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同步建模技术
2008 年 4 月
Collaborative Product Development Associates, LLC Siemens PLM Software
制作的白皮书
本文件版权属于 Collaborative Product Development Associates, LLC（CPDA）所有，受美国和国际版权法规和惯例保护。未经 CPDA 书面批准，不得拷贝、复制或者以任何形式传播本文件， 或者将其保存在检索系统之中，在公众或者私人网站或者公告板 上公布，或者分许可给第三方。不得在白皮书中去掉版权申明或 者使其模糊不清。Collaborative Product Development Associates 和 CPDA 是 协同产品开发合伙有限公司的注册商标。本白皮书中引 用的产品和公司的所有商标和注册商标均受到保护。 本文件是在可靠的信息和来源的基础上制作的。按照其“原样” 使用本文件，CPDA 不进行相关保证或者表述，并且不对数据、 主题、质量的准确性或者内容的即时性负责。
Synchronous Technology April 200
目录 技术突破………………………………………………………………………………………………………... 1 建模技术发展的巨大突破…………………………………………………………….…………….……. 2 业务影响………………………………………………………………………………………………….…….. 3 技术证明…………………………………………………………………………………………………….….. 4 特征树型结构变为特征集………………………………………………………………………………... 4 在无约束模型上进行受控编辑…………………………………………………………………………... 7 在参数约束模型上进行编辑………………………………………………………………………….….. 8 父/子结构……………………………………………………………………………………………….…. 10 尺寸方向控制……………………………………………………………………………………………... 11 程序特征………………………………………………………………………………………………..…. 13 模型创建…………………………………………………………………………………………………... 14 快速进行“假设”变更…………………………………………..………………………………………. 15 技术推广……………………………………………………………………………………………….……….. 17 总结和评价…………………………………………………………………………………………….……….. 18
Copyright 2008 . Collaborative Product Development Associates, LLC
Synchronous Technology April 2008
同步建模技术 技术突破 2008 年将见证三维 CAD 设计历史中的一个里程碑。
图 1：同步建模技术 在运行时间把当前 的几何模型状况与 永久约束合并在一 起。
Siemens PLM Software 推出了同步建模技术 － 交互式三维实体建模中一个成 熟的、突破性的飞跃。新技术在参数化、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。 在模型中找到的当前几何状况
由用户有选择地添加约束和参数
同步建模技术 您可以设想这样带来的性能影响和设计灵活性 － 进行编辑而无需重新生成整 个模型，因为同步建模技术实时发现、定位和解析依赖关系。当设计人员不必再 研究和揭示复杂的约束关系以便了解如何进行模型编辑时，当他们也不用担心编 辑的下游牵连时，您可以想象对产品开发复杂性带来的正面利益。设计人员可能 要问，“当建模应用程序能够立即识别那些几何相互关系并且保持的时候，我们 为什么还要多余地再强制加上诸如两个模型面是共平面，或者是相切等约束条 件？”
图 2：一个普遍模型 编辑及其在基于历 史记录系统里面的 应用。
