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ThinkDesign技术在创新设计中的应用 |
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作者：Extech公司 李永阳 |
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摘要：随着三维CAD技术应用的不断深入，表明了在参数化CAD技术基础上对三维CAD技术的新需求，以适应企业产品创新设计的新需要，结合ThinkDesign软件技术应用实例，阐明CAD技术对企业开展创新设计的帮助，得出了参数化CAD技术将向创新协同CAD技术的方向延伸。
关键词 统一环境，自由造型、交互建模、概念设计、协同设计
1．前言
以计算机技术为支柱的信息技术日新月异的发展，参数化CAD设计已越来越受到企业设计人员的重视，利用参数化CAD技术手段进行设计不仅可以向人们展示直观的数据模型，还可以通过一系列的自动化手段(如参数化设计、关联驱动、提取明细表，干涉与碰撞检查等等)将繁琐的工作交由计算机来完成，实践证实，参数化CAD技术对加速新产品开发、提高产品质量、降低成本起着关键作用，是提高市场竞争力的强有力的手段。
然而，经济循环加大和加快，市场竞争日趋激烈，社会的消费观念也不断发生变化，以知识为基础的产品创新设计将成为全球制造业竞争的核心。近年来，参数化CAD软件主要应用在产品的详细设计阶段，作为一个实体造型的工具，在企业的产品设计制造中发挥了巨大作用，随着市场需求的变化，参数化CAD技术在企业中所扮演的角色发生了重大变化。
2．对参数化CAD技术的新要求
科技是第一次竞争，而产品的工业设计是第二次竞争，这就对制造企业提出了新的要求：一个产品由概念设计到制造完成的时间要最短，高质量低成本；为了满足用户个性化的需求，就需要在设计过程中进行不断的、实时的修改。需求和角色的改变，也就要求参数化CAD技术有所创新、有所突破，不仅具有详细设计阶段的造型技术，同时也具有概念设计阶段的造型技术。创新设计对参数化CAD提出新的要求，必须具备以下特性：
2.1 操作模式实用性
应是让企业的工程技术人员不要把过多时间耗费在CAD软件技术的使用上，而是采用最新的拖动式技术，直接将需要设计的东西放置在三维空间环境下，然后对它伸展、旋转、定位等等操作，轻松而有趣地完成设计。再者，将概念设计、曲面和实体造型、装配设计、钣金设计、管路设计、工装设计、渲染和动画等等，都集成在同一个操作界面下完成，这将大大提高设计速度。
2.2 造型设计多样性
造型技术经过20多年的不断发展和探索, 参数化CAD已发展成曲面特征造型、实体特征造型、几何约束、参数化尺寸、公式计算和基于特征树的方法。但是，这些长处也可能会带来一场噩梦。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。所以，对造型技术提出的要求是：不局限于特征树、尺寸和参数，提供曲面特征和实体特征相互的依赖性，以实现造型过程的全面控制和灵活性。
针对通用产品设计的方法则是采用智能造型技术，该技术不仅具有尺寸驱动模型；而且具有模型特征自适应性，设计人员可以根据企业产品特性，通过草图、特征、零件和组件建立起企业产品标准化，避免大量重复性工作。
2.3 面向对象的造型技术
面向对象的造型技术使得建模完成后，造型过程所产生的尺寸、约束关系和特征树等信息被封装在模型内部，直接面向设计人员的就是模型。设计人员可以不用关心模型的内部结构，但是他们可以对模型中的几何元素直接修改。这样一来，在企业协同设计中，可使上下游厂家提供的产品模型集成起来。对产品协调数据进行修正，同时又保持产品内部的技术细节。
2.4 支持产品全过程设计
产品设计包含了各个不同的阶段，每个阶段都需要不同的造型技术来构建产品模型，这就要求CAD造型技术能够覆盖从产品的概念设计、详细设计、工装设计的全过程。建立起全过程设计完整的数据关系，并保证过程设计中数据的一致性。
2.5 支持企业的协同设计
