三维实体建模的新时代

时间:2022-10-25 02:52:29

三维实体建模的新时代

2013年9月1 2日, 电子与维修产品服务分销商Electrocomponents plc集团公司(LSE∶ECM)旗下的贸易品牌RS Components(RS)宣布推出DesignSpark Mechanical——一款由RS Components与SpaceClaim共同开发的新型三维实体建模和装配工具,且完全免费。

一、直接建模

要了解DesignSpark Mechanical,首先,就要了解“基于特征建模”与“直接建模”的一些基本差异。

事实上,用于三维设计和产品建模的高级软件市场早在20世纪80年代便已存在。过去,这些“基于特征的”或“基于历史的”三维CAD工具占据着市场的主导地位。早期这些工具的盛行并不是注定的,其成功要归因于当时计算机有限的处理输出能力。

众所周知,由于缺乏大型数字运算能力,基于特征建模比直接建模更具优势。基于特征建模的本质是通过一种巧妙的技术在20世纪80年代的计算机硬件条件下实现实体建模。基于特征建模将设计分解成一系列独立参数驱动的步骤或“特征”,并以此作为创建部件形状的指令,从而使硬件能够以实时或至少接近于实时的方式创建及运行模型。

当然,该流程对于由简单部件和装配构成的设计而言具有良好效果。但是,随着计算机性能的日益提高,模型变得更加复杂,并且出现了一些更加复杂的概念将所有特征联系起来,其中包括约束条件和主从关系(主要用于描述存在于工具历史树状图中的个体特征或步骤之间的关系),这也意味着:如果需要对某个具体的特征进行更改,就必须回溯到定义这一特征的步骤——对于大型设计或者装配复杂的设计,这样的工作对于设计者来讲,有时甚至是灾难性的。另外,基于特征建模还要求创建文件间的依赖关系,并最终开发出使设计团队能够同时工作的数据管理工具。

不止于此,尽管三维软件十分强大,但是通常成本高昂,且只有CAD专家才能使用。据估计,全球约有2 500万CAD用户——包括电子和机械工程师——将得益于三维设计。但是,所有主流CAD软件供应商总共售出的CAD软件只有100万套。使得许多本应受益于三维设计的人无法接触这一神秘而深奥领域的主要原因就是成本花费,包括软件的价格成本以及成为一名熟练和高产的使用者所需的时间成本。这两大因素已成为阻止使用者从三维设计中获益的主要障碍。

领先CAD供应商提供最新一代工具的专利许可价格为5 000至30 000美元,并且通常还伴随着每年高昂的维护费用。同时,入门级的用户在熟练使用高级三维工具工作之前,需要进行6~18个月的学习。这往往使得CAD设计被外包给专业的CAD设计公司,结果导致即使是简单的修改,都需要耗费数周时间,造成产品开发的瓶颈。

随着IT技术的进步,如今计算机的性能比20世纪80年代高出了至少10万倍。也正因为如此,直接建模,一种新的三维设计替代、补充工具的产生,使得用户可以像使用铅笔在纸上画图一样轻松使用CAD软件绘制三维图形。

直接建模以更直观的方式为非CAD专业人员带来了巨大的优势,学习起来非常容易。直接建模技术被描述为如同“使用虚拟粘土制作模型”。本质上,直接建模的核心是几何结构:没有特征历史,也无需处理任何诸如约束条件或主从关系等复杂的关系。直接建模在基础几何结构的基础上,可以动态地根据需要进行修改,然后探索出三维创意和产品概念。在许多方面,这种直接建模的方式与Google SketchUp非常相似:用户可以采用推、拉几何结构的方式,非常迅速地完成新设计。

直接建模解决了许多基于特征的传统工具所带来的问题,不常使用CAD的工程师无需完全了解基于特征建模的所有约束条件,就可以轻松地对模型进行更改。例如,通过直接建模方式,工程师可以直接基于最后一个设计进行迭代设计,直接对设计进行添加或删除。

然而,我们也必须认识到,一些应用仍需要使用基于特征建模的方式,例如:设计的最终目标是在充分理解各种关系和要求基础上,对于一个极其复杂的部件装配创建定制化变体。但是,该方法对于小型设计而言效率较低,而且对于越来越多应用而言,直接建模更简单、快捷。

