第一章 数字样机概论

    现在市面上流行的许多三维设计软件都可用于数字样机的研发，这些软件功能全面，使用灵活、简易，可以帮助用户经济、高效地利用数字样机工作流在短时间内设计开发出新产品投放市场。

1.1.1 数字样机、虚拟样机和电子样机

1．数字样机的概念

    数字样机（Digital Prototype）是相对于物理样机的概念，是一个能够考察产品的外形、装配性、可加工性以及功能特性的三维数字模型。而数字化样机（Digital Prototyping）是开发和应用数字样机的过程，是在产品开发的数字阶段，使用数字样机进行设计、优化、分析、模拟、数据管理乃至市场宣传的技术解决方案。可以说，由于数字信息化的技术和手段在产品生命周期的各个环节中应用地越来越广泛，数字化样机所带来的价值已经远远超出了原本的产品设计、测试阶段，其影响力已经逐渐扩散到了产品生命周期的各个环节。

    数字化样机强调将产品整个生命周期的模型实现数字化，而不仅仅是最终产品的数字化。数字样机贯穿了从产品的概念设计（工业设计）、工程设计（基于三维CAD和二维CAD的双向集成，机电软件混合设计等技术）、工程分析（虚拟仿真）、市场推广（动画和3D广告制作）的全过程。基于实物物理样机的传统设计开发试验研制方法，将在很大程度上被基于数字计算机的三维数字化虚拟样机技术所取代。

    目前，关于数字样机尚无统一定义，以下描述仅供参考。

    狭义数字样机：从计算机图形学角度出发，认为数字样机是利用虚拟现实技术对产品模型的设计、制造、装配、使用、维护与回收利用等各种属性进行分析与设计，在虚拟环境中逼真地分析与显示产品的全部特征，以替代或精简物理样机。

    广义数字样机：从制造的角度出发，认为数字样机是一种基于数字计算机的产品描述，从产品设计、制造、服务、维护直至产品回收整个过程中全部所需功能的实时计算机仿真，通过计算机技术对产品的各种属性进行设计、分析与仿真，以取代或精简物理样机。

    我国航空制造业对数字样机作了如下较为完整的描述：

    数字样机是对产品的真实化、集成化的虚拟仿真，用于工程设计、干涉检查、机构仿真、产品拆装、加工制造和维护检测等模拟环境，它需要具备集成化造型、可视化、功能检测、产品结构和配置管理等完整的功能，并为数据管理、信息传递和决策过程等三大领域提供方案。它覆盖了产品从概念设计到售后服务的全生命周期，是支持产品设计和工作流程控制、信息传递与共享、决策制定的公共数据平台。

2．数字样机技术及其内容

    数字样机技术是以CAX（以计算机为辅助手段的各种技术）/DFX（面向产品生命周期各/某环节的设计）技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实技术、仿真技术、三维计算机图形技术，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供全新的数字化设计方法。

    从设计和管理两方面考虑，企业应通过产品设计手段与设计过程的数字化和智能化，缩短产品开发周期，促进产品的数字化，提高企业的产品创新能力。基于这种思想，一种全新的设计模式和开发体系，即产品数字样机应运而生，它将二维图样表达的设计构思演变成基于三维实体模型的虚拟产品（虚拟样机），建立起企业数字化设计/制造平台。

    因此，从某种意义上说，产品数字样机就是产品虚拟样机，是基于三维数字化设计的产物。

    三维数字化设计是产品数字样机的基石，但产品数字样机绝不仅仅是用三维数字化设计软件进行零件造型设计及其装配，还包含着更为广泛的内容。一个完整的产品数字样机起码应包含如下几方面的内容：

    （1）所有零部件的三维数字化模型及各级装配体和三维模型应参数化，适合于变形设计，以适合于部件模块化。

    （2）具有与三维数字化模型相关联的二维零件工程图和装配工程图、BOM（材料清单）等。

    （3）三维装配体（组件、部件）应该适合作运动学仿真、动力学仿真，以及结构分析、热分析、优化设计等。

    （4）形成基于三维数字化设计的PDM（产品数据管理）结构体系。

    （5）从产品数字样机设计过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律，进而建立起基于三维数字化设计的产品开发体系。