同步建模技术突破了基于历史记录的设计系统固有的架构障碍。基于历史记录的 设计系统不能完全确定依赖相互的关系，从而必须依赖于全面重新执行顺序建模 历史记录。以上图 2 提出了相关问题。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 在目标编辑区域之后添加的模型几何模型 变更的任何时候，系统都需要删除 的这部分真正需要重建的可能性有多大？ 所有后续几何模型，回复模型到某 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。同步建 模技术没有这个问题 － 系统实 时识别这些条件在哪里，并且使模 编辑直径 型重建仅仅局限于使模型的几何 图片由 Siemens PLM Software 提供 条件保持正确所必要的那部分。
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建模技术发展的巨大突破 计算机辅助设计（CAD）的演变在其 45 年的历史中经历了巨大发展。CAD 诞生 于 1963 年－ Ivan Sutherland 博士的 SKETCHPAD（画板）在麻省理工学院（MIT） 的实施。它开始作为一个二维数字绘图媒介，然后在 19 世纪 70 年代利用三维线 框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表面 建模。由于其限制（需要用户编辑由直系和曲线组成的三维模型的外边界，以此 来直接修改几何模型造型），所以 CAD 技术仍然被列为显式建模。 20 世纪 80 年代早期在实体建模中引入商业解决方案，由于它们依赖于求并、求 差和求交的布尔运算，所以仍然保持显式性质。在 20 世纪 80 年代中期，随着参 数建模以及嵌入在基于顺序历史记录架构中的模型特征概念的出现，CAD 设计 经历了第二次革命。经过 20 世纪 90 年代以及近年的发展，尽管少数例外仍然基 于显式建模技术，大量商业 CAD 应用程序都采用了参数化、特征、基于历史记 录的方法。 两种方法都有其优缺点。利用显式建模，设计人员能够直接编辑几何模型，无需 担心编辑的任何影响。设计人员只控制变更内容。然而，这也可以视为一个缺陷。 因为直到最近，显式建模器都还不能识别可以代表形状特征的模型特征集合（比 如，孔或者槽），需要设计人员仔细选择所有适当的实体面作为任何编辑的一部 分。另外，显式建模器大部分都不能记录和记忆用户施加的几何约束和参数化尺 寸公式。 在建模领域另一方面，基于历史记录、参数化、特征驱动的应用程序擅长于捕捉 知识和用户施加的约束。对 CAD 模型进行的变更将自动更新几何造型的依赖部 分。但是，这些长处也可能是带来一场噩梦。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。通 常，只有初始创建者才能够记住用于创建模型的设计战略，而且还是在模型是最 近才设计的情况下。最后，设计人员必须接受从顺序构建历史记录中编辑点开始 重新生成整个模型所导致的性能损失。
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最近，CAD 系统能力的重大发展 － 实时“挖掘”在一般实体模型几何模型中找到 的信息 － 扩展了“直接几何模型”编辑功能，甚至在基于历史记录、参数化系统 中也可以。这些改进为技术的又一次革命性飞跃奠定了基础 － 同步建模技术。结 合对模型当前的几何模型条件进行深度、富有洞察力的检查，把这些信息与所有用 户定义的约束和参数驱动尺寸结合在一起，然后实时确定模型特征及定位相关等特 性依赖，同步建模技术集成了两种方法的精华。
图 3：CAD 演变
同步建模技术
基于历史记录的实体建模
CAD 演变 三维线框
三维表面 建模
二维 画板 20 世纪 60 年代 20 世纪 70 年代 20 世纪 80 年代 20 世纪 90 年代 200 年代 同步建模技术是无历史、基于特征的建模系统，合并了尺寸驱动和约束驱动技术的 精华，以实现全面控制和可重复性，以及直接建模的灵活性。
业务影响 利用同步建模技术在基于历史记录和无历史记录模型上进行编辑所实现的性能提高 将给开发过程带来极大的收益。另外，因为利用其智能模型互操作，同步建模技术 用户变得轻松自如，将降低他们对嵌入在模型中的永久几何约束的依赖。设计人员 可以选择不用这类嵌入式约束来编辑初始模型，因为他们知道同步建模技术将识别 明显的几何约束并且对其进行智能管理。该演变的影响将带来产品开发过程的根本 变化。
