1987年发布的 Pro/ENGINEER(现为 PTC Creo)是计算机辅助设计 (CAD) 历史上的一个重要里程碑,它将 CAD 行业引入了基于历史的参数化建模。从那时起,几乎所有主流 CAD 程序都采用了参数化范例,包括 SOLIDWORKS、Autodesk Inventor、Creo Parametric、CATIA、NX 和 Onshape。

如果你在过去的二十年中做过任何 CAD 建模,那么很可能熟悉基于历史的参数化设计。简而言之,参数化设计涉及工程师逐个构建 3D 几何图形。 2D 草图变成 3D 特征,并适当地应用约束和关系以符合设计师的意图。但是,由于每个步骤都依赖前面的步骤,因此参数化设计可能需要仔细规划。

尽管参数化建模非常强大并且流行,另一种 CAD 范式也有自己的支持者:直接建模。

在直接建模中,几何为王。用户不再需要担心他们零件的历史,而是可以直接对 3D 几何图形进行操作。一些现代 CAD 系统使用直接建模而不是基于历史的参数化建模,而其他系统则提供了参数化和直接工具的混合。为了更好地了解参数化建模和直接建模之间的差异,它们可能最适合哪些用例,以及它们如何可能继续发展,我们采访了经验丰富的 CAD 用户和业内人士,了解他们对这两种范式的看法。

1、参数化建模

首先,让我们澄清一下我们使用的术语。 Pro/ENGINEER 开创的设计范式也许应该称为“基于历史”的建模,因为模型的线性逐步创建的特性真正将其与直接建模区分开来,直接建模也可能被称为“无历史”的建立。

“基于历史的 CAD 软件依赖于用户构建具有一系列特征的单个零件,”资深 CAD 用户 Matt Lombard 在一本关于西门子 CAD 软件 Solid Edge 的电子书中写道。 “软件按顺序记住特征,模型必须在前进的每一步中完美地解决这些特征。你可以将这种模型构建方法想象成一个计算机程序。你需要为每个步骤提供计算机指令,每次重建模型时它都会执行这些步骤。”

尽管如此,基于历史的建模通常被称为“参数化”,因此我们将这两个术语视为相似.请记住 Lombard 的警告:“人们经常错误地认为只有基于历史的软件才是参数化的。参数化意味着模型由参数驱动,这些参数可以包括尺寸、图案实例、壁厚、孔直径和深度等。”

Lombard 对计算机程序的类比非常适合参数化建模。就像在编写程序时一样,工程师越是提前考虑要完成的工作,最终结果就越好。即使一个模型,就像一个程序,可以在运行中组合起来,但对于其他工程师来说编辑可能是草率和困难的。

另一位经验丰富的 CAD 用户 Roland Schwarz 指出,参数化建模的这一事实可能是双刃剑。 “如果你与真正擅长参数化的人一起工作,并以良好、深思熟虑、严谨的方式构建他们的项目,那就太棒了,”Schwarz 说。 “但是你可以让某人进入那里并进行修改和更改,并将内容复制到错误的地方,并且没有一个合乎逻辑的系统。那时它变得一团糟,我只想从头开始导出和导入。”

导出和导入模型会删除其特征历史并将其转换为所谓的“哑几何体”,这只是没有设计意图的几何体。最好的参数化 CAD 设计师非常擅长构建他们的项目,以至于有时只需查看其中一个模型就可以识别出他们,就好像他们在历史树上留下了数字指纹。

即使最终模型完全相同,也有很多方法可以到达那里——有些肯定比其他更好。“而且我的方法是最好的,”施瓦茨开玩笑说。 “这就是每个优秀的 CAD 建模师都会说的。”参数化建模对于由尺寸驱动的产品非常有用——想想标准的办公用品,如办公桌和搁板或尺寸可以变化的工具。使用参数化方法,工程师可以快速轻松地为他们的设计创建不同的配置。

