2012年11月22-23日，“第八屆中國制造業產品創新數字化國際峰會”在深圳隆重召開。本屆峰會的主題為“數字化技術驅動產品創新”。在22日下午的“數字化設計與制造一體化”技術論壇上，e-works PLM編輯部主任涂彬做了題為“2012三維CAD技術發展趨勢分析” 的精彩演講，本文是對涂主任演講內容的整理。論壇由e-works合作總監陳同江主持。
e-works PLM編輯部主任 涂彬
1 三維建模技術的創新與融合
近幾年，三維CAD在國內得到了越來越廣泛的應用，企業中三維CAD替代二維CAD的趨勢明顯。 同時，CAD廠商也在根據用戶需求不斷完善CAD軟件的三維設計功能。三維建模技術經歷了從線框建模、實體/曲面建模到特征建模等發展過程。隨著技術的不斷進步，又出現了直接建模、同步技術等多種新的先進建模技術，并逐步走向融合。設計師因此有了更多新的建模手段，從而實現快速的設計變更和系列化產品設計。 圖1為三維建模技術的發展路線。
圖1 三維建模技術的發展路線
三維實體造型技術的核心包括CSG（Constructive Solid Geometry）和B-REP模型。CSG表達建模的順序過程，B-REP是三維模型的點、線、面、體信息，即造型結果的三維實體信息。特征造型技術是在CSG的基礎上，添加了特征樹的概念，今天流行的各個主流的基于特征造型三維機械CAD系統的核心原理；直接建模的核心是只有B-REP信息，沒有CSG信息，它不考慮造型的順序，所以可以隨便修改模型的點、線、面、體，無需考慮保持特征樹的有效性，不受到造型順序的制約；同步技術將特征建模和直接建模相結合，實現在三維環境下，進行尺寸驅動（或者叫參數化設計，Parametric Design）及伸展變形（Stretch）的三維造型方法和約束求解技術，既保留零件的實體特征信息，又能實現尺寸驅動，還能使基于特征的無參數建模和基于特征的參數建模的完美兼容，實現三維模型的迅速修改，從而達到快速變更設計模型和產品系列化設計的目的。
為了使設計更加的方便、快捷，易于修改，目前市場上主流三維CAD基本融合以上建模技術中的兩種或幾種建模方式。Siemens PLM Software率先在PLM行業內發布同步技術，形成了直接建模、特征建模、曲面建模和同步技術多種建模方式；PTC收購直接建模工具Cocreate后，整合推出了Creo Direct應用，將Cocreate的直接建模功能融入到Creo平臺中，實現了參數化建模與直接建模的融合；SolidWorks 2012版本中將基于歷史的參數化建模和直接建模是這兩種技術有機的融合在一起，既沿用參數化技術的特點同時也與直接建模技術相結合；Autodesk Inventor Fusion也具備了直接建模功能，能夠自由、快速地更改設計，并將直接流程與參數化流程結合到了 Autodesk Inventor 軟件創建的單個數字化模型之中。
2 三維CAD技術發展趨勢
2.1 集成一體化的CAE/CAM和產品數據管理功能
很多企業雖然在整個流程中引入了CAD/CAE/CAM和產品數據管理功能，但往往由于各個軟件系統之間相互孤立而沒有發揮其應有的價值，主要表現為：引進非集成的專業CAE/CAM工具，意味著設計人員需要重新掌握新的一套軟件，造成工作效率的降低；數據格式之間相互獨立且不容易轉換，影響了與CAD軟件之間的數據溝通，無法構成設計、分析、加工的循環創新體系；引入獨立的CAE/CAM工具是一筆巨大的成本支出，性價比較低。鑒于以上的原因，很多廠商考慮將CAD/CAE/CAM集成于一體，提供完整的PLM解決方案。這種集成方案的優勢在于：1.數據的無損失性和相關性；2.直接地將工程分析和加工驗證結果反饋到設計中去，快速評估，減少物理樣機測試；3.一體化的數據和流程管理，可以保持數據的安全性及可追溯性。