直接建模的另一大优势在于更好的互操作性,基于特征建模的专利系统对于数据格式并不兼容。过去,竞争激烈的三维CAD供应商对于他们各自工具中的关系和操作特性有着截然不同的理念。这也就意味着,他们所创建的专利软件互不兼容,使得互操作性问题成为CAD用户、同事及供应链所面临的一个巨大挑战。在过去,供应链中的每个人必须使用相同的工具,因为在CAD数据格式转化过程中,总会丢失部分信息。使用SpaceClaim Engineer等高级直接建模工具,模拟或制造部门的用户则可通过CAD系统中最常用的中间数据转换格式——STEP文件——轻松编辑实际的CAD几何结构。

直接建模还有一个重要优势在于可以实现设计理念快速迭代,而传统的CAD在这方面常常十分繁琐,比如在响应RFQ构思新创意时。

二、DesignSpark Mechanical

毫无疑问,虽然基于特征或基于历史的传统CAD工具在电子和机械设计方面发挥了重要、持久的作用,但直接建模在产品开发等领域,尤其是概念设计和原型制造正在做出巨大的贡献。RS和Allied已认识到这一重要趋势,合作并且了DesignSpark Mechanical三维实体建模和装配工具。DesignSpark Mechanical是RS与SpaceClaim公司共同开发的产品,基于SpaceClaim的三维设计软件SpaceClaimEngineer。DesignSpark Mechanical目前可供所有人免费下载和使用。

首先,DesignSpark Mechanical最大的优势在于对直接建模技术的应用,由于其界面直观且符合设计者的设计习惯,电子、机械工程师及其他用户可以在几天、甚至几小时内就能完全熟悉该软件,通过该软件的四大基本工具——拉、移、填、联,快速完成基本设计。与传统的基于特征建模工具不同,该软件利用大家熟悉的“复制和粘贴”等键盘快捷键,轻松实现几何结构在不同设计中的重复使用。因此其为工业设计师、电子设计工程师以及销售、市场和生产人员参与产品开发的初期阶段提供了一种可能(图1)。

第二,DesignSpark Mechanical能够在数秒内对概念设计的三维模型进行修改和增补,从而消除初期设计过程中的瓶颈,无需等待CAD部门使用传统3D工具对设计进行修改。因此,对于原本利用其他三维CAD系统进行产品研发的企业来讲,DesignSpark Mechanical可以作为产品开发程序中的补充工具,以创建初期概念设计,与现在已在使用的3D CAD工具同时使用(图2)。

第三, 对于电子和电机工程师而言, 有时候重要的不仅仅是三维CAD 工具, 产品或部件

模型库也绝对是必不可少的。大约三年前, 作为DesignSpark项目的一部分, RS 和Allied为全球工程师提供了完全免费下载的大型2D及三维模型库,构建了一个供开发者分享开源设计和理念的社区。ModelSource元件库包含超过80 000份元件原理图和半导体足迹、无源和机电元件,范围涵盖多家领先制造商的产品。在三维领域,ModelSource还提供了来自50多家制造商的38 000多种机电元件三维模型,涵盖了各种各样的技术,包括电子、机电、机械、气动和自动化及控制。模型为来自主要CAD供应商的许多专利文件格式,使产品能迅速整合为设计。其中,三维元件库中的主要制造商包括电子领域的Molex、3M、TE Connectivity、Harting和FCI以及自动化和控制应用领域的Siemens、Schneider和SMC(图3)。使用DesignSpark Mechanical的工程技术人员,可以直接调用ModelSource元件库中的产品模型。

第四,DesignSpark Mechanical以STL文件格式输出三维设计,不仅能够快速建造原型,并且能够通过RS和Allied网站快速获取物料单(BOM)报价。同时,DesignSpark Mechanical还能从包括屡获殊荣的DesignSpark PCB等在内的任何PCB设计工具,以IDF格式输入电路布局文件。

第五,作为一款免费工具,DesignSpark Mechanical不存在任何费用门槛,用户可以自行通过其官方网站免费下载DesignSpark Mechanical软件。

三、结语

DesignSpark Mechanical和SpaceClaim Engineer等三维直接建模设计工具的出现,意味着三维实体建模正逐步向更广大的用户群体扩大,而不仅仅是CAD专业人员。这些工具可提升更大的创造性,并且可以使专业的概念成果迅速转化为高精确及详尽的制造文件。此外,DesignSpark Mechanical,DesignSpark PCB以及ModelSource 2D和三维模型库,将使工程师能够以零成本使用专业级工具进行端到端设计。

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