Pro/ENGINEER特性與曲線曲面建模探討

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1 引言    Pro/ENGINEER是一套涵蓋了由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件,，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng),，是一個參數(shù)化,、基于特征的實體造型系統(tǒng),，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能,。PTC的系列軟件已經(jīng)深入工業(yè)設(shè)計和機(jī)械設(shè)計等各項領(lǐng)域,，包括對大型裝配體的管理,、功能仿真,、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，并提供了最全面,、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境,。
% h/ n# n- R9 Q' k1 B. S7 a2  Pro/ENGINEER的主要特性
    Pro/ENGINEER是參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng),，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能來生成模型,，如腔、殼,、倒角及圓角,，用戶可以任意勾畫草圖，輕易改變模型,，這樣就給工程設(shè)計人員在設(shè)計上提供了很大的簡易性和靈活性,。
  H% t& n8 W1 @2.1 全相關(guān)性
    Pro/ENGINEER是建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上,。所謂單一數(shù)據(jù)庫,，就是工程中的資料全部來自一個庫，所有模塊都是全相關(guān),，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作,，不管工作人員是哪一個部門的，只要其在產(chǎn)品開發(fā)過程中的某一處進(jìn)行了修改,，其修改都能夠擴(kuò)展到整個設(shè)計中,，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體,、設(shè)計圖樣以及制造數(shù)據(jù),，也可以前后反映在整個設(shè)計過程所有相關(guān)環(huán)節(jié)上。全相關(guān)性使得用戶在開發(fā)周期進(jìn)行的任意一點修改,，沒有任何損失,，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用,。 同時這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整結(jié)合,，使設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高,，產(chǎn)品能更好地推向市場,，價格也更便宜,。
2.2 基于特征的參數(shù)化造型
  x' b9 R5 ~% Y6 ^    Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象,，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易地進(jìn)行修改,。例如，設(shè)計特征有弧,、圓角和倒角等,，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用,。 裝配,、加工、制造以及其他學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征,，通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸,，還包括非幾何屬性）就可以實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
2.3 數(shù)據(jù)管理
; v* Z! I: l2 Q& U3 \/ y    為了使產(chǎn)品迅速地投放市場,，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)產(chǎn)品,。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā),。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制,，正是專門用于管理并行工程中同時進(jìn)行的各項工作，由于Pro/ENGINEER獨特的全相關(guān)性功能,，使數(shù)據(jù)管理變得很簡單,。
2.4 裝配管理
    Pro/ENGINEER為用戶提供了一些直觀的命令，如“嚙合”,、“插入”和“對齊”等,，可以很容易地把零件裝配起來。高級功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理,，并且這些裝配體中零件的數(shù)量不受任何限制,。

4 j9 l4 j& L/ P; f2 i2 i2.5 易于使用
6 d- \. ~% b5 C2 m5 f    菜單以直觀的聯(lián)級方式出現(xiàn)，并提供了邏輯選項和預(yù)先選取等普通選項,，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助,，這種形式使得學(xué)習(xí)和使用變的更容易。
3  Pro/ENGINEER主要功能
概括起來 Pro/ENGINEER主要具有以下功能：
3 t3 T/ T5 {% V  y（1）2D和3D制圖,。
* ^  A! d8 l- M   
（2）機(jī)械設(shè)計和仿真,。
（3）逼真圖像。Pro/ENGINEER Foundation提供了建立Pro/ENGINEER零部件的精確,、逼真圖像所需的全部工具,。
（4）鈑金設(shè)計。完備的Pro/ENGINEER Foundation鈑金設(shè)計工具套件,，可以幫助用戶建立墻壁,、彎頭,、沖頭、槽口,、式樣和浮雕花紋等基本特征,。
- d6 ~% d9 E4 v" y  o8 ~（5）部件功能。因為用戶需要開發(fā)的是產(chǎn)品,，而不僅僅是零件，所以在Pro/ENGINEER Foundation的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中,，提供了許多定義和建立部件的功能,。
（6）動畫設(shè)計。
4 q; Q: a, x9 a9 U# j% C' I' p4 U（7）相關(guān)圖形表,。
8 n1 G3 V- [- d0 r2 a（8）高級部件擴(kuò)展,。高級部件擴(kuò)展功能通過提供一些支持自頂向下設(shè)計方法、能處理替代產(chǎn)品配置以及管理大型復(fù)雜部件的工具,，來幫助設(shè)計小組設(shè)計和管理大型復(fù)雜產(chǎn)品,。
+ E$ ^2 m/ f$ {$ {% O% h9 E（9）完備的詳細(xì)文檔書寫。
5 {, K( A! Y, K4 F2 U+ R（10）曲線,、曲面,。
4  Pro/ENGINEER的曲線、曲面建模
6 d4 U, R$ E0 E" w3 P/ a# H    Pro/ENGINEER高級曲面擴(kuò)展功能與Pro/ENGINEER Foundation相結(jié)合可以滿足客戶對產(chǎn)品形狀進(jìn)行復(fù)雜控制的需求,，設(shè)計人員能夠設(shè)計出從棱柱形引擎組件到輪廓化的高爾夫俱樂部,、再到類似人類牙齒器官等的各種產(chǎn)品。高級曲面擴(kuò)展功能提供了逆向工程的設(shè)計規(guī)范管理,、參數(shù)化曲面建模和直接曲面建模等高性能工具,。概括起來它主要具有幾個方面的特性。
4.1 參數(shù)化曲面建模  
% V% k9 E2 K2 M7 b, F. h    高級曲面功能可以幫助設(shè)計人員和工程師高效開發(fā)和優(yōu)化尺寸驅(qū)動式幾何圖形和自由曲面,。參數(shù)化曲面建模功能為設(shè)計人員提供了各種方便的曲面建模工具,，比如變截面掃描工具，其中縱截面可以由用戶自定義圖表或數(shù)學(xué)函數(shù)控制,；另外還提供了混合曲面和大量曲面操作,，擴(kuò)充、裁剪,、偏移以及轉(zhuǎn)換等工具,，以幫助用戶建立精確的形狀。
% Z8 G6 q  x) @2 `% A2 _4.2 直接曲面建模和逆向工程  
6 T9 _4 ]/ y/ O    為了從實體模型,、原型或者現(xiàn)有的產(chǎn)品中獲取設(shè)計面信息,，Pro/ENGINEER的高級曲面功能逆向工程工具提供了一種快速建立、修改和校驗定型曲面的方法,�,？焖俑咝Ы�立��(yōu)質(zhì)定型曲面的能力可以多方面地加速后續(xù)過程,，從而為用戶節(jié)省大量時間。

