAD技术很多年都没有重大进展了,希望能尽快有所突破。
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-06-20 10:46 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 10楼
好深刻的技术讨论~~~~作为爱好者,就不参与了,围观学习~
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-07-07 15:50 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 11楼
上面很多专家讲了一大堆,有些能看明白一点,还有很多搞不懂,我只是一个企业工程师,很早就开始用SolidEdge,现在也一直用,原因就是好学,基本工作也能完成,但是现在感觉SE大量宣传的同步建模让我不知道该怎么用软件了,每次的发布会看了后都挺不错的,但是自己一用,完全不是那么回事,SE的经销人员也不能给我一个好的支持,我感觉现在我们的工程师完全被这些软件公司玩概念给玩了,你的技术不成熟,那就成熟了再来推广,或者能够给我们这样的正版用户一些使用规范的指导和支持,否则你那我们一天到晚来看这些有什么用?有这功夫不如做些实际的技术服务更好些,这些年SE的支持都换成什么样了,很多还不如我们对软件的最基本操作清楚,只是会做一些软件厂家设计好的例子,一点实际用处都没有!这叫什么正版服务!
# re: 对同步技术相关问题的思考(The understanding of Synchronous Technology)
2011-11-08 11:47 | BullMan | 12楼
 直接建模,就是不管你是有特征还是无特征(从其它CAD系统读入的非参数化模型),都可以直接进行后续模型的创建,不管是修改还是增加几何,无需关注模型的建立过程。这样就使得我们可以在一个自由的3D 设计环境下工作,比以往任何时候更快的速度进行模型的创建和编辑。不同于基于特征的参数化3D设计系统,直接建模能够让您设计如您所思所想,以最直观的方式对模型直接进行编辑,所见即所得,自然流畅地进行随心所欲的模型操作,无需关注模型的创建过程,模型树、历史树通通下课!——又是天上一片云啊,落地不知是何年?

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