1 引言

    自上世紀(jì)60年代三維CAD系統(tǒng)問世以來，三維造型技術(shù)一直處于飛速的發(fā)展當(dāng)中，從開始的簡(jiǎn)單線框造型到自由曲面造型再到參數(shù)化的實(shí)體造型，CAD技術(shù)經(jīng)歷了一次又一次的技術(shù)革命。在基于歷史的參數(shù)化建模技術(shù)稱霸近二十年后，同步建模技術(shù)誕生了。同步建模是一種獨(dú)立于歷史的建模方法，突破了傳統(tǒng)順序結(jié)構(gòu)和特征樹的限制，在對(duì)當(dāng)前模型進(jìn)行修改的過程中，可直接對(duì)當(dāng)前特征進(jìn)行修改，并用同步關(guān)系維護(hù)已存在于模型中的幾何約束條件。在幾何構(gòu)建或修改時(shí)，特征操作歷史不被存儲(chǔ)，不被一系列特征建立時(shí)間順序所依附。Solid Edge是有Siemens PLM公司于2008年推出的一款基于同步建模技術(shù)的軟件。與NX同步建模不同的是，Solid Edge不僅僅只用于模型修改，還能直接用于零件的全新建模，同時(shí)具備CAD數(shù)據(jù)的重用功能，用戶可直接編輯來自其他CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，更加方便了各類型數(shù)據(jù)之間的交換。

    冷鐓機(jī)是一種大型的鍛壓設(shè)備，是一種以墩為主用來快速大批量生產(chǎn)高質(zhì)量螺栓螺母的專用設(shè)備。當(dāng)前的冷鐓機(jī)由過往單工位發(fā)展到如今的多工位，多工位全自動(dòng)冷鐓機(jī)作為一種高技術(shù)含量、精密、自動(dòng)化的成型設(shè)備，極大地提高了緊固件行業(yè)的發(fā)展。因此對(duì)冷鐓機(jī)的研究與優(yōu)化對(duì)緊固件行業(yè)的發(fā)展具有推動(dòng)作用。多工位全自動(dòng)冷鐓機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用合理的三維軟件尤為重要。

2 同步建模與參數(shù)化建模對(duì)比分析

    同步建模技術(shù)的出現(xiàn)，是3D造型技術(shù)發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑，它在傳統(tǒng)的參數(shù)化建模和顯示建模的基礎(chǔ)上，加入了同步解析，3D尺寸驅(qū)動(dòng)、2D轉(zhuǎn)3D等先進(jìn)技術(shù)，包含了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，擯棄了它們的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了靈活編輯、快速修改、多CAD數(shù)據(jù)直接交換等特點(diǎn)。同步建模技術(shù)與傳統(tǒng)三維建模技術(shù)相比主要的優(yōu)勢(shì)有幾下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變更的高效性

    傳統(tǒng)的基于歷史的參數(shù)化建模的CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，若需要對(duì)原有的模型進(jìn)行特征添加、變更或修改，需要找出該特征在特征樹中的位置，若存在其他特征依附于此特征，則對(duì)其特征的操作可能會(huì)影響其他依附于它的子特征，這樣在修改時(shí)計(jì)算量會(huì)變得非常大、速度慢，還有可能導(dǎo)致其他子特征的缺失、損壞等。若零件較為復(fù)雜或需變更的特征在特征樹中較為靠前的位置，則可能導(dǎo)致較多特征損壞甚至整個(gè)模型的損壞。

    使用同步建模技術(shù)對(duì)零件某一特征進(jìn)行修改時(shí)只會(huì)對(duì)要修改的特征產(chǎn)生變化而不影響其子特征，且在其之前創(chuàng)建的特征會(huì)增加可以適應(yīng)變更后模型的特征，使得模型的修改更加靈活、高速。