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产品制造公司能够： · 在更短开发周期的基础上缩短实现收入的时间 · 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 · 因为利用行业标准格式（比如，STEP、Siemens PLM Software 的 JT 格式）， 能够与在不同 CAD 系统之间传递的 CAD 模型进行智能互操作，所以极大地 提高与供应链合作的能力。 · 获得更好的功能来迅速开发更多的设计 · 获得更大的潜力来重用设计而无需重新建模，因为用户能够独立于创建方法 进行编辑（例如可以通过拉伸一个圆或旋转一个矩形构建圆柱体） · 在开发周期的后期更加迅速地对市场需求变化做出反应，同时减少和控制变 更对产品模型的影响 这些变化具有深远影响，能够更加迅速地对现有产品进行修改，从而实现更加便 宜的产品和更快的上市时间。CAE 分析师能够更加轻易地准备模型供分析，并 且快速制定“假设”场景。公司将简化生成制造过程计划的工作量，能够在制造 加工和过程问题的基础上迅速提出变更建议
技术证明 想要了解同步建模技术的力量并且全面评估它将对行业产生的影响，需要在逐个 示例的基础上进行更加深入的探讨。
特征树型结构变为特征集 图 4：基于历史记录 的特征树型结构
检查任何基于历史记录的 CAD 设计应用程序，您都会 发现一个包含严格顺序结构的有序特征树型结构，它捕 捉设计人员用于构建模型的逐步操作。该有序树型结构 是模型构建的历史记录。树型结构中的每个项目都称为 模型特征（不要与形状特征混淆 － 比如孔和凸台 － 尽管它们也是形状特征），并且每个都表示一个特殊的 建模构建操作。例如，当设计人员进行平面草图的简单 拉伸的时候，它被添加到特征树型结构作为下一个顺序 模型特征项目。
模型 特征 1 特征 2 特征 3
当设计人员在树型结构中引用一个现有特征，在一个新特征上显式地施加约束的 时候，特征树型结构开始嵌套到更深层级。这通常称为两者之间的父/子结构关 系。子结构依赖于父结构的存在。图 5 作为一个经典例子表示了这种父/子依赖 关系的细微差别。
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如果设计人员拾取立方体的下侧，并且向上创建一个孔穿过凸台，则该孔变为该 块件的子结构，不依赖于该凸台。然而，如果设计人员拾取该凸台的顶部，并且 向下创建一个孔穿过该凸台和块件，则该孔变为该凸台的子结构，并且于依赖于 其存在。 如果设计人员现在选择该凸台并且删除它，则在其创建历史记录的基础上，新模 型视哪个依赖关系存在于模型中而定。如果该孔是该块件的子结构，则该孔仍然 存在；然而，如果该孔是该凸台的子结构，则它与该凸台一起删除。在这类普遍 采用的基于历史记录的建模应用程序中，负担在设计人员身上 － 知道并且了解 嵌入的依存关系。同步建模技术免除这种了解创建方法的需要，因为它使设计人 员能够在编辑的时候控制这种关系
图 5：根据用户选择， 基于历史记录模型 的父/子结构关系。
凸台
块件
图片由 Siemens PLM Software 提供 目前基于历史记录的 CAD 系统不扫描几何模型并且定位编辑的影响。它们完全 依赖于重复历史记录来传播变更。同步建模技术改变了这种模式。 同步建模技术实时分析、定位相互依赖关系，然后只执行那些必要的变更。考虑 其直接影响：在普遍采用的有序、基于历史记录的应用程序中，系统需要删除所 有后续几何模型，滚动模型回到需要变更的特征后再进行变更后续特征，然后重 新执行后续特征命令来重新建立模型。目标特征在顺序历史结构中列得越早 （前），则对性能的影响就越大。在很多情况下，设计人员通常毫无规则地进行 编辑修改或者干脆避免这类变更。 下面的图 6 描述了一个在普通的基于历史记录系统里面构建的模型。它在其历史 记录树型结构中包含 950 个特征。在一个普通的基于历史记录的应用程序中，对 高亮面的直径进行参数编辑要用大约 63 秒钟才能完成。
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图 6：由 950 个特征 组成的基于历史记 录的模型。
编辑直径