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圖1 利用Pro/ENGINEER高級曲面建模所做出的產(chǎn)品模型

    Pro/ENGINEER的交互式曲面設(shè)計擴(kuò)展功能 (ISDX)定義了新一代曲面處理技術(shù),。這一新工具具有獨特的自由形狀曲線和曲面建模功能,，并具有高級的互用性和靈活性。它能讓設(shè)計人員和工程師在一種完全自由式參數(shù)化建模環(huán)境中工作,，這樣就能保證設(shè)計和工程的真正集成,。通過在Pro/ENGINEER的參數(shù)化建模基礎(chǔ)內(nèi)建立復(fù)雜的自由形狀幾何體,，ISDX能讓設(shè)計人員和工程師在一種具有極大設(shè)計靈活性,、獨特的環(huán)境中工作。
    ISDX是一種可以改變設(shè)計和工程通信方法的工具,，一種確保設(shè)計,、工程和制造能真正實現(xiàn)協(xié)作的工具，一種產(chǎn)品開發(fā)工程中能提供極大柔性的工具,，同時也是一種把參數(shù)化建模技術(shù)和自由形狀曲面處理方法融合到Pro/ENGINEER環(huán)境中的曲面處理新模塊,。ISDX能夠使工作流更加流暢、可以研究更多的設(shè)計替代產(chǎn)品,，并能在設(shè)計過程的任何一個級別和工序中,，管理所做的各種修改。
/ N, t9 {' n# K# a8 U" \4.3 ISDX的主要特性
4.3.1高度的柔性和集成性
7 \" I1 [* T5 k/ m6 E- m    用戶可以使用勾畫,、草圖或其他參考數(shù)據(jù)來設(shè)計幾何圖形,，這樣他們就能從純概念開始，逐步把概念設(shè)計成產(chǎn)品模型,。由于所有的設(shè)計,、工程和制造信息肯定都會被存儲，所以,，在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中,，可以在極短時間內(nèi)，對許多設(shè)計替代產(chǎn)品進(jìn)行研究和設(shè)計,。這種工具從設(shè)計一開始就保持著完整的設(shè)計意圖,，并非僅僅進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)換，所以它在整個過程中都能夠提供暢通的交流,。
1 Q6 e" |4 |- Q; T/ ]4.3.2新環(huán)境中的直接曲線和曲面建模
    ISDX能讓設(shè)計人員和工程師在一個新的直觀設(shè)計環(huán)境中工作,，其中包括在獨特的四視圖窗口中，進(jìn)行各種選項以及直接建立,、處理和控制曲線,、曲面和連接等。如圖2所示，這種直觀的交互式環(huán)境,，能讓用戶在設(shè)計的任何時候,，建立各種自由形狀幾何圖形以及建立符合需要的多個或極少種約束條件的曲線和曲面模型。ISDX能夠充分利用Pro/ENGINEER參數(shù)化環(huán)境的強大功能,，來完成自由形狀和參數(shù)化建模技術(shù)的集成,。