（2）用戶操作的簡(jiǎn)潔性

    同步建模技術(shù)提供了一種操作新體驗(yàn)，Solid Edge基于Windows平臺(tái)，界面與Microsoft Office幾乎一致，且兼容Windows系統(tǒng)的部分功能。最新版本的Solid Edge還增加了傳統(tǒng)建模技術(shù)做不到的功能如：陣列特征識(shí)別、按表創(chuàng)建陣列、增加設(shè)計(jì)意圖面板等諸多功能，這些都使用戶的操作更加直觀簡(jiǎn)潔，加快了產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，大大縮短了優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高工作效率。

（3）對(duì)于歷史數(shù)據(jù)良好的繼承性

    對(duì)于絕大多數(shù)的產(chǎn)品，尤其是早期設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，保存下來的都是二維數(shù)據(jù)，這樣在產(chǎn)品的優(yōu)化過程中需對(duì)其進(jìn)行重新建模，傳統(tǒng)的建模方式不能直接將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)，只能采取重新新建草圖、經(jīng)拉伸旋轉(zhuǎn)等一系列操作形成三維模型。Solid Edge支持二維數(shù)據(jù)格式，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換直接打開dwg格式的二維數(shù)據(jù)，在二維圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列操作為其添加三維特性，從而快速形成三維模型。此外，同步技術(shù)將二維數(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)起來，將以往的三維模型尺寸（PMI）驅(qū)動(dòng)圖紙尺寸的方式改變?yōu)閳D紙尺寸與模型尺寸互相驅(qū)動(dòng)的方式，使模型與圖紙之間能夠迅速關(guān)聯(lián)即時(shí)更新。

（4）對(duì)于外部數(shù)據(jù)良好的重用性

    對(duì)于外部導(dǎo)入的模型通常只有一個(gè)體特征，由于缺少其他的參數(shù)如尺寸參數(shù)、特征參數(shù)等，在傳統(tǒng)的建模環(huán)境下難以對(duì)其進(jìn)行編輯。由于同步建模技術(shù)不基于特征可以直接對(duì)模型進(jìn)行三維尺寸的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可以更加智能的利用外部環(huán)境的CAD數(shù)據(jù)。

3 同步建模技術(shù)在冷鐓機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    在對(duì)冷鐓機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型修改過程中，同步建模技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）修改速度

    如圖1所示的冷鐓機(jī)床身模型，該模型的特征樹上共有1058個(gè)特征。為使保證冷鐓機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性，需要增加其機(jī)架與底座的連接板寬度，圖中高亮顯示的拉伸7為需要修改的特征，處于特征樹比較靠前的位置。盡管此特征的修改不會(huì)影響其他的特征，但是在參數(shù)化環(huán)境下，對(duì)其修改后，系統(tǒng)需對(duì)在此之后的所有特征進(jìn)行更新，因此，這一操作花費(fèi)了大約60s的時(shí)間。而且，修改后系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)1052條相關(guān)特征的錯(cuò)誤警告，如圖2所示。

圖1 NX順序建模環(huán)境中的冷鐓機(jī)床身模型

圖2 警告提示

    若使用同步建模技術(shù)，其修改就變得得高效許多，如圖3所示，在Solid Edge中打開零件，選中需要拉伸的面（如圖3中高亮顯示的面）拉伸到需要的距離，這個(gè)過程不需要更新其他任何特征，修改過程僅需2s，速度提高約30倍。