    （6）三维数字样机的整机检测与仿真模拟试验。

    （7）产品各类文档（含管理文档）的数字化。

    （8）产品研发中的数字化计算过程。

    建立产品数字样机也就是建立以三维数字化设计为基础的产品设计开发体系。它是一个循序渐进的过程。

    在产品研发初期，应以三维CAD软件（如CATIA、UG NX和Creo等）为设计平台，建立典型产品的全参数化三维实体模型，进行干涉和碰撞检查、装配规划等。还包括由三维模型转化建立完全关联的二维工程图；建立描述产品的物理数据（如基本属性、明细表信息等），为PDM管理提供基础数据。

    在产品研发中期，建立基于三维模型的产品分析、加工及管理过程，进行产品的运动学和动力学分析，了解运动构件工作时的运动协调关系、运动范围、可能的运动干涉、产品动力学性能、强度和刚度等；实现虚拟加工，对加工工艺进行模拟，以检验产品设计的合理性、可加工性、加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出现的加工缺陷，为CAM（计算机辅助制造）提供数据模型；通过PDM系统实现产品开发过程管理，在一个设计周期内跟踪所有设计事务和数据的活动，并为设计进程的自动管理提供必要的支持。

    在产品研发后期，通过虚拟样机显示产品的外观、内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等。有关人员可以浏览产品的图形与非图形数据，充分发挥三维模型的作用。例如，可利用具有逼真效果的效果图来探测、确定各类用户对产品规格、性能、外观等的需求，实现用户驱动、用户定制；在互联网上发布需要的配套零部件，获得供应商的电子数据，进行电子模装，验证产品的正确性；自动地在互联网上轻松地实现自助服务和主动服务等。

    此外，合作伙伴的选择也非常重要，依靠企业现有的资源力量，往往无法独立完成整个产品数字化样机的建立工作。因此，可以选择一家技术雄厚、知识丰富、有类似项目经验的合作方，通过数字化虚拟样机的建立、实施，帮助企业建立起一套基于三维CAD的产品数字化开发体系，实现设计模式的转变，提高产品创新能力，加快产品推向市场的周期。同时进行人才培养、技术储备，以全面提升产品设计开发水平。

3．虚拟样机

    如前所述，数字样机是一种虚拟样机。所谓虚拟样机，是相对于物理样机而言的。关于虚拟样机，在不同的应用领域存在不同的定义。在建模和仿真领域比较通用的虚拟样机定义是由美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）提出的，即虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。

4．虚拟样机技术

    在这里，虚拟样机技术是相对于传统的设计方法而言的。大家知道，对一个机械系统的研究可分为静力学、运动学和动力学3种类型，而虚拟样机技术主要进行的是机械系统运动学和动力学分析，因此也被称为机械系统动态仿真技术。

    关于虚拟样机技术的定义也有多种，其中之一是：虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性（即外观、空间关系以及运动学和动力学特性），进而修改并得到最优设计方案的技术。

5．电子样机

    法国达索系统公司的数字样机概念强化了对产品的详细设计、三维可视化、制造过程仿真、工程分析实现的集成应用，特称数字样机为电子样机（Digital Monk Up，DMU）。

    电子样机是一种实用的对整个产品或产品的一部分进行计算机电子模拟的技术。它需具有完整的功能，包括集成的造型、可视化、功能性检测、产品结构和配置管理等功能，为数据管理、信息转递和决策过程三大领域提供方案，最终能更快、更好地以最低成本开发和生产汽车和其他产品。

6．数字样机类型

    以飞机的数字样机为例来说明数字样机的类型。飞机数字样机按研制进程分为一级样机（含概念样机和方案样机）、二级样机和三级样机；按功用分为全机样机、结构样机、系统样机、分区样机和专用数字样机，其中系统样机又分为起落架系统样机、操纵系统样机、液压冷却系统样机、飞控系统样机、动力系统样机、燃油系统样机、氧气系统样机、救生系统样机和环控系统样机。

    对于图1-2所示台式电风扇的数字样机，由于简单，其分类自然不用那么复杂。

 

图1-2  台式电风扇的数字样机

7．数字样机技术特点

    无论是狭义的还是广义的数字样机，都具有如下技术特点：

    （1）真实性：数字样机的根本目的是为了取代或精简物理样机，所以数字样机必须在仿真的重要方面具有同物理样机相当或者一致的功能、性能和内在特性，即能够在几何外观、物理特性以及行为特性上与物理样机保持一致。