单纯的CAD技术已不能满足市场变化的需求，因为从产品设计全过程的数据都需要共享使用，通过网络使得企业相关人员共享同样的数据，这样对CAD技术提出的要求：能够同网络技术结合起来，形成具有适应网络设计工具的新技术。
3．ThinkDesign技术应用于创新设计
众所周知，当今主流参数化CAD软件功能上个有千秋，但都存在着共同特点：三维软件内核技术都是来自国外，完全开展符合中国制造业设计习惯的服务较为困难，大多数的情况是我们的设计人员要迁就软件操作模式。所以，非常有必要将ThinkDesign软件的发展情况做一下阐述：ThinkDesign软件是意大利Think3公司从1979年开始研发的产品，2008年北京Extech公司收购了think3公司软件的三维内核技术（ThinkCore），至此，我们完全拥有自主知识产品的三维软件技术，经一年来的技术整合，形成了符合中国制造业从工业设计、产品设计和工装设计全过程的三维设计软件，
ThinkDesign软件技术不仅具备参数化CAD技术，而且在此基础上对CAD技术进行了创新，具体将从以下几方面作详细描述：
3.1 集成环境必定带来操作实用
ThinkDesign软件集成了TD Styling(概念设计)、TD Engineering(产品设计)和TD Tooling(工装模具设计)三个主要功能模块，将零件、装配、钣金、管路、构件、模具、工程图等设计全部统一在一个操作环境下。结合企业使用三维CAD软件的实际，从以下二点阐述ThinkDesign软件的实用性：
1．对企业历史数据的继承
企业应用CAD技术都是沿着二维CAD到三维CAD技术方向发展的，历史的设计数据大多数是二维的，如何能够充分地利用起来是非常棘手的问题。下面将用数控机床刀具机构部件的设计实例，看看ThinkDesign软件是如何解决这类问题的。
首先，采用自顶向下(Top-Down)设计方式，打开刀具机构部件模型文件，接下来直接打开DWG格式的换刀组件的装配文件（详见图1中的右边部分），利用“移除重叠”功能对DWG格式文件中移去多余的线段，实现图层与线段的对应，然后采用鼠标拖动方式，将DWG格式的换刀组件文件直接拖到三维模型设计环境下（详见图1中的左边部分），当然，除了DWG/DXF外，其它的模型和图片也能够直接拖动到三维造型环境中。
图1
其次，利用软件的旋转、平移和图层编辑功能，对换刀组件的装配文件进行编辑，再利用“标签”功能实现设计人员可以从自定义的不同视角观看设计环境。接下来就是将2D迁移成3D模型，可以利用实体操作命令，但关键是利用“智能尺寸链”技术，直接在工程图上拾取尺寸、长度、半径、直径、角度以及最小距离等数值。如图2所示，选择“尺寸”，用鼠标在工程图上拾取标注的尺寸“223”，则模型拉伸的尺寸就是“223”。
图2
最后，安装上述的步骤，依次完成换刀组件中每个零件的转换工作，接着按照参数化CAD装配的技术完成该组件的装配，这里就不再作详细描述了，最终的结果如图3所示。
图3
2．零件与装配的统一环境
使用过三维CAD软件的设计人员都非常清楚，零件模型和装配模型的文件是分开的，采用不同的扩展名称，每当需要移动装配模型文件时，必须将其子部件和零件模型文件一起移动；或者必须重新调整装配的文件路径关系，的确给设计工作带来不便利。
ThinkDesign软件全部的模型文件都采用相同的扩展名称（.e3）；由于需要兼顾参数化CAD技术，所以对工程图的文件采用扩展名称（.e2）。这样一来，零件和装配的文件即相互统一又相互独立，通过叶轮加工模型文件，说明如何解决上述问题的。
首先，在目录中将叶轮加工模型拖动到软件造型环境中，从图4中左边图的右下角，可以看出打开的模型文件是零件模型，但它却又是装配模型，因为实际生产中设计人员需要对叶轮加工模型中的叶片进行修改；而制造人员只是需要修改后的叶轮加工模型文件。
图4
为了实现这个想法，利用图4中右边图所示的菜单命令，选择“创建外部参考”将叶片水力图特征变成外部模型文件，这时，在目录中多了个文件名称（见图5左下角所示）。如果特征树上的特征结构比较多时，也可以将修改的模型文件设置成“标记为设计中”以区分修改与不修改的零部件，并在特征树上以背景为“红色”进行标识出来，结果如图5所示。
图5
