技术突破
2008年将见证三维CAD设计历史中的一个里程碑。
Siemens PLM Software推出了同步建模技术 － 交互式三维实体建模中一个成熟的、突破性的飞跃。新技术在参数化、基于历史记录建模的基础上前进了一大步，同时与先前技术共存。同步建模技术实时检查产品模型当前的几何条件，并且将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并在一起，以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无需重复全部历史记录。
图1：同步建模技术在运行时间把当前的几何模型状况与永久约束合并在一起。
您可以设想这样带来的性能影响和设计灵活性 － 进行编辑而无需重新生成整个模型，因为同步建模技术实时发现、定位和解析依赖关系。当设计人员不必再研究和揭示复杂的约束关系以便了解如何进行模型编辑时，当他们也不用担心编辑的下游牵连时，您可以想象对产品开发复杂性带来的正面利益。设计人员可能要问，“当建模应用程序能够立即识别那些几何相互关系并且保持的时候，我们为什么还要多余地再强制加上诸如两个模型面是共平面，或者是相切等约束条件？”
图2：一个普遍模型编辑及其在基于历史记录系统里面的应用。
同步建模技术突破了基于历史记录的设计系统固有的架构障碍。基于历史记录的设计系统不能完全确定依赖相互的关系，从而必须依赖于全面重新执行顺序建模历史记录。以上图2提出了相关问题。在目前基于有序历史记录的系统中，在需要对历史记录清单中的特征进行变更的任何时候，系统都需要删除所有后续几何模型，回复模型到某个特征再进行变更，然后重新执行后续特征命令来重新建立模型。在大型、复杂的模型中，特征损失可能非常巨大，这取决于目标特征在历史记录里面靠后有多远。同步建模技术没有这个问题 － 系统实时识别这些条件在哪里，并且使模型重建仅仅局限于使模型的几何条件保持正确所必要的那部分。
建模技术发展的巨大突破
计算机辅助设计（CAD）的演变在其45年的历史中经历了巨大发展。CAD诞生于1963年－Ivan Sutherland博士的SKETCHPAD（画板）在麻省理工学院（MIT）的实施。它开始作为一个二维数字绘图媒介，然后在20世纪70年代利用三维线框技术实现了首次革命性飞跃 － 进入三维世界，并且不久之后就用于三维表面建模。由于其限制（需要用户编辑由直系和曲线组成的三维模型的外边界，以此来直接修改几何模型造型），所以CAD技术仍然被列为显式建模。
20世纪80年代早期在实体建模中引入商业解决方案，由于它们依赖于求并、求差和求交的布尔运算，所以仍然保持显式性质。在20世纪80年代中期，随着参数建模以及嵌入在基于顺序历史记录架构中的模型特征概念的出现，CAD设计经历了第二次革命。经过20世纪90年代以及近年的发展，尽管少数例外仍然基于显式建模技术，大量商业CAD应用程序都采用了参数化、特征、基于历史记录的方法。
两种方法都有其优缺点。利用显式建模，设计人员能够直接编辑几何模型，无需担心编辑的任何影响。设计人员只控制变更内容。然而，这也可以视为一个缺陷。因为直到最近，显式建模器都还不能识别可以代表形状特征的模型特征集合（比如，孔或者槽），需要设计人员仔细选择所有适当的实体面作为任何编辑的一部分。另外，显式建模器大部分都不能记录和记忆用户施加的几何约束和参数化尺寸公式。
在建模领域另一方面，基于历史记录、参数化、特征驱动的应用程序擅长于捕捉知识和用户施加的约束。对CAD模型进行的变更将自动更新几何造型的依赖部分。但是，这些长处也可能是带来一场噩梦。对此，很多设计人员都可以证实 － 通过了解嵌入在大型模型中的关系复杂性来确定变更的影响可能令人畏惧。通常，只有初始创建者才能够记住用于创建模型的设计战略，而且还是在模型是最近才设计的情况下。最后，设计人员必须接受从顺序构建历史记录中编辑点开始重新生成整个模型所导致的性能损失。
最近，CAD系统能力的重大发展 － 实时“挖掘”在一般实体模型几何模型中找到的信息 －扩展了“直接几何模型”编辑功能，甚至在基于历史记录、参数化系统中也可以。这些改进为技术的又一次革命性飞跃奠定了基础 － 同步建模技术。结合对模型当前的几何模型条件进行深度、富有洞察力的检查，把这些信息与所有用户定义的约束和参数驱动尺寸结合在一起，然后实时确定模型特征及定位相关等特性依赖，同步建模技术集成了两种方法的精华。