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图片由 Siemens PLM Software 提供 编辑的结果在图 7 中给予了显示。编辑过程很冗长，因为在模型中心区域和右边 的很多模型细节都是在那些包含经受编辑的特征的区域之后才构建的。基于全面 历史记录的系统不能确定模型的其它部分是否存在与所选特征的依赖关系，从而 必须盲目地遵循历史记录顺序。如果利用同步建模技术来编辑同一基于历史记录 的模型，则编辑操作只需用大约 1.5 秒钟就可以完成。同步建模技术实时扫描模 型，定位依赖关系并且只解算那些必要的依赖关系，以形成正确的解决方案。 在目前基于历史记录的系统中，特征树型结构具有顺序依赖关系。改变历史记录 树型结构的顺序可能导致重大的模型变化或者导致模型失效。利用同步建模技 术，所显示的树型结构变为一个特征集。利用该特征集，设计人员能够快速地选 择和操作其模型的零件。然而，它并不影响构建模型的方式。这样为设计人员提 供了大量有利的可能性。特征集还可以按照特征类型进行分类，比如，把所有圆 形聚集在一起，如果那样提供了对模型的必要了解的话。
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对于同步建模技术所许诺的力量的初始反应通常引出一长串“是的，但是假 如…？”问题。从历史上来看， 在于 20 世纪 80 年代把参数化技术引入市场的时候，同样也是这样的。需要利用 逐个案例来检查同步建模技术如何在不同类型的模型上运行。
在无约束模型上进行受控编辑 图 8：在无约束参数 在该领域的一端，模型可能 模型上进行的选择 完全无约束，有时称为无参 数实体，这些模型通常都来
所需移动
自于从一个专有 CAD 系统到 另一个之间的数据交换、转 换。一个无约束模型不包括 永久的几何约束，也没有分 配给几何模型尺寸的参数化 数值。
图 9：不用同步建模 技术的单一选择编辑 给定图 8 所述的一个无约束
图片由 Siemens PLM Software 提供
模型，用户必须进行编辑， 把高亮（蓝绿色）圆柱体向 上移动到一个几何位置，与 配对轴承（未显示）的位置 匹配。由于模型无约束，所 以没有与圆柱体相关的驱动 尺寸，用户能够以参数的形 式进行识别和修改。
图 10：不用同步建模 技术的双重选择编辑 由于无约束系统的原因，所 以只有所选圆柱体才移动(图 9)。这种结果是很不理想的， 因为丢失了模型造型明显 的、未写明的意图。任何设 计人员都可能知道内安装孔 应该与外圆柱体表面保持同 心，侧锥面应该保持相切。 用户可能已经把外圆柱体添 加到选择以便保持同心性 （把它们一起移动），但是没 有任何永久约束嵌入到模型 之中，侧面的锥度没有得到 保持（图 10） 。
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图 11：利用同步建模 利用同步建模技术，可以在无约束模型上进行同样的编辑操作，但是现在系统实 技术进行编辑 时地自动识别这些几何条件，并且同心圆柱体和锥形切线均得到保持（图 11）。 注意，通过只选择圆柱体的内面来进行该编 辑，但是如果只是选择和移动外圆柱体，同步 建模技术也将形成同样的结果。 这个简单的实例强调了同步建模技术的力量 以及该技术对用户解决设计问题方面产生的 广泛影响。首先，在为用户给定了一个没有嵌 入式约束的部件模型的时候，如同与供应商合 作时经常出现的情况一样 － 要么是因为利 用行业标准（比如，STEP）对该模型进行了转 图片由 Siemens PLM Software 提供 换，要么是因为供应商有意识地去掉了嵌入式 约束以保护其知识产权 － 用户仍然可以轻易地进行智能编辑，没有不得不添加 明显条件的几何关系的负担。 其次，对设计建模的性质而言更为重要。因为系统要求较少的嵌入在模型中的公 开定义的关系（这个案例中没有）来进行智能解算，所以设计人员可以选择不用 这类嵌入式约束来编辑初始模型，因为知道将识别和管理明显的几何条件,可以 极大地简化设计编辑工作流。设计人员不必研究和揭示复杂的约束关系以了解如 何进行编辑，也不用担心编辑的下游牵连。同步建模技术实时地发现和解析这些 关系。
在参数约束模型上进行编辑 现在我们把注意力转移到建模领域的另一面，研究同步建模技术对参数约束模型 的影响。 下面的图 12 说明了一个具有基座上两个孔之间参考尺寸的模型。参考尺寸有时 也称为衍生尺寸。它不是用户施加的约束。然而，在控制尺寸（或者驱动尺寸） 中引用该距离，利用一个等式来控制轴心点的高度，使其在基座孔之间形成 0.75 的距离。这表示了一个参数公式约束，无论任何时候对模型进行编辑都必须对其 给予保护。
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图 12：具有参数公式 约束的模型
驱动尺寸
衍生尺寸
图片由 Siemens PLM Software 提供 图 13 表示设计人员可以在基座末端直接移动。同步建模技术实时识别右边的基 座孔是否与基座末端所选的弧形呈同心，自动把它添加到编辑。该移动是利用移 动表面操作的一个直接模型编辑。由于基座块件变得更长，右边的基座孔与基座 一起移动；两个基座孔之间的参考距离发生了变化，在其参数公式约束的基础上 更新了与轴心点的距离。