圖2 直觀的4視圖窗口設(shè)計環(huán)境

    ISDX這種環(huán)境把建立和編輯曲線、曲面的所有最新工具都合在一起,。它允許設(shè)計人員和工程師以一種非常直觀的方式建立期望的曲面,，從而確保更高的效率和更有效的設(shè)計控制能力。ISDX的直接建立和處理曲線的功能支持復(fù)雜的設(shè)計,，能建立和完成復(fù)雜曲面的連接,，把曲面處理質(zhì)量和靈活性提高到了一個新的水平。
( w$ ~5 ?& U& \8 h/ l/ a    無論是從設(shè)計和制造觀點來看,，還是從產(chǎn)品營銷觀點來看，Pro/ENGINEER的直觀環(huán)境中建立優(yōu)質(zhì)曲面的能力在當(dāng)今快速發(fā)展的開發(fā)市場中具有極高的價值,。
5 m; F$ {( b- L/ p$ h* e' e; ~( f4.3.3 Pro/ENGINEER交互式曲面設(shè)計
    交互式曲面設(shè)計是一種一體化的建模方法,，它確保了設(shè)計過程具有最大的靈活性，并能讓設(shè)計人員和工程師按照設(shè)想來設(shè)計產(chǎn)品,。無論用戶是在建立曲線,、曲面，還是在建立實體間的相互關(guān)系,，都能為他們提供需要用來建立自由形狀曲面模型的所有軟件工具,。這種在基于特征的參數(shù)化建模環(huán)境中設(shè)想和建立任意形狀曲面模型的能力，把Pro/ENGINEER的功能提高到了一個新的水平,。
    用戶可以通過混合已有的幾何體,，或者是全新設(shè)計，來輕松建立自由曲面,，并將其作為Pro/ENGINEER模型的一部分,。
! U/ q, i9 i" z( i7 \  W) O3 i    ISDX可以將自由式曲面處理和工程設(shè)計完全集成在一起，用戶不需要退出目前正在使用的工具,，即可隨時更改模型,。只需要重定義或修改特征，然后就可繼續(xù)工作,。它致力于增值設(shè)計,，而不是數(shù)據(jù)傳輸。用戶不用再等待其他人來完成更改,，在Pro/ENGINEER中就可快速簡便地完成模型,。
; N! f$ Z7 W: s    在自由式曲面處理方法與參數(shù)化驅(qū)動式、基于特征的建模技術(shù)之間的交互作用方面，Pro/ENGINEER交互式曲面設(shè)計擴(kuò)充功能已經(jīng)領(lǐng)先于其他大部分CAD軟件了,。設(shè)計人員和工程師只需買進(jìn)能夠快速獲得設(shè)計意圖,、并有能力支持后續(xù)設(shè)計和制造的工具，即可以迅速地完成產(chǎn)品的設(shè)計和建模,。交互式曲面設(shè)計系統(tǒng)的功能主要如下,。
+ I0 s2 ~- K6 a$ c2 w: p) r+ I    （1）建立曲線。3D曲線,、平面曲線,、曲面上的曲線、直接在曲面上草繪,、把某個曲線映射到曲面上,、用參數(shù)化方法建立曲線 。
9 p- k1 G6 ]1 y5 w: e* f    （2）編輯曲線,。動態(tài)或根據(jù)數(shù)據(jù)移動內(nèi)插點或控制點,；在顯示屏上動態(tài)或根據(jù)數(shù)據(jù)修改相切條件；用切線和折線把曲線連接到曲線和曲面,；增加內(nèi)插點,；使用或不使用約束條件來動態(tài)擴(kuò)展；刪除點或整條線段,；組合和分離曲線,；交互式曲度描繪。
/ }, T7 ?/ V6 n    （3）建立曲面,。使用內(nèi)部特征曲線和曲面或?qū)嶓w的邊線來建立曲面,；添加內(nèi)部曲線；用局部邊界線建立曲面,。
' Q% j6 {) d( I# d    （4）編輯曲面,。通過編輯定義曲線，修改曲面,；添加/刪除內(nèi)部曲線,，以便重新定義曲面形狀；替換邊界曲線/邊,，以便重新定義曲面形狀,；交互式曲面連接。
    （5）建模環(huán)境,。4視圖窗口顯示（三個等距視圖,，一個3D視圖）；引用已定義的任何幾何體,，比如點,、平面,、曲線、曲面和實體,；直接處理導(dǎo)入的幾何體,、面和采樣數(shù)據(jù)；局部重建機(jī)制,；局部解決模式,；在參數(shù)化修改過程中促進(jìn)模型更改；使用行為建模（Behavioral Modeling）技術(shù)來優(yōu)化,；建立,、設(shè)計、模擬和制造其他幾何體等后續(xù)應(yīng)用,。
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圖3  Pro/ENGINEER環(huán)境下交互曲面建模產(chǎn)品