最后，当设计修改完成后，需要形成一个独立的叶轮加工模型文件时，则可以利用图4中右边图所示的菜单命令，选择“断开链接”将取消与叶片水力图模型文件的关联，并将修改后的结果保存在叶轮加工模型文件中，对叶片水力图模型文件来讲，可以删除了。
3.2 务实的自由造型方法
参数化CAD造型技术已经给设计人员提供：从二维草图通过旋转、拉伸、切除和扫描等特征造型技术形成三维模型；从插补曲线、样条曲线、NURBS曲线到放样曲面、旋转曲面、NURBS曲面，最后完成曲面建模；然后可以对实体特征和曲面特征进行编辑、参数驱动、尺寸关联等等，这些是参数化CAD软件必备的造型技术。
ThinkDesign软件的造型技术除了具备参数化CAD造型技术外，并在此基础上对造型技术进行延伸，具体体现在以下三点：
1．有参和无参的造型技术
参数化造型技术对设计人员来讲，不是一个陌生的概念，主要应用于产品详细设计阶段。而无参数造型技术是产品创新设计过程中经常使用的工具，覆盖了从概念设计到制造前设计中的每个阶段，无参数造型技术将为设计人员提供对图片、草图、模型等处理的手段。下面通过数控机床的工作台设计实例，叙述ThinkDesign软件对该项技术的应用：
首先，利用软件的2D迁移到3D的方法，完成对工作台的实体造型，接下来对工作台进行装配，经测量（见图6a所示）发现工作台的滑槽部位尺寸需要将“320”调整到“420”。
其次，打开模型的草图进行调整（见图6b所示），这时你会发现草图没有任何尺寸，而修改时工作台外轮廓不能发生变化，只要选择“多重拉伸”命令，将需要修改的部分草图用鼠标框选，确定起始点后左右各偏移50mm，这样就完成滑槽部位尺寸的调整。
最后，当草图调整完成后，模型文件会自动调整过来，检测以下结果是“420”（见图6c所示）。
图6
通过上述的例子，让设计人员对无参数造型技术有个直观了解，虽然只是对草图进行处理，但有参和无参造型技术始终贯穿在ThinkDesign软件中。
2．曲面和实体混合造型技术
实体造型技术和曲面造型技术，在当今参数化CAD技术中被广泛采用，但它们之间的特征是相互独立的，由于产品的市场需求的变化，大多数情况要求曲面造型和实体造型相互结合，才能完成产品的设计模型。所以，在产品创新设计中提出了将曲面和实体混合的造型技术。接下来以水泵的叶片模型为例，说明ThinkDesign软件是如何实现曲面实体混合造型技术：
对叶片的曲面绘制同参数化CAD技术相似，过程就不作阐述，模型生成的结果见图7a所示，接着选择“生成实体”的命令，将曲面变成实体，在特征树上的反映是“实体”，但它还具有曲面的特征，也可以采用曲面的编辑功能进行修改。
那么，现在使用实体特征编辑命令“边圆角”，对叶片外表面上部三个边倒R3的圆角，其结果见图7b所示。
图7
大家都知道，曲面上倒圆角必须用曲面圆角命令；实体上倒圆角必须用实体圆角命令，而上述的例子恰恰是在曲面上采用实体倒圆角的命令，足以说明只有是曲面实体混合造型才能实现，必然会提高设计人员造型的速度。
3．智能特征式造型技术
据相关统计资料表明，机械制造业中零部组件属于标准件和外构件占50％；企业通用件和相似件占40％；用户特殊需求件占10％，所以，多数企业已经开始采用产品标准化设计和模块化设计，为了让企业能够快速便捷地建立产品设计数据库，ThinkDesign软件提供了智能特征式造型技术，它不仅能够参数驱动特征，同时特征也具有自适应功能，举个实例同大家分享一下：
对汽车仪表覆盖件的设计过程中，需要有一个连接耳片，那么可以从软件的“智能对象库”选取拖动插入，见图8a所示，你可以修改尺寸数据和选择插入模式。再见图8b所示，拖动插入销座的零件，它能够依据草图的外形自适应的变化。
图8
智能对象库的建立只需选择“定义”命令，确定属性、选项、参数、参考、配置等信息，然后从特征树上选择草图、特征、零件或部件等信息，最后确定并保存成智能对象（扩展名称是.sf）。定义后的智能对象也可以被重新编辑。
3.3 国际化内核技术引领面向对象的建模
由于软件厂商的不同，其参数化CAD软件的模型数据也不同，虽然相互之间能够读取，但由于只是外形轮廓数据，造成了企业之间数据交换的不方便，尤其是配套生产的企业呈现的问题特别突出，这就促使参数化CAD技术要创新，能够对无参数模型数据进行编辑，为企业设计人员提供便捷的服务。