图 13：对具有参数公 式约束的模型进行直 接几何模型编辑 由同步建模技术作 为“强”同心条件 识别出来
用户选择
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图 14 表示了在拖动块件末端 30 毫米之后的最终结果。注意，保护了参数公式 约束。从而同步建模技术与用户施加的参数约束共存。
图 14：合成模型
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父/子结构
图 15：在基于历史记 录的模型上进行编辑
如果我们返回到我们的轴台模型，我们可以研究同步建模技术对父/子结构关系 的影响。图 15 描述了设计人员一般用于在普通的基于历史记录系统中构建模型 的方法。首先，定义基座矩形（长 150 单位、宽 40 单位）的二维草 所需移动 图。然后把草图轮廓向上拉伸 20 单位，创建一个实体基座。基座的 两端是圆形的，把两个孔添加到基 座。这两个孔就是基座母块的子结 构。 基座父结构 为了在一个较大装配中把轴台模 型安装在正确位置，用户现在必须 进行编辑，把基座孔移动得更开， 图片由 Siemens PLM Software 提供 以便满足与另一个（未见）部件的匹配条件。尽管大部分中性操作都是选择基 座孔然后将它们移动到所需位置，但是在这个约束系统中设计人员不能直接在 孔上进行操作。由于约束模型中的结构，从父结构几何模型中驱动孔。在基座 父结构几何模型得以创建之前，它们不存在。它们需要一个有序历史记录。由 此，则必须改变父结构才能够移动孔 － 一种完全不自然并且笨拙的方法。而 且，只有手动计算整个造型（把孔间隙考虑进去）才能够正确改变基座几何模 型的整个距离。
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图 16：利用同步建模 利用同步建模技术，用户可以简单地在基座孔之间设定一个尺寸并且直接移动。 技术，通过设定和更 同步建模技术保持了修改孔和所有同心圆柱体之间的同心性。而且还自动保护 新尺寸来进行编辑 了切线。另外一个利益就是同步建模技术还保持了小型盖帽的正确同心位置， 这些盖帽围绕着基座孔。这类添加的尺寸可以与零件一起保存。
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尺寸方向控制 同步建模技术为用户与产品模型进行互操作提供了大量新的可能性。 下一个例子说明了利用同步建模技术可以获得的尺寸方向控制。用户的任务就 是修改图 17 所述部件模型中孔的位置。两种情况都有可能。
图 17：用于尺寸方向 控制的部件模型
图片由 Siemens PLM Software 提供 第一个方法就是简单地来回移动孔，同时使零件模型的大小保持相同。图 18 所 示的红色方向箭头表示将往该方向移动孔几何模型。把几何特征移到另一边， 尺寸保持不变。把初始值“50”修改为“100” ，同时保持尺寸“180” 。
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图 18：孔移动，同时 零件大小保持不变
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图 19：孔移动和零件 大小调整
注意：从图 17（不是图 18） 的初始图例中进行图 19 所 示的编辑。
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程序特征 在下一个例子中，用户需要对键槽孔孔的样式进行编辑，要么改变实例数，要 么改变基本特征的几何造型。在普通的基于历史记录的系统中，样式编辑需要 回复到基本特征，只有这样才能够进行编辑，并且在那个点开始重新建立模型 （模型生成） ，以便所有后续操作起作用。基本孔特征在历史记录中越靠后，则 想要重建模型就必须进行更多的计算。
图 20：样式特征