圖3 兩種方式的速度對(duì)比

（2）陣列特征的修改

    原有的冷鐓機(jī)為5工位冷鐓機(jī)，現(xiàn)需增加一個(gè)過渡工位，原有的整體尺寸不變。這一改變需要修改動(dòng)模和定模部分的多個(gè)零件，修改過程較為繁瑣。本文選取定模部分的定模板為例（如圖4所示），現(xiàn)有的定模板模型為參數(shù)化設(shè)計(jì)所得，上面的孔均由草圖陣列經(jīng)拉伸所得。若同樣適用參數(shù)化的修改方法，則需要修改草圖，再重新拉伸成孔陣列。在修改草圖的過程中，孔間距需重新計(jì)算、且修改草圖過程和重新拉伸過程多為重復(fù)工作。此外，如果遇到如圖5所示的雜亂無章的草圖尺寸會(huì)使得草圖的修改難度增大且浪費(fèi)時(shí)間。與陣列孔對(duì)應(yīng)的還有很多其他特征或陣列，需同時(shí)對(duì)所有相關(guān)聯(lián)的特征同時(shí)修改，否則會(huì)導(dǎo)致模型損壞（如圖6所示）。導(dǎo)致工作量增加、工作效率降低。

圖4 定模板參數(shù)化模型

圖5 雜亂的草圖尺寸

圖6 修改后的模型

    Solid Edge ST8擁有基于同步技術(shù)的陣列識(shí)別功能，可以對(duì)其他數(shù)據(jù)格式的模型的特征進(jìn)行陣列識(shí)別，并直接修改陣列個(gè)數(shù)，并對(duì)陣列間距進(jìn)行自動(dòng)變更。無需修改草圖，大大減少了工作量并提高了工作效率，經(jīng)實(shí)際操作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這一修改的效率提高了10倍以上。

圖7 特征識(shí)別方法修改陣列

（3）2D轉(zhuǎn)3D功能

    若對(duì)早期設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行功能改進(jìn)，其產(chǎn)品的三維模型丟失或沒有三維模型，只有二維圖紙和實(shí)體產(chǎn)品，雖然是優(yōu)化設(shè)計(jì)但是其建模過程卻如同重新設(shè)計(jì)過程一樣，需對(duì)產(chǎn)品的所有特征進(jìn)行重新建模，這樣就造成了時(shí)間以及人力資源的浪費(fèi)。Solid Edge擁有基于同步技術(shù)的2D圖紙轉(zhuǎn)換三維實(shí)體模型的功能，可以直接利用dwg格式的圖紙來進(jìn)行拉伸形成三維模型，這樣就會(huì)大大減少了工作量，縮短了優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

    Solid Edge具有十分良好的數(shù)據(jù)重用性，完全支持來自AutoCAD、NX、CATIA、Pro/E等等幾乎所有CAD軟件的數(shù)據(jù)格式并可在建模環(huán)境下打開.Dwg格式的圖紙文件（如圖8所示）。

圖8 Solid Edge支持的數(shù)據(jù)格式

    在建模環(huán)境下打開冷鐓機(jī)曲軸的圖紙后將自動(dòng)生成草圖，在界面中顯示出草圖面，選擇實(shí)體命令中的旋轉(zhuǎn)命令將出現(xiàn)如下的對(duì)話框。

    與傳統(tǒng)的建模方式不同的是，Solid Edge的旋轉(zhuǎn)要素可以為面，這樣可以更加快速精準(zhǔn)的選取要旋轉(zhuǎn)的區(qū)域，使得旋轉(zhuǎn)操作更加便捷。在模型建立后，用戶可以直接對(duì)二維圖紙上的標(biāo)注進(jìn)行修改即可驅(qū)動(dòng)三維模型，實(shí)現(xiàn)了圖紙驅(qū)動(dòng)模型的新型建模方式。

圖9 Solid Edge支持的數(shù)據(jù)格式

圖10 冷鐓機(jī)曲軸模型

4 小結(jié)

    不基于歷史的同步建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無約束設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要快速方便的修改模型，也可以在不斷地重復(fù)修改中找到最合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑。結(jié)合Solid Edge的易操作性和同步建模的高效性，設(shè)計(jì)師在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的工作量大大減少，工作效率大幅度提升。以同步建模技術(shù)為核心的Solid Edge正逐漸成為設(shè)計(jì)師熱衷的設(shè)計(jì)軟件，將成為提高生產(chǎn)效率的有效工具。

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