    （2）面向产品全生命周期：数字样机是对物理产品全方位的一种计算机仿真，而传统的工程仿真是对产品某个方面进行测试，以获得产品该方面的性能。数字样机是由分布的、不同工具开发的甚至是异构子模型的联合体，主要包括CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型、各种分析模型、使用维护模型以及环境模型。

    （3）多学科交叉性：复杂产品设计通常涉及机械、控制、电子、流体动力等多个不同领域。要想对这些产品进行能够完整而准确的仿真分析，必须将多个不同学科领域的子系统作为一个整体进行仿真分析，使得数字样机能够满足设计者进行功能验证与性能分析的要求。

    （4）全面实现数字化：数字样机强调将产品整个生命周期的各个研发环节实现数字化，而不仅仅是最终产品模型的数字化。

    （5）不需要制造成本：数字样机是根据产品开发过程中所有的技术数据制作完成的，其特点是不需要制造成本，不仅能一直保持最新版本的设计方案，而且所有数据都可以进行保存、回溯和跟踪。利用先进的虚拟仿真技术，可以使用数字样机取代物理样机来进行空气动力学分析、人机工程学研究、碰撞测试与市场调研等工作。

    （6）绿色环保：由于数字样机不需要用实体材料进行加工制造，所以不会污染环境，自然是“绿色”的了。

8．数字样机的应用举例

    实例1-1：美国研发的波音777（见图1-3）。

    波音777是美国波音公司首次完全利用计算机及其软件进行“无图纸”设计的飞机，是世界第一款 100%数字化定义的民用飞机（数字样机）。它使用的数字样机技术为CATIA（Computer-aided Three-dimensonal Interactive Application），整个设计过程并没有使用纸张绘图，而是使用一套称为CATIA的三维计算机辅助设计软件。事先“建造”一架虚拟的数字样机波音777，让工程师可以及早发现任何误差，并预先判定数以万计的零件是否配合妥当，然后才制造实体的原型机。在原型机建造的时候，各种主要部件一次性成功对接。

    采用数字样机带来的效益：开发费用和时间节约50%；设计更改、返工率减少93%以上；出现问题比传统制造减少50%～80%。

    实例1-2：我国研发的飞豹改进型战机（见图1-4）。

 

图1-3  美国研发的波音777

 

图1-4  我国研发的飞豹改进型战机

    飞豹改进型战机的研发采用了我国首架具有完全自主知识版权的全机电子样机，在国内实现了首次“电子预装配”，首次全机“无图纸”设计和制造。

    采用数字样机技术带来的效益：正是由于全面采用了数字样机技术，才取得了飞豹改进型的研发成功。

1.1.2 三维数字化设计

    如前所述，三维数字化设计是数字样机技术的基石。因此，下面将对三维数字化设计做进一步的详细介绍。

1．设计的基本概念

    设计是人类改造自然的基本活动之一，设计过程是复杂的思维过程，蕴含着发明创造和创新的机会，设计的目的是将预定目标经过一系列规划和分析决策活动，产生一定的可供实际使用的信息（文字、数据、图形等）。因此，可以给设计下一个最简单的定义，就是“一种有目的的发明创造和创新活动”。也就是说，设计本身要求发明创造和创新，以满足人们不断追求的新目标。有目标，但是没有发明创造和创新的活动不能称为设计。例如，按照现有二维图进行三维造型，然后再生成二维图的活动，严格来说就不能称之为设计。

2．设计的不同类型

    按照采用设计方法的不同，可以将设计类型分为常规设计、现代设计和创新设计。

    按照设计主要特点的不同，可以将设计类型分为开发性设计、适应性设计和变型设计。

    按照设计对象的不同，可以将设计类型分为机械设计、电气设计、建筑设计、环境设计、网络设计和视频设计等。

    按照设计阶段的不同，可以将设计类型分为概念设计、方案设计和构形设计（详细设计）等。

    下面将与本书有关的几种设计分述如下：

    （1）常规设计

    常规设计是以成熟技术为基础，运用公式、图表、经验等常规方法进行的产品设计。其设计过程虽然有章可循，但是同样包含了设计人员的大量创造性成果。

    （2）现代设计

    现代设计是以计算机为工具，以融合了现代设计理念、方法、技术的仿真软件为平台的新型设计。本书讲的设计就属于现代设计。

    能够用于现代设计的软件一般都实现了CAD、CAE的集成或CAD、CAE和CAM的集成，实现2C集成的软件属于中端软件，而实现3C集成的软件则属于高端软件。例如，SolidWorks、Solid EDGE和Inventor等软件实现了CAD和CAE的集成，因此属于中端软件；Pro/ENGINEER、UG NX和CATIA等软件实现了CAD、CAE和CAM的集成，因此属于高端软件。这些软件用于现代设计时，其功能已经非常强大。