图片由 Siemens PLM Software 提供 同步建模技术引入了一个称为程序特征的概念。这些特征专门设计用于在没有发 生有序解算的系统中进行操作。一个特征必须能够自我生成才被视为程序特征。 不是所有特征都能够或者都需要是这种类型的，然而，孔和样式遵循这种行为方 式。薄壁件（壳体）类似，因为它包含了关于如果正确建模的特殊知识，但是它 在薄壁的定位区域之内管理变更。 利用同步建模技术，首先要注意如何才能够把一系列尺寸应用于任何样式实例， 并且任何实例进行的变更都将引起所有实例更新。虽然尺寸变更将引起样式更 新，但是在样式之后创建的任何操作都不需要重新生成（因为样式是自包含的）， 并且获得极大的潜在性能提高。下面最右边的图像显示了对实例数进行的变更。 同样，只修改了与样式相关的几何模型。 图 21：样式特征 编辑结果
编辑尺寸
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模型创建 图 22：绘制草图 以上例子说明了利用同步建模技术的模型编辑功
图 23：草图矩形闭合
图 24：拉伸的草图
能，还可以获得很多新的有趣的几何模型创建功 能。 · 利用协调的二维草图解算器和三维几何模型解 算器，能够以三维形式绘制草图，在此两种解 算同时进行。在这三个图像的下一个顺序中， 以三维形式绘制草图（图 22）完成，草图闭 合（图 23） ，出现动态拉手，使用户能够操作 实体拉伸。运行时间逻辑决定了何时添加或者 去除材料。（在该图例中，只能添加材料，如 图 24 所示）尺寸或者拖到其它几何模型关键 点都可用于设定推/拉操作的距离。 图片由 Siemens PLM Software 提供
· 打开轮廓用于把图纸简化为简单草图，在此二维直接连接到三维。同样，通 过简单的推或者拉来创建在图像顺序中所看到的模型（图 25）。
图 25：打开轮廓拉伸
· 还可以通过简单线条在整个平面上创建区域。在图 26 中，一条线把平面分 开，能够直接修改平面。
图 26：区域
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图 27：与曲面法线相 · 一般把孔放在平面上。然而，添加一个润滑油 切的孔 嘴（如图 27 所示）需要在切线的一些点开孔。 在同步建模技术中嵌入了把孔添加到曲面的 功能，在该曲面上孔的法向矢量自动与平面法 线相匹配。
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· 通过直接选择一个平面集并且操作几何控制，还可以添加、去除或者旋转 材料。以下顺序说明了如何才能够快速旋转平面。
图 28：旋转平面
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快速进行“假设”变更 设计部门希望拥有的最有用的功能之一就是在他们讨论最佳产品设计的时候快 速地进行假设变更的能力。在普通的基于历史记录的系统中，对模型进行编辑可 能很笨拙，并且需要设计人员全面了解历史记录顺序，以便确定在顺序中的哪里 进行编辑，然后预测该变更将引起什么涟漪效应。 设想传统的设计评审，利用平面把装配切割开来，以寻找干涉的状况。图 29 表示了用红色圈起来的干涉，这些干涉明显围绕着圆孔。
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图 29：显示干扰的剖 面切口 干扰
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图 30：显示草图曲线 的生成的剖面切口
剖面切口
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图 31：添加的尺寸 添加驱动尺寸
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图 32：改变尺寸以消 除干涉
在这种情况下，厚度可以从 5 毫米变更到 3.8 毫米，产生图 32 所示的结果，消 除了干涉。
剖面切口
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技术推广 同步建模技术软件作为设计应用技术，介于 CAD 应用程序中设计创建/编辑命令 的操作逻辑和几何模型内核以及其它实用程序的基本几何模型支持服务功能之 间。在执行过程中，它在从几何模型的当前状态以及用户施加在该模型部分上的 任何永久约束中提取信息。它智能处理从全面无约束到完全约束的广泛模型。 Siemens 进行收购调查过程中在 UGS 研发实验室发现了同步建模技术的初始研 究种子。因为 Siemens 认可其潜在价值并且培养、加快了其开发。Siemens PLM Software 表示，同步建模技术的第一个商业版本将在 2008 年夏季推出，嵌入在 它的两个 CAD 应用程序之中 － NX 和 Solid Edge。