ThinkDesign软件就很好地解决了这类问题，在参数据CAD技术基础上，提出了交互建模技术（ISM），它是在交互式三维曲面和实体建模中一个突破性的飞跃。同时与先前技术共存。以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无需考虑特征、参数及属性等历史记录。通过“转动接头组件”CATIA模型文件实例，让大家了解技术的实用性。
直接打开“转动接头组件”模型文件（如图9a所示），当然对PRO/E、Parasolid等格式的模型文件也是可以直接读取的。打开后的零件属性、尺寸和约束关系等都没有，装配关系在特征树上只用实体来表示。可以通过编辑颜色来区分组件下的每个零件，还可以选择“新建组件”来形成组件一下的每个零件，具体见图9a所示；对零件模型的编辑，则采用交互建模技术的移动面、延伸面/封闭实体、偏移面、移除面和替换面等功能，那么我们就利用“移动面”的功能将腰型槽进行移动并复制，在移动过程中选择“要移动的面”和“限制面”，并通过移动的尺寸等参数进行控制，具体见图9b所示的操作完成后的结果。
图9
不错，上述的实例是实体模型，接下来采用汽车 “冲压件”的CATIA曲面模型文件为例，了解该技术对曲面模型的处理。同样，直接打开汽车 “冲压件”的CATIA曲面模型文件，然后选择“移除面”功能，选取“需要移除的曲面”（见图10a所示的桔黄色部分）和“限制曲面”（见图10a所示的绿部分），确认后曲面的圆角被删除，依次类推，最后修改的结果如图图10b所示，前端圆弧曲面以被移除。
图10
总之，只有在具有面向对象造型技术的基础上，利用交互建模技术，才能实现对无历史记录模型上进行编辑，给产品设计开发过程带来极大的便捷。同时企业能够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，提高与供应链合作的能力。
3.4 数据关联覆盖产品设计全过程
概念设计阶段是产品创新的关键阶段。实践表明，产品创新主要来自概念设计阶段所涉及的功能、原理、形状、布局和结构等方面的创新。目前在国内开展概念设计的软件也有，但同主流的参数化CAD的数据格式是不一致的，需要进行数据转换工作，同时数据模型的精度较难保证，设计过程会随着设计更改和模型转换而延长周期。
在概念设计与工程设计的一致性方面, ThinkDesign软件能够协调好这二个方面的关系, 实现集成的设计体系，其中：TD Engineering(产品设计)和TD Tooling(工装模具设计)两大模块的功能同参数化CAD的功能相似，在这就不做具体描述。主要从以下二个方面来阐明ThinkDesign软件集成设计体系，面向概念设计阶段开展工作的技术特色，以汽车配件倒视镜设计为例，阐述产品设计人员如何将艺术师的手稿（图像文件）变成多种产品设计模型。
1．概念设计中的模型产生
首先，在软件模型环境中选择不同的工作平面，分别插入二个图片文件，选择“缩放图像”命令将图片的比例值设置成一样（本例是1.2），在运用“修改图像”命令对图片进行拖动和旋转，达到指定的定位位置中具体见图11a所示。接下来利用软件的曲线功能完成图片上轮廓曲线的绘制工作，通过选择“通过控制点的曲线”命令来绘制图片的轮廓草图，具体见图11a所示中“红色”曲线，它们都属于二维曲线；那么，利用“由2D曲线生成3D曲线”命令来实现2D曲线到3D曲线的转换工作，具体见图11a所示中“绿色”曲线，它是属于三维曲线；依此类推，完成图片的3D曲线绘制，如图11b所示。
图11
其次，在3D曲线绘制完成并通过曲线修改功能进行完善，确认可以后，利用曲面功能绘制图片上的各个曲面，选择 “放样曲面”命令来绘制曲面，具体见图11b所示中“绿色”曲面部分，然后在运用曲面的分析功能、修改功能对绘制曲面进行完善，依次类推完成曲面绘制工作，如图12a所示。
图12
最后，对各个曲面进行整合，运用“生成实体”命令实现曲面实体混合模型；用布尔运算“实体合并、实体相交、实体删减”的命令来实现特征的关联，再利用实体的变半径倒圆角、实体抽壳、倒角等命令对模型进行细节修整，根据已设计的模型再添加“镜子”的实体，这样一个从图片到3D模型的设计过程就完成，结果如图12b所示。