但是从不那么严格的建模者居住的地方开始,参数化建模范例中开始出现裂缝。

“有时我认为你可能会陷入困境历史,”另一位 CAD 资深人士 Bruce Bartlett 说。 “尽管历史给了你快速改变事物的能力,但缺点是如果你不了解它是如何建造的,或者你有一些人正在建造的东西有点失控,你可以花更多的时间涉足历史树,而不仅仅是抓取一些面并移动它们。”

参数化建模的另一个弱点是,随着特征数量的增加,更新模型所需的计算量也会增加。“如果历史树中有一个具有 1000 个特征的零件,当你编辑该树中的最后一个功能时,它会非常快速地进行,”Siemens PLM 主流工程副总裁 Dan Staples 解释道。 “但是当你编辑该树中的第一个特征时,可能需要很长时间,因为它必须在到达第 1,001 个特征之前计算其间的所有 1,000 个特征。

”凭借其优势和劣势的平衡,参数化建模CAD设计的最佳选择? Staples 不这么认为。“编辑尺寸以实现尊重设计师意图的非常可预测的结果的概念本质上是有价值的,”他说。 “在 1987 年由 Pro/ENGINEER 完成并在过去 25 年中被几乎所有其他人复制的被称为基于历史的设计的实施并不是编辑该维度的最有效方法。”Staples自然而然地支持西门子的同步技术,我们稍后将讨论的范例。

2、直接建模

顾名思义,直接建模为设计师提供了一种所见即所得的方法来构建和编辑他们的模型。

“但一般来说,直接编辑是一种 CAD 方法,你可以直接操作模型的面,而不是间接编辑特征定义或草图……如何制作几何图形并不重要,坦率地说,它不如如何制作有趣几何形状发生了变化,”Lombard 写道。

“在直接建模中,设计师可以推动和拉动他们的模型来改变它。此功能的一个好处是可以轻松更改设计,从而实现快速迭代和原型设计。出于这个原因,直接建模在工业设计领域找到了一个利基,其中流畅的曲线和大胆的美学发挥了重要作用。”Onshape 联合创始人兼研发副总裁 Dave Corcoran 说。

建模可以消除参数化设计不佳的一些问题。直接建模无疑为他们可以在不造成完全破坏的情况下改变哪些领域开辟了广阔的领域,

改变模型而不担心破坏它的能力可能意味着很多,特别是对于希望扩展其 CAD 效用的公司而言模型。 Schwarz 将 CAD 模型描述为资产,并且与任何其他资产一样,它们需要投资才能保护。直接建模将保护这项投资,Schwarz解释说。

但直接建模也有其自身的缺点。

“大多数无历史记录的系统不能很好地处理尺寸编辑和获得可预测的结果,”Staples说。 “有时你会听到人们谈论一种推拉式的系统,他们看起来很性感,但当推到推到最后时,你真的希望能够编辑尺寸和创建尺寸位置等等。”

直接建模的另一个问题是,对于大多数 CAD 建模人员来说,这根本不是他们习惯的方式。经过多年的参数化设计经验——以及多年习惯其缺点——可能只是缺乏考虑替代方案的动力。

“我认为参数化建模不会很快消失,”Schwarz说。 “那里有非常多的用户,他们都很好地关注并喜欢它,或者至少他们对它感到满意并且不会去任何地方。我认为直接建模是向前迈出的一大步。同时,我认为必须围绕它发展一种文化——在这种文化中,它变得更加被接受,并且对使用它的最佳方式更加理解——尤其是在产品生命周期甚至生命周期内管理建模项目方面其最初的发展,而不是让它成为一个比解决方案更大的问题。”