图3：CAD演变
同步建模技术是不依赖于建模历史、基于特征的建模系统，合并了尺寸驱动和约束驱动技术的精华，以实现全面控制和可重复性，以及直接建模的灵活性。
业务影响
利用同步建模技术在基于历史记录和无历史记录模型上进行编辑所实现的性能提高将给开发过程带来极大的收益。另外，因为利用其智能模型互操作，同步建模技术用户变得轻松自如，将降低他们对嵌入在模型中的永久几何约束的依赖。设计人员可以选择不用这类嵌入式约束来编辑初始模型，因为他们知道同步建模技术将识别明显的几何约束并且对其进行智能管理。该演变的影响将带来产品开发过程的根本变化。
产品制造公司能够：
· 在更短开发周期的基础上缩短实现收入的时间；
· 更加易于处理预期内和未预期的产品变更；
· 处理不是他们初始创建的产品模型；
· 因为利用行业标准格式（比如，STEP、Siemens PLM Software的JT格式），能够与在不同CAD系统之间传递的CAD模型进行智能互操作，所以极大地提高与供应链合作的能力；
· 获得更好的功能来迅速开发更多的设计；
· 获得更大的潜力来重用设计而无需重新建模，因为用户能够独立于创建方法进编辑（例如可以通过拉伸一个圆或旋转一个矩形构建圆柱体）；
· 在开发周期的后期更加迅速地对市场需求变化做出反应，同时减少和控制变更对产品模型的影响。
这些变化具有深远影响，能够更加迅速地对现有产品进行修改，从而实现更加便宜的产品和更快的上市时间。CAE分析师能够更加轻易地准备模型供分析，并且快速制定“假设”场景。公司将简化生成制造过程计划的工作量，能够在制造加工和过程问题的基础上迅速提出变更建议。
技术证明
想要了解同步建模技术的力量并且全面评估它将对行业产生的影响，需要在逐个示例的基础上进行更加深入的探讨。
特征树型结构变为特征集
检查任何基于历史记录的CAD设计应用程序，您都会发现一个包含严格顺序结构的有序特征树型结构，它捕捉设计人员用于构建模型的逐步操作。该有序树型结构是模型构建的历史记录。树型结构中的每个项目都称为模型特征（不要与形状特征混淆 － 比如孔和凸台－ 尽管它们也是形状特征），并且每个都表示一个特殊的建模构建操作。例如，当设计人员进行平面草图的简单拉伸的时候，它被添加到特征树型结构作为下一个顺序模型特征项目。
图4：基于历史记录的特征树型结构
当设计人员在树型结构中引用一个现有特征，在一个新特征上显式地施加约束的时候，特征树型结构开始嵌套到更深层级。这通常称为两者之间的父/子结构关系。子结构依赖于父结构的存在。图5作为一个经典例子表示了这种父/子依赖关系的细微差别。
如果设计人员拾取立方体的下侧，并且向上创建一个孔穿过凸台，则该孔变为该块件的子结构，不依赖于该凸台。然而，如果设计人员拾取该凸台的顶部，并且向下创建一个孔穿过该凸台和块件，则该孔变为该凸台的子结构，并且于依赖于其存在。
如果设计人员现在选择该凸台并且删除它，则在其创建历史记录的基础上，新模型视哪个依赖关系存在于模型中而定。如果该孔是该块件的子结构，则该孔仍然存在；然而，如果该孔是该凸台的子结构，则它与该凸台一起删除。在这类普遍采用的基于历史记录的建模应用程序中，负担在设计人员身上 － 知道并且了解嵌入的依存关系。同步建模技术免除这种了解创建方法的需要，因为它使设计人员能够在编辑的时候控制这种关系。
图5：根据用户选择,基于历史记录模型的父/子结构关系。
目前基于历史记录的CAD系统不扫描几何模型并且定位编辑的影响。它们完全依赖于重复历史记录来传播变更。同步建模技术改变了这种模式。
同步建模技术实时分析、定位相互依赖关系，然后只执行那些必要的变更。考虑其直接影响：在普遍采用的有序、基于历史记录的应用程序中，系统需要删除所有后续几何模型，滚动模型回到需要变更的特征后再进行变更后续特征，然后重新执行后续特征命令来重新建立模型。目标特征在顺序历史结构中列得越早（前），则对性能的影响就越大。在很多情况下，设计人员通常毫无规则地进行编辑修改或者干脆避免这类变更。