    （3）创新设计

    创新设计是指设计人员在设计中通过发挥创造性、提出新方案、探索新思路等途径，提供具有社会价值、新颖且独特的产品设计。其特点是运用创造性思维，强调产品的独特性和新颖性。

    （4）开发性设计

    开发性设计是指在工作原理、功能结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过试验证明可行的新技术，设计出未曾有过的新型产品。这是一种完全创新的设计。

    （5）适应性设计

    适应性设计是指在原理方案基本保持不变的情况下，对产品做局部的变更或设计一两个新部件，使产品在质和量方面更能满足用户要求。这种设计同样少不了创新，不过创新的程度没有开发性设计高。

    （6）变型设计

    变型设计是指在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构布局和尺寸，使之适应更多用户的要求。这种设计的创新程度最低，但是仍然要求设计人员发挥创造性。

    （7）机械设计

    机械设计是设计人员为满足社会和人们对机械产品的需求，运用科技知识和设计理论、方法及技术，对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方式及外观等进行创造性构思、准确地分析和计算，并将之转化为具体的描述，以作为制造依据的工作过程。

    （8）概念设计

    用户的需求是以产品的功能来体现的，而体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，概念设计阶段的最终目标就是在功能分析的基础上，通过创造性构思、搜索探求，创新设计理念，优化筛选出较为理想的工作原理方案。例如，机械产品的概念设计就是要在功能分析和工作原理确定的基础上，进行工艺动作构思和工艺动作分解，初步拟定各执行机构动作如何协调配合（即绘出运动循环图），为后面的方案设计创造前提。

    （9）方案设计

    在机械设计程序中，方案设计是机械设计的前期工作，大体可以分为运动方案设计和结构方案设计。

    机械运动方案设计就是进行机构系统的型综合和数综合，并绘出机构运动示意图或简图。机械结构方案设计就是求出功能结构解，并绘制出机器的总体布局图及重要部件的结构示意图。方案设计是为构形设计（详细设计）做准备的。

    （10）构形设计（详细设计）

    构形设计（详细设计）是将机械方案细化、具体化的过程，即要完成机械总体设计、部件组件设计、零件设计，创建全部生产图样，编制设计说明书和有关技术文件等。

3．数字化设计及其发展阶段

    如前所述，现代设计的最大特点就是以计算机的硬件为系统工具，以计算机的设计/仿真软件为支撑平台，否则，便谈不止现代设计。也就是说，现代设计必然是一种数字化设计。

    由计算机带来的数字化是人类第三次历史性的技术革命。数字化技术在制造业的影响首先表现在产品设计方面。计算机不仅能够绘制二维工程图样，还能建造三维的立体模型，加上材料特性和周围环境，仿佛是一个真实的产品。我们把计算机的这种能力称为数字化设计。

    一般认为，计算机无论多么先进，在设计中所起的作用都是辅助性的，而人的能动作用才是主要的，因此，数字化设计又称为计算机辅助设计（CAD）。它起始于20世纪50年代，经过了如下发展阶段：

    （1）准备和酝酿时期（20世纪50～60年代初）

    20世纪50年代在美国诞生了第一台计算机绘图系统，开始出现了具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。

    （2）蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60年代）

    20世纪60年代初期出现了CAD 的曲面片技术，中期推出了商品化的计算机绘图设备。60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。同期，提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。

    （3）广泛使用的时期（20世纪70年代）

    1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。出现了面向中小企业的CAD／CAM商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2.5万。70年代后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。

    （4）突飞猛进时期（20世纪80年代）

    在这个时期，图形系统和CAD／CAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装的CAD系统至1988年已发展到63000套。CAD／CAM技术从大中型企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计扩展。80年代中期以后，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD技术的推广、软件的移植和数据共享起到了重要的促进作用。系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造连成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能。

    （5）开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（20世纪90年代）

    由于微型计算机加Windows 95／Windows 98／Windows NT操作系统与工作站加UNIX操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，使得CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD 系统的问题求解能力大为增强，设计过程也更趋自动化。