3、淡化设计范式之间的界限

大多数主流 CAD 系统都提供参数化和直接工具的某种混合,尽管这些工具的功能可能会有所不同。

“Onshape 是一个参数化建模器,但它确实在其之上构建了一些直接建模,” Onshape 用户Bruce Bartlett 解释说。 “这是直接建模,但它仍然是参数化的。 有时我希望它只是一个纯粹的直接建模器,我们可以在没有任何历史记录的情况下移动面。” Bartlett 所指的是,即使这些工具的作用类似于直接编辑工具,它们仍然会在历史树中创建特征。 由于真正的直接建模是无历史的,因此这种方法只是准直接的。

与 Onshape 一样,SOLIDWORKS 也提供直接编辑工具,可以方便用户完成某些任务,但最终将特征留在历史树中,保留参数化设计的潜在问题。

其他 CAD 程序以不同的方式实现混合工具。 例如,Autodesk 的 Fusion 360 允许用户在参数化或直接建模模式下进行操作。 在直接模式下,你的设计历史将不会被记录。 用户还可以将任何特征转换为直接建模特征,同时保留参数历史树的其余部分不变。

西门子在其 NX 和 Solid Edge CAD 软件中采用了另一种方法,称为同步技术。

同步技术声称可以在单一环境中独特地结合最好的参数化和直接建模功能。“使用同步技术,我既可以手动移动面,也可以通过编辑尺寸来移动面,”Staples 解释说。 “而且我们拥有独特的技术来解决所有这些问题并在这样做的同时保留所有设计意图,但没有历史树的包袱或任何重新计算。”

Staples 认为同步技术比其他 CAD 更进一步程序的混合工具,回避了在将直接建模作为历史树中的一个特征实现的系统中可能出现的一些问题。

“考虑一个简单的案例,一个有洞的块。这个洞的直径是半英寸。你已经为此建模了五年,它有 1000 个特征,最后你的老板想把半英寸的直径改成 0.4 英寸。你会想‘好吧,我直接编辑这个,’这增加了第 1,001个特征。这是一个将孔更改为 0.4 英寸的覆盖。“看起来你已经解决了你的问题。但是你真正做的是增加了历史树的复杂性并使设计意图无效。

现在,当有人在一年后回到那个部分时,他们将去编辑树中的第一个特征,然后重新计算并在树中被覆盖。因此,向树中添加更多功能的想法正在解决一些问题……它正在解决一个非常近期的问题,但在你的工程过程中进一步增加了更多问题。”

虽然一些 CAD 用户可能对同步技术的主张有所保留,但实际上使用它的人对其赞不绝口。这是否意味着参数与直接建模的问题没有实际意义,而同步技术是前进的方向?

这取决于你问谁。

“没有一种建模产品方法对所有情况都是最佳的。过度泛化并试图在一个工具集中解决太多用例的工具往往难以使用且过于复杂,”Onshape 的 Dave Corcoran 说。

一些 Solid Edge 用户报告说在某些情况下使用同步技术存在困难,例如复杂的表面建模,这是 Staples 承认的一个限制。他说:“如果你正在做非常美观的部件,需要大量基于表面的设计,那么同步技术在目前的状态下不太适合。”

人们可能还想知道为什么同步技术是否像它的支持者声称的那样有益,这不是一个更广泛的范式。 Staples 认为,原因在于 Siemens 在技术曲线上遥遥领先,这在很大程度上是因为它拥有 Parasolid 内核和 D-Cubed 约束求解 SDK。但也许有一个更简单的原因,他总结得很好:“工程师不是喜欢改变太多的人。”

基于历史的参数化建模仍然是 CAD 世界中的主导范式,尽管存在缺陷,但它工作得很好。“在历史上的这一点上,SOLIDWORKS 的工作原理是任何人所做工作的 98% 或更好,”Schwarz 说。然而,随着新一代工程师进入 CAD 建模领域,或许随着时间的推移,旧的基于历史的方法将让位于更像同步技术的东西,参数化建模和直接建模之间的区别可能不再相关。“我认为随着时间的推移,这条线会变得模糊,它只是工具箱的不同侧面,”Shrawz说。


原文链接:What’s the Difference Between Parametric and Direct Modeling?

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