下面的图6描述了一个在普通的基于历史记录系统里面构建的模型。它在其历史记录树型结构中包含950个特征。在一个普通的基于历史记录的应用程序中，对高亮面的直径进行参数编辑要用大约63秒钟才能完成。
图6：由950个特征组成的基于历史记录的模型。
编辑的结果在图7中给予了显示。编辑过程很冗长，因为在模型中心区域和右边的很多模型细节都是在那些包含经受编辑的特征的区域之后才构建的。基于全面历史记录的系统不能确定模型的其它部分是否存在与所选特征的依赖关系，从而必须盲目地遵循历史记录顺序。如果利用同步建模技术来编辑同一基于历史记录的模型，则编辑操作只需用大约1.5秒钟就可以完成。同步建模技术实时扫描模型，定位依赖关系并且只解算那些必要的依赖关系，以形成正确的解决方案。
图7：对基于历史记录的模型进行编辑，减小直径尺寸。
在目前基于历史记录的系统中，特征树型结构具有顺序依赖关系。改变历史记录树型结构的顺序可能导致重大的模型变化或者导致模型失效。利用同步建模技术，所显示的树型结构变为一个特征集。利用该特征集，设计人员能够快速地选择和操作其模型的零件。然而，它并不影响构建模型的方式。这样为设计人员提供了大量有利的可能性。特征集还可以按照特征类型进行分类，比如，把所有圆形聚集在一起，如果那样提供了对模型的必要了解的话。
对于同步建模技术所许诺的力量的初始反应通常引出一长串“是的，但是假如…？”问题。从历史上来看，在于20世纪80年代把参数化技术引入市场的时候，同样也是这样的。需要利用逐个案例来检查同步建模技术如何在不同类型的模型上运行。
在无约束模型上进行受控编辑
在该领域的一端，模型可能完全无约束，有时称为无参数实体，这些模型通常都来自于从一个专有CAD系统到另一个之间的数据交换、转换。一个无约束模型不包括永久的几何约束，也没有分配给几何模型尺寸的参数化数值。
给定图8所述的一个无约束模型，用户必须进行编辑，把高亮（蓝绿色）圆柱体向上移动到一个几何位置，与配对轴承（未显示）的位置匹配。由于模型无约束，所以没有与圆柱体相关的驱动尺寸，用户能够以参数的形式进行识别和修改。
图8：在无约束参数模型上进行的选择
由于无约束系统的原因，所以只有所选圆柱体才移动(图9)。这种结果是很不理想的，因为丢失了模型造型明显的、未写明的意图。任何设计人员都可能知道内安装孔应该与外圆柱体表面保持同心，侧锥面应该保持相切。用户可能已经把外圆柱体添加到选择以便保持同心性（把它们一起移动），但是没有任何永久约束嵌入到模型之中，侧面的锥度没有得到保持（图10）。
图9：不用同步建模技术的单一选择编辑
图10：不用同步建模技术的双重选择编辑
利用同步建模技术，可以在无约束模型上进行同样的编辑操作，但是现在系统实时地自动识别这些几何条件，并且同心圆柱体和锥形切线均得到保持（图11）。注意，通过只选择圆柱体的内面来进行该编辑，但是如果只是选择和移动外圆柱体，同步建模技术也将形成同样的结果。
图11：利用同步建模技术进行编辑
这个简单的实例强调了同步建模技术的力量以及该技术对用户解决设计问题方面产生的广泛影响。首先，在为用户给定了一个没有嵌入式约束的部件模型的时候，如同与供应商合作时经常出现的情况一样 － 要么是因为利用行业标准（比如，STEP）对该模型进行了转换，要么是因为供应商有意识地去掉了嵌入式约束以保护其知识产权 － 用户仍然可以轻易地进行智能编辑，没有不得不添加明显条件的几何关系的负担。
其次，对设计建模的性质而言更为重要。因为系统要求较少的嵌入在模型中的公开定义的关系（这个案例中没有）来进行智能解算，所以设计人员可以选择不用这类嵌入式约束来编辑初始模型，因为知道将识别和管理明显的几何条件,可以极大地简化设计编辑工作流。设计人员不必研究和揭示复杂的约束关系以了解如何进行编辑，也不用担心编辑的下游牵连。同步建模技术实时地发现和解析这些关系。
在参数约束模型上进行编辑
现在我们把注意力转移到建模领域的另一面，研究同步建模技术对参数约束模型的影响。
下面的图12说明了一个具有基座上两个孔之间参考尺寸的模型。参考尺寸有时也称为衍生尺寸。它不是用户施加的约束。然而，在控制尺寸（或者驱动尺寸）中引用该距离，利用一个等式来控制轴心点的高度，使其在基座孔之间形成0.75的距离。这表示了一个参数公式约束，无论任何时候对模型进行编辑都必须对其给予保护。