    现在，CAD已在机械模具、土木建筑、电子电气、航空航天、汽车船舶等各个领域得到了广泛应用。

4．几何造型（建模）技术及其革命

    几何造型（建模）技术是数字化设计（CAD）的核心技术，几何造型（建模）技术的研究、发展和应用，代表了数字化设计（CAD）技术的研究、发展和应用水平。

    （1）CAD技术由二维向三维的飞跃

    如前所述，CAD技术起步于20世纪50年代后期。从20世纪60年代开始，CAD技术随着在计算机屏幕上绘图成为可能而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱烦琐、费时和低精度的传统手工绘图。当时，CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术，CAD的含义仅仅是图板的替代品。以二维绘图为主要目标的算法一直持续到20世纪70年代末期。随着技术的发展，CAD系统介入产品设计过程的程度越来越深，系统功能越来越强，逐步发展成为真正的计算机辅助设计。

    然而在20世纪60年代末，70 年代初有人利用三维线框造型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曲面建模。

    线框造型是利用基本线素来定义零件的棱线部分，再由这些棱线构成立体框架，以表示所描述的零件。例如，如图1-5所示的线框造型是由12个顶点和18条边（构成了8个面）来表示的。

    线框模型具有三维数据，便于生成工程图，且具有构造简单、程序运行时间短和数据存储开销低等优点。但是，它缺少曲面的轮廓线，故不适用于圆柱、球体等的造型，只能用于由平面组成的多面体的造型。而且由于不能明确定义给定的边与面、面与体之间的拓扑关系，所有棱线会全部显示，不具备自动消隐功能。

    线框造型是曲面造型和实体造型的基础，其代表软件系统是CADAM。

    线框造型适宜用作虚体特征、布局图、有限元网格显示等。

    （2）第一次三维CAD技术革命——由线框造型提升到曲面造型

    三维线框式造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。进入20世纪70年代，飞机和汽车工业进入蓬勃发展时期，而当时只能采用多截面视图、特征曲线的方式来近似表达所设计的自由曲面。既慢又繁的制造过程大大拖延了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声越来越高。

 

图1-5  线框造型实例

    此时法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。CATIA的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图样的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息。为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后工作方式。

    曲面造型是通过对实体的各个表面或曲面进行描述而构造零件模型的一种建模方法。它在线框模型的基础上增加一个面的信息，用来表示边与面的拓扑关系。例如，在如图1-5所示的线框模型上增加8个面，即可具有更完整的三维实体信息。

    利用曲面模型，可以对物体进行消隐、着色、表面积计算、曲面求交、NC轨迹生成和有限元网格划分等。

    曲面模型适用于对复杂曲面外壳的描述。适宜用作虚体特征，用作构造汽车车身、飞机机翼等模型

    （3）第二次三维CAD技术革命——由曲面造型提升到基于体素布尔运算的实体造型。

    20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在CAD技术方面也进行了许多开拓；UGS公司则着重在曲面技术的基础上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求。有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件—I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性，代表了未来CAD技术的发展方向。

    但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。由于以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反映还不强烈。另外，在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力气去开发它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。在以后的10年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术也逐渐为众多CAD系统所采用。

    实体造型利用基本体素（如长方形、圆柱体、圆锥体、圆环体、球体）的布尔集合运算（交集、并集、差集）来生成零件实体模型。世界上广为使用的两种几何模型描述语言（又称造型核心或几何引擎）是Parasolid和ACIS。

    实体模型不仅记录了全部几何信息，而且还记录了全部点、线、面间的拓扑信息。

    现在全世界普及较广的CAD软件是AutoCAD。该软件是典型的实体造型工具，它支持线框造型、曲面造型和实体造型。如图1-6所示是AutoCAD的三维制作工具。如图1-7所示是AutoCAD的视觉样式工具。

 

图1-6  AutoCAD的三维制作工具

 

图1-7  AutoCAD的视觉样式工具

    实体造型除了直接用于实体零件设计外，还用作特征造型的基础。其几何模型描述语言被现代三维软件所采用。例如，UG NX、SolidWorks、Solid EDGE（用Parasolid）、Autodesk Inventor（用ACIS）、国产的CAXA实体设计则同时嵌入了Parasolid和ACIS，供用户在安装时选用。

    （4）第三次三维CAD技术革命——由实体造型提升到基于特征的参数化造型

    正当实体造型技术逐渐普及之际，CAD技术的研究又有了重大进展。20世纪80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了参数化实体造型方法。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写。当时CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具（如实体曲面问题等），且当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是，CV公司内部否决了参数化技术方案。