2．多种设计方案的形成
纵观企业产品设计过程可以得出结论，新产品的设计方案必定是多个。同样，对上述的汽车倒视镜的产品设计，采用软件可形成多种设计方案：
【方案一】对倒视镜的镜面部分进行设计；选择全局变形建模（GSM）中的“高级GSM”命令，在命令菜单对话条中选取整个模型，并确定倒视镜的尾部曲线为固定；然后选择镜框边的曲线为初始曲线，再选择如图13a所示的曲线为目标曲线，接下来选择“确定”，新的设计方案形成，具体如图13b所示。
图13
【方案二】对倒视镜的尾部形状进行设计；选择全局变形建模（GSM）中的“高级GSM”命令，在命令菜单对话条中选取除镜片特征外的特征，接着采用“套索”选择命令来确定倒视镜的前部曲线为固定不变，然后选择倒视镜尾部的曲线为初始曲线，再选择如图14a所示的曲线为目标曲线，接下来选择“确定”，又一个新的设计方案形成，具体如图14b所示。
图14
需要说明的是：全局变形建模（GSM）的功能包括折弯、半径折弯、扭转、高级GSM、复制、平面变形、3D变形、棱线扭转和圆角转换等，为设计人员开展柔性设计提供丰富的解决造型技术的手段，本例虽然只采用“高级GSM”命令，但确实现了三个设计方案的产品模型，分别如图12b、图13b和图14b所示。
总之，从制造到创造是任何企业都要经历的一个发展过程，越来越多的设计者要从中国制造转向中国创造，而创造就不再是为了解剖或生产某一个零部件而设计，而是整体设计整个产品，从长远看，在概念设计阶段使用三维是CAD技术一个不可逆转的趋势。
3.5 结合网络实现协同设计
制造业正在改变传统的作业方式，企业经营模式开始从小而全模式向合作专业化模式转变。采用以Internet网络为基础，基于项目管理的分布式协同工作方式，促进企业内部和企业之间的合作。
ThinkDesign软件不仅具有集成的设计体系，同时也具有与TD PLM系统无缝的集成性，具体的集成方式见图15a所示。其中，如图15a所示TD PLM系统的工具菜单直接集成在ThinkDesign软件中，它包括登录、检入、检出、创建版本、显示物料结构、从零件中获取文件、保存等等功能，设计人员可以直接面向TD PLM系统进行操作，那么我们以零件下载为例，实现从TD PLM系统中选择零件进行装配的。
图15
从图15a所示中选择“从零件中获取文件”命令，就会登录到TD PLM系统中（需要有登录的帐户名称及密码），出现如图15b所示中的TD PLM系统窗口，显示相关零部件信息（预览图、代号、名称、生命周期、版本等等），在选取的零件前面打上“√”后,选择执行“导入”命令，这样被选取的零件会自动进入到ThinkDesign软件模型集成环境中（如图15b所示），接下来按照ThinkDesign软件的装配功能完成零件的装配。
鉴于TD PLM系统属于产品数据管理的范畴，为此不作详细描述。但由于TD PLM是基于Web的产品全生命周期管理系统，这样一来，设计人员可以利用企业局域网开展内部的协同设计工作；利用Internet网络开展异地的协同设计工作。
4．结束语
从二维CAD绘图到三维参数化CAD造型是企业深化CAD技术应用的方向，而当企业应用三维CAD软件后，也会提出深化三维CAD应用的需求，综上所述的分析，得出一个结论是ThinkDesign软件是企业深化CAD应用技术的领跑者，提供系列化的设计工具，让设计人员从模糊的概念开始，将自己的设计思想表达出来，经过动态的修改得出精确的设计模型，结合产品全生命周期管理系统PLM，帮助企业实现设计、生产、管理等环节的信息化集成。先进的设计能力才能产生先进的制造企业，CAD技术发展趋势就是进行创新设计，以参数化CAD技术为基础向创新协同CAD技术发展。CAD世界正在发生翻天覆地的变化，创新协同CAD技术必将成为普遍适用的高新技术，引发了制造业的数字化革命，锋芒所指，所向披靡。
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(10/28/2009) |
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