图12：具有参数公式约束的模型
图13表示设计人员可以在基座末端直接移动。同步建模技术实时识别右边的基座孔是否与基座末端所选的弧形呈同心，自动把它添加到编辑。该移动是利用移动表面操作的一个直接模型编辑。由于基座块件变得更长，右边的基座孔与基座一起移动；两个基座孔之间的参考距离发生了变化，在其参数公式约束的基础上更新了与轴心点的距离。
图13：对具有参数公式约束的模型进行直接几何模型编辑
图14表示了在拖动块件末端30毫米之后的最终结果。注意，保护了参数公式约束。从而同步建模技术与用户施加的参数约束共存。
图14：合成模型
父/子结构
如果我们返回到我们的轴台模型，我们可以研究同步建模技术对父/子结构关系的影响。图15描述了设计人员一般用于在普通的基于历史记录系统中构建模型的方法。首先，定义基座矩形（长150单位、宽40单位）的二维草图。然后把草图轮廓向上拉伸20单位，创建一个实体基座。基座的两端是圆形的，把两个孔添加到基座。这两个孔就是基座母块的子结构。
图15：在基于历史记录的模型上进行编辑
为了在一个较大装配中把轴台模型安装在正确位置，用户现在必须进行编辑，把基座孔移动得更开，以便满足与另一个（未见）部件的匹配条件。尽管大部分中性操作都是选择基座孔然后将它们移动到所需位置，但是在这个约束系统中设计人员不能直接在孔上进行操作。由于约束模型中的结构，从父结构几何模型中驱动孔。在基座父结构几何模型得以创建之前，它们不存在。它们需要一个有序历史记录。由此，则必须改变父结构才能够移动孔 － 一种完全不自然并且笨拙的方法。而且，只有手动计算整个造型（把孔间隙考虑进去）才能够正确改变基座几何模型的整个距离。
利用同步建模技术，用户可以简单地在基座孔之间设定一个尺寸并且直接移动。同步建模技术保持了修改孔和所有同心圆柱体之间的同心性。而且还自动保护了切线。另外一个利益就是同步建模技术还保持了小型盖帽的正确同心位置，这些盖帽围绕着基座孔。这类添加的尺寸可以与零件一起保存。
图16：利用同步建模技术，通过设定和更新尺寸来进行编辑
尺寸方向控制
同步建模技术为用户与产品模型进行互操作提供了大量新的可能性。
下一个例子说明了利用同步建模技术可以获得的尺寸方向控制。用户的任务就是修改图17所述部件模型中孔的位置。两种情况都有可能。
图17：用于尺寸方向控制的部件模型
第一个方法就是简单地来回移动孔，同时使零件模型的大小保持相同。图18所示的红色方向箭头表示将往该方向移动孔几何模型。把几何特征移到另一边，尺寸保持不变。把初始值“50”修改为“100”，同时保持尺寸“180”。
图18：孔移动，同时零件大小保持不变
第二个可能的方法就是先固定零件的孔和右边之间的距离。注意，对孔位置往那个方向（图19中的红色箭头所示）进行的任何编辑都将引起零件尺寸变大。在没有同步建模技术的普通的基于历史记录的系统中，这种编辑方法是不可能的。这类编辑必须以创建的顺序来进行。在普通的基于历史记录的系统中，孔不能推动在孔特征本身之前创建的几何模型，并且可控制方向少得多。
图19：孔移动和零件大小调整
程序特征
在下一个例子中，用户需要对键槽孔孔的样式进行编辑，要么改变实例数，要么改变基本特征的几何造型。在普通的基于历史记录的系统中，样式编辑需要回复到基本特征，只有这样才能够进行编辑，并且在那个点开始重新建立模型（模型生成），以便所有后续操作起作用。基本孔特征在历史记录中越靠后，则想要重建模型就必须进行更多的计算。
图20：样式特征
同步建模技术引入了一个称为程序特征的概念。这些特征专门设计用于在没有发生有序解算的系统中进行操作。一个特征必须能够自我生成才被视为程序特征。不是所有特征都能够或者都需要是这种类型的，然而，孔和样式遵循这种行为方式。薄壁件（壳体）类似，因为它包含了关于如果正确建模的特殊知识，但是它在薄壁的定位区域之内管理变更。
利用同步建模技术，首先要注意如何才能够把一系列尺寸应用于任何样式实例，并且任何实例进行的变更都将引起所有实例更新。虽然尺寸变更将引起样式更新，但是在样式之后创建的任何操作都不需要重新生成（因为样式是自包含的），并且获得极大的潜在性能提高。下面最右边的图像显示了对实例数进行的变更。同样，只修改了与样式相关的几何模型。