    策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司（Parametric Technology Corp，PTC），开始研制命名为Pro/ENGINEER（简称Pro/E）的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。

    20世纪80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元降到只需几万美元。一个更加广阔的CAD市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此把目光投向了价格较为便宜的Pro/E软件。进入20世纪90年代，参数化技术变得成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。

    参数化造型是基于特征的、全数据相关的、全尺寸约束（驱动）的造型技术。

    参数化造型首先是基于特征的。特征是指产品描述信息（几何信息和非几何的工程信息）的集合。将特征概念引入产品造型系统的目的是为了增加实体几何的工程意义。这样，就可以认为零件实体是由各种各样的特征构成的。

    不同对象和领域对特征的抽象与分类不一样。例如，按照产品的功能，可以分为形状特征、技术特征、管理特征、材料特征、精度特征、装配特征、分析特征等；按照零件造型中特征的功能，可以分为基准特征、基础特征、工程特征、曲面特征、实体特征等；按照特征生成的方法，可以分为草绘特征、拉伸特征、旋转特征、扫描特征、放样特征等。

    通过特征造型，可以定义零件的具有一定工程意义的形状特征、具有尺寸公差和形位公差等的精度特征，以及材料特征、其他工艺特征等，从而为其设计和制造过程的各个环节提供充分的信息。

    特征造型和实体造型最大的区别在于特征造型记录了建模的历史过程，而实体造型记录的只是建模的最终结果。

    现在市面上流行的三维数字化设计软件，可以说都是基于特征造型的软件。例如，中端软件SolidWorks、Solid EDGE、Inventor、CAXA实体设计、Solid 3000等，高端软件CATIA、UG NX、Creo等。

    如图1-8所示零件是用SolidWorks创建的。图1-8a是该零件的特征管理设计树，在零件的根目录下有很多特征，图1-8b是该零件等轴测视图。如图1-9所示零件是用Pro/ENGINEER创建的。图1-9a是该零件的、由特征组成的模型树，图1-9b是该零件的默认方向视图。如图1-10所示零件是用UG NX创建的。图1-10a是该零件的、由特征组成的模型历史记录的一部分，图1-10b是该零件的正等测视图。由这些图可见，用这些软件创建的零件都是由特征组成的。

 

图1-8  用SolidWorks创建的零件

 

图1-9  用Pro/ENGINEER创建的零件

 

图1-10  用UG NX创建的零件

    a) 由特征组成的模型历史记录  b) 正等测试图

    由图1-8～图1-1可看出，在支持特征造型的软件系统中创建的零件，都对应产生一棵特征树。尽管名称有所不同，实际包括的内容也有所不同，但其核心都是基于历史的特征树。设计历史记录了创建模型的特征顺序，即模型的特征结构，也就是组成零件的所有特征类型及特征间的相互关系（实质上是一种由设计历史决定的单向特征依赖关系，即建模前期生成的特征决定建模后期生成的特征的形状和位置）。

    特征间的关系有两种：一种是“父子”关系，它表示两个特征之间存在依附关系，即“子”要靠“父”而存在，“父亡”则“子死”。这和动物世界的“父子”是不完全相同的。在实际造型中，凡是后者参照前者而造型的，前者即为“父”，后者则为“子”，其相互位置不能颠倒。另一种是“兄弟姐妹”关系，它表示两个特征之间是并列的、非依附关系，其前后位置是可以颠倒的。有关这方面的操作在后面的相关章节中会涉及。

    参数化造型是全数据相关的，即所有模块都是全相关的。在产品设计过程中，某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体（组件、部件、整机）、工程图以及制造数据等。例如，由三维造型模型生成的二维工程图，当改变三维模型上的某尺寸时，工程图上相应的尺寸会随之修改；反过来，若修改工程图上某驱动尺寸（源于三维模型）时，则三维模型上相应的尺寸也会随之修改。

    参数化造型是全尺寸约束（驱动）的，也就是说，通过编辑尺寸参数的数值即可驱动几何形状的改变，并不需要像实体造型那样重新画图。

    世界上第一个参数化造型软件是美国的参数化技术公司（PTC）于1988年发布的Pro/ENGINEER（Pro/E）。如图1-11所示的草图是用Pro/E绘制的。图1-11a为原始尺寸图形，图1-11b为将尺寸改小的图形，图1-11c为将尺寸改大的图形。由此可见，只要改变尺寸数值便可改变图形。