CAD/CAM/CAE一體化代表性的廠商包括PTC、達索系統、Simense PLM等。PTC公司的Creo Simulate提供結構分析和熱分析兩個仿真分析模塊，既可作為獨立軟件使用，也可集成在Creo Parametric的統一界面環境下執行其功能；達索系統的ABAQUS for CATIA使用戶可以在CATIA內部直接調用ABAQUS求解器進行機械、熱和熱固耦合等分析，SolidWorks在仿真方面依靠與SolidWorks Simulation的完全集成，使仿真界面、仿真流程無縫融入到SolidWorks的設計過程中，提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析，如圖2所示；Simense PLM旗下的NX8.0和Solid Edge ST5中也都有相應的仿真解決方案，如圖3、4所示。
圖2 SolidWorks 2012 強度剛度分析
圖3 NX8 Simulation 氣流分析
圖4 Solid Edge ST5 Simulation穩態熱分析
2.2 機、電、軟一體化協同設計
機械電子幾乎貫穿所有的機械產品中，設計人員不僅要處理機械、電子的設計問題，更要處理機械電子的集成問題，也就是機電一體化協同的問題。 機電一體化概念設計解決方案MCD（Mechatronics Concept Designer），協同運用機械原理、電氣原理和自動化原理，加快設計交付速度、減少設計流程后期的集成問題。 三維PCB板設計，實現MCAD和ECAD的交互，并集成電路板的熱分析，確保設計質量。 電纜設計，涵蓋了電氣元器件的定義和管理，電氣原理的輸入和走線布局，以及最終線纜生產文檔的輸出。在產品日趨復雜和客戶要求越來越高的雙重壓力下，制造企業特別是高科技電子企業必須同時使用設計工具組（EDA、ECAD、MCAD），才能更好地實現MCAD與ECAD的交互，更快地傳遞設計變更，讓機械工程師和電氣工程師得以暢通的交流，從而保證設計地高效和精確。在機電一體化設計方面代表性的廠商如PTC，PTC的Creo中的ECAD-MCAD Collaboration Extension模塊可以幫助改善電氣和機械設計師之間的設計協作，改善機電詳細設計過程、減少協作錯誤，使機械工程師在提出變更建議之前能夠更好地了解對電氣設計的影響，更快速地傳遞設計變更。
2.3 三維CAD應用體驗的改善
三維CAD廠商從關注功能到關注用戶體驗轉變 ，如Simense PLM的全息3D技術（HD3D）提供了可視化的模型和信息，如圖5所示；達索“3D EXPERIENCE（3D體驗）”理念通過3D的方式構建一個完整的逼真體驗環境，包括虛擬設計、虛擬仿真、虛擬制造、虛擬運行、虛擬維修；中望3D 2012中，為了改善用戶體驗加入了全新的Ribbon界面以及Windows操作風格，同時為用戶提供豐富的界面定制功能，滿足了個性化需求。
圖5 全息3D技術（HD3D）
2.4 滿足不同行業的設計需求
每個行業領域的應用都是有其行業特點和特殊需求，針對專業行業領域需要更有針對性行業解決方案。 山大華天的 SINOVATION針對鑄造和沖壓提供了專門的解決方案，如圖6、7所示。中望3D 2012 全流程塑膠模具解決方案，可以自動分析型芯型腔 ，提供了豐富的DME\HASCO\MISUMI等標準模架與配件庫，滿足了塑膠模具行業的設計需求，有效提高模具設計人員的工作效率。
圖6 SINOVATION鑄造工藝CAD設計系統
圖7 SINOVATION沖壓解決方案
除了以上幾點外，云計算、移動應用也在三維CAD領域興起，以AutoDesk為首的各大主流CAD廠商積極試水云計算，并在CAD的移動應用方面逐漸興起。最后，對各三維CAD軟件的新功能進行了歸納介紹，如圖8所示。
圖8 各三維CAD新功能介紹
本文根據e-works PLM編輯部主任涂彬在“2012年產品創新數字化峰會CAD/CAM一體化”論壇的發言錄音整理，已經本人確認！
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