图21：样式特征编辑结果
模型创建
以上例子说明了利用同步建模技术的模型编辑功能，还可以获得很多新的有趣的几何模型创建功能。
· 利用协调的二维草图解算器和三维几何模型解算器，能够以三维形式绘制草图，在此两种解算同时进行。在这三个图像的下一个顺序中，以三维形式绘制草图（图22）完成，草图闭合（图23），出现动态拉手，使用户能够操作实体拉伸。运行时间逻辑决定了何时添加或者去除材料。（在该图例中，只能添加材料，如图24所示）尺寸或者拖到其它几何模型关键点都可用于设定推/拉操作的距离。
图22：绘制草图 图23：草图矩形闭合 图24：拉伸的草图
· 打开轮廓用于把图纸简化为简单草图，在此二维直接连接到三维。同样，通过简单的推或者拉来创建在图像顺序中所看到的模型（图25）。
图25：打开轮廓拉伸
· 还可以通过简单线条在整个平面上创建区域。在图26中，一条线把平面分开，能够直接修改平面。
图26：区域
· 一般把孔放在平面上。然而，添加一个润滑油嘴（如图27所示）需要在切线的一些点开孔。在同步建模技术中嵌入了把孔添加到曲面的功能，在该曲面上孔的法向矢量自动与平面法线相匹配。
图27：与曲面法线相切的孔
· 通过直接选择一个平面集并且操作几何控制，还可以添加、去除或者旋转材料。以下顺序说明了如何才能够快速旋转平面。
图28：旋转平面
快速进行“假设”变更
设计部门希望拥有的最有用的功能之一就是在他们讨论最佳产品设计的时候快速地进行假设变更的能力。在普通的基于历史记录的系统中，对模型进行编辑可能很笨拙，并且需要设计人员全面了解历史记录顺序，以便确定在顺序中的哪里进行编辑，然后预测该变更将引起什么涟漪效应。
设想传统的设计评审，利用平面把装配切割开来，以寻找干涉的状况。图29表示了用红色圈起来的干涉，这些干涉明显围绕着圆孔。
图29：显示干扰的剖面切口
该设计问题通常需要下游用户对视图进行标注（红线），并且把图像返回编辑设计人员以寻找解决方案。有了同步建模技术，利用基于剖面的编辑功能，评审人员能够轻易建议一些可能的模型变更，以便纠正问题。首先，基于剖面的编辑功能把模型切割开，形成一个平面图，生成驱动模型的草图曲线（图30）。
图30：显示草图曲线的生成的剖面切口
然后评审人员能够拖动曲线，或者把二维尺寸添加到轮廓，修改它们的值，如图31所示。
图31：添加的尺寸
在这种情况下，厚度可以从5毫米变更到3.8毫米，产生图32所示的结果，消除了干涉。
图32：改变尺寸以消除干涉
技术推广
同步建模技术软件作为设计应用技术，介于CAD应用程序中设计创建/编辑命令的操作逻辑和几何模型内核以及其它实用程序的基本几何模型支持服务功能之间。在执行过程中，它在从几何模型的当前状态以及用户施加在该模型部分上的任何永久约束中提取信息。它智能处理从全面无约束到完全约束的广泛模型。
Siemens进行收购调查过程中在UGS研发实验室发现了同步建模技术的初始研究种子。因为Siemens认可其潜在价值并且培养、加快了其开发。Siemens PLM Software表示，同步建模技术的第一个商业版本将在2008年夏季推出，嵌入在它的两个CAD应用程序之中 － NX和SolidEdge。
图33：软件构架
总结和评价
CAD世界即将发生翻天覆地的变化。
如同CAD用户在20世纪80年代面对参数建模一样的方式，随着时间的推移来逐步了解并且认可其影响，同步建模技术将在整个垂直行业中找到产品建模方面同等满意的位置。因为同步建模技术提供的在实体模型中识别当前几何条件的实时力量与用户施加的约束和参数尺寸共存，所以用户将平稳过渡，以便越来越多地利用新的突破功能。
产品开发部门利用同步建模技术的力量和性能，他们实现的竞争优势将为其提供动力。不会退回到利用用户定义的几何约束来淹没产品模型。同步建模技术将自动发现模型中明显存在的几何条件与特征，并且在编辑过程对它们加以保护。CAD建模的新智能之风实际上将从他们的桌面上刮起。(end)
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