 

图1-11  尺寸驱动图形变化实例

    a) 原始尺寸图形  b) 尺寸改小的图形  c) 尺寸改大的图形

    参数化造型必须按部就班，过程严格，不能欠约束，必须完全约束，不支持过约束，适用于全约束下的结构形状已比较定型的主产品设计。

    （5）第四次三维CAD技术革命——由参数化造型提升到变量化造型

    参数化造型技术的成功应用，使得它在20世纪90年代前后几乎成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷起步追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行。SDRC公司的开发人员凭着数年来对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解，发现了参数化技术尚有许多不足之处，并以参数化技术为蓝本，提出了一种更为先进的实体造型技术—变量化技术，作为今后的开发方向。于是，SDRC公司从1990年开始，历经3年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出了全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。

    变量化造型是基于特征的、全数据相关的、任意（广义）约束（驱动）的造型技术。

    变量化造型也是基于特征的、全数据相关的，这和参数化造型是一样的。和参数化造型不同的是，约束不再只是尺寸约束，而是扩展到整个工程应用涉及的所有特征信息。这种约束称为广义约束。它是几何尺寸约束、形状拓扑约束、几何关系约束、工程关系约束等诸多约束的集合。这些约束又称为变量，广义约束驱动，即变量驱动，也就是说修改变量，构成产品的诸多要素便会随之改变，这就进一步扩大了修改设计的自由度。例如，如图1-12所示的多孔圆盘是用支持变量化造型的软件系统SolidWorks 2008设计的。它不仅将几何尺寸视为变量，而且将圆孔数目也视为变量。该图表示了几何尺寸不变，改变圆孔数目的变化情况。

    变量化造型产生的特征管理设计树（SolidWorks）或历史树（UG NX）和参数化造型产生的模型树（Pro/E）有所不同（参照图1-8～图1-10）。以特征管理设计树（SolidWorks）为例：各特征以树状结构挂在零件的“根”上，每个特征除了与前面特征保持关联外，同时与系统全局坐标系建立联系。前一特征更改，后面特征会自动更改，保持全过程相关性。同时，一旦发生前一特征被删除，后面特征失去参照时，两特征之间的约束随之自动解除，系统会通过联立求解方程组自动在全局坐标系下确定位置，后面特征不会受任何影响。

 

图1-12  以圆孔数目为变量驱动设计更改

    变量化造型支持欠约束，不过一般还是以完全约束为宜，同样不支持过约束，适用于任意约束下新产品的概念设计。

    （6）第五次三维CAD技术革命——由变量化造型（建模）提升到同步（直接）建模

    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，系统都要删除所有后续几何模型，恢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。

    Siemens PLM Software于2008年4月推出了同步建模技术—交互式三维实体建模。同步建模技术突破了基于历史记录的设计系统所固有的架构障碍。它在参数化、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。

    同步建模技术是第一个能够借助新的决策推理引擎，同时进行几何图形与规则同步设计建模的解决方案。它加快了4个关键领域的创新步伐。

    1）快速捕捉设计意图。同步建模技术能够快速地在用户思考创意的时候就将其捕捉下来，使设计速度提高100倍。有了这些新技术，设计人员能够有效地进行尺寸驱动的直接建模，而不用像先前一样必须考虑相关性及约束等情况，因而可以花更多的时间来进行创新。在创建或编辑时，使用者可以通过这项技术定义选择的尺寸、参数和设计规则，而不需要一个经过排序的历史记录。

    2）快速进行设计变更。该技术可以在几秒钟内自动完成预先设定好的或未作设定的设计变更，而以前则需要几个小时，编辑的简单程度前所未有——不管设计源自何处，也不管是否存在历史树。

    3）提高多CAD环境下的数据重用率。该技术允许用户重用来自其他CAD系统的数据，无需重新建模。用户通过一个快速、灵活的系统，能够以比原始系统更快的速度编辑其他CAD系统的数据，并且编辑方法与采用何种设计方法无关。因此，用户可以在一个多集成CAD环境中进行成功应用。通过一个名为“提示选择”的技术，可以自动归纳各种设计要素的功能，而无需任何特征或约束的定义。这样，就提高了设计重用率和原始设备制造商（OEM）和供应商的效率。

    4）提供了一种新的用户互操作体验。该技术提供了一种新的用户互操作体验，它可以简化CAD，使三维设计变得与二维设计一样易用。这一互操作性将过去独立的二维和三维环境结合在一起，它兼具了成熟三维建模器的稳定耐用性以及二维的易用性。新的推理技术可以自动根据鼠标位置归纳常见约束，并执行典型的命令。因此，对于不常使用的用户而言，这些设计工具非常易学易用，推动了下游的应用进入制造和车间级别。

    同步建模技术适用于加入异构模型数据，在主模型上进行附加设计、改进不规范的参数化特征设计、以及快速提供3D设计结果等。同步建模技术又称为直接建模技术，是一种动态建模技术。现在的三维设计软件几乎都在其新版本中使用了该项技术，而且还涌现了一批专门以直接建模见长的软件，例如，SpaceClaim、SolidEDGE ST、Cocreate（现在称为CREO DIRECT）等。

    前述先进造型技术都具有向下兼容的特点，即三维造型兼容二维造型、曲面造型兼容线框造型、实体造型兼容曲面造型、参数化的特征造型兼容实体造型、变量化的特征造型兼容参数化的特征造型和同步建模兼容有历史的变量化特征造型。

5．三维数字化设计中的约束技术

    在三维数字化设计过程中，必然会使用到各种约束技术。下面分别从零件造型和装配造型两方面作一些简要介绍。具体内容会在以后的章节中结合有关实例进行讲解。

    （1）零件造型中的约束概念

    1）约束：在零件造型的草图绘制中，所谓约束，就是对草图的自由度施加限制。可以用参数等式或不等式描述。

    2）自由度：没有由尺寸或几何关系定义的几何元素可自由移动或转动。在二维草图中，有3种自由度：在草图绘制平面内，沿垂直两轴（如X和Y轴）移动，以及绕垂直于草图平面的轴（如Z轴）旋转。在三维草图及装配体中，有6种自由度：沿X、Y和Z轴移动，及绕X、Y和Z轴旋转。

    3）完全约束：在二维草图中，若对其3个自由度都施加了限制，便实现了完全约束。在三维草图及装配体中，若对其6个自由度都施加了限制，便实现了完全约束。

    4）欠约束：顾名思义，就是还有自由度未加约束，几何元素还可以沿某个方向移动或绕某轴转动

    5）过约束：顾名思义，就是约束过头，即施加了多余约束。草图绘制中的过约束必将引起尺寸冲突，是不允许的，一般都会发出警告信息。

    6）几何约束：在草图绘制中给几何元素添加的几何关系就叫几何约束。几何约束用于控制几何图形的形状。

    7）尺寸约束：指参数化草图绘制中，几何元素的参数描述，用于控制几何图形大小、形状和位置，又叫尺寸驱动。参数化造型使用尺寸驱动设计修改。

    8）广义约束：指构成产品的所有特征信息（几何信息与非几何信息）的集合，包括几何尺寸约束、形状拓扑关系约束、几何关系约束和工程关系约束等。广义约束又称为广义变量。变量化造型使用广义约束概念，通过广义变量的修改驱动构成产品的诸要素发生改变，这就是变量驱动。变量驱动进一步扩展了尺寸驱动这一技术，给设计对象的修改增加了更大的自由度，为三维设计软件带来了空前的适应性和灵活性。

    9）形状拓扑约束：指产品形体的特性和关系的描述。

    10）工程关系约束：指表达设计对象的原理、应力、性能、材料等方面的非几何信息描述。

    （2）几何关系约束工具

    因所用软件不同而有所不同，如图1-13a～图1-13c。

 

 

图1-13  不同软件中的几何关系约束工具

    （3）草图约束方法

    常见的添加草图约束的方法有3种：动态导航、自动识别和手工添加。

    （4）装配造型中的约束技术

    装配约束技术就是在装配造型过程中，对被装配的零件或组件（装配体）的自由度进行适当限制的技术。

    （5）装配造型中的约束类型和要求

    1）固定约束装配：必须对每一个被装配的零件或子组件（装配体）的空间6个自由度进行完全限制（即完全约束），使之固定（即完全定位），与已装零件或子组件（装配体）间不能产生相对运动。

    2）机构构件的连接装配：必须实现连接（即运动副）的完全定义，以保证机构的自由度符合设计要求。装配后，能拖曳其活动构件产生确定的相对运动。

    装配约束类型和具体要求随所用软件不同而有所不同。