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图 33：软件构架
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总结和评价 CAD 世界即将发生翻天覆地的变化。 如同 CAD 用户在 20 世纪 80 年代面对参数建模一样的方式，随着时间的推移来 逐步了解并且认可其影响，同步建模技术将在整个垂直行业中找到产品建模方面 同等满意的位置。因为同步建模技术提供的在实体模型中识别当前几何条件的实 时力量与用户施加的约束和参数尺寸共存，所以用户将平稳过渡，以便越来越多 地利用新的突破功能。 产品开发部门利用同步建模技术的力量和性能，他们实现的竞争优势将为其提供 动力。不会退回到利用用户定义的几何约束来淹没产品模型。同步建模技术将自 动发现模型中明显存在的几何条件与特征，并且在编辑过程对它们加以保护。 CAD 建模的新智能之风实际上将从他们的桌面上刮起。
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同步建模技术 技术突破 2008 年将见证三维 CAD 设计历史中的一个里程碑。
图 1：同步建模技术 在运行时间把当前 的几何模型状况与 永久约束合并在一 起。
Siemens PLM Software 推出了同步建模技术 － 交互式三维实体建模中一个成 熟的、突破性的飞跃。新技术在参数化、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。 在模型中找到的当前几何状况
由用户有选择地添加约束和参数
同步建模技术 您可以设想这样带来的性能影响和设计灵活性 － 进行编辑而无需重新生成整 个模型，因为同步建模技术实时发现、定位和解析依赖关系。当设计人员不必再 研究和揭示复杂的约束关系以便了解如何进行模型编辑时，当他们也不用担心编 辑的下游牵连时，您可以想象对产品开发复杂性带来的正面利益。设计人员可能 要问，“当建模应用程序能够立即识别那些几何相互关系并且保持的时候，我们 为什么还要多余地再强制加上诸如两个模型面是共平面，或者是相切等约束条 件？”
图 2：一个普遍模型 编辑及其在基于历 史记录系统里面的 应用。
同步建模技术突破了基于历史记录的设计系统固有的架构障碍。基于历史记录的 设计系统不能完全确定依赖相互的关系，从而必须依赖于全面重新执行顺序建模 历史记录。以上图 2 提出了相关问题。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 在目标编辑区域之后添加的模型几何模型 变更的任何时候，系统都需要删除 的这部分真正需要重建的可能性有多大？ 所有后续几何模型，回复模型到某 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。同步建 模技术没有这个问题 － 系统实 时识别这些条件在哪里，并且使模 编辑直径 型重建仅仅局限于使模型的几何 图片由 Siemens PLM Software 提供 条件保持正确所必要的那部分。
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建模技术发展的巨大突破 计算机辅助设计（CAD）的演变在其 45 年的历史中经历了巨大发展。CAD 诞生 于 1963 年－ Ivan Sutherland 博士的 SKETCHPAD（画板）在麻省理工学院（MIT） 的实施。它开始作为一个二维数字绘图媒介，然后在 19 世纪 70 年代利用三维线 框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表面 建模。由于其限制（需要用户编辑由直系和曲线组成的三维模型的外边界，以此 来直接修改几何模型造型），所以 CAD 技术仍然被列为显式建模。 20 世纪 80 年代早期在实体建模中引入商业解决方案，由于它们依赖于求并、求 差和求交的布尔运算，所以仍然保持显式性质。在 20 世纪 80 年代中期，随着参 数建模以及嵌入在基于顺序历史记录架构中的模型特征概念的出现，CAD 设计 经历了第二次革命。经过 20 世纪 90 年代以及近年的发展，尽管少数例外仍然基 于显式建模技术，大量商业 CAD 应用程序都采用了参数化、特征、基于历史记 录的方法。 两种方法都有其优缺点。利用显式建模，设计人员能够直接编辑几何模型，无需 担心编辑的任何影响。设计人员只控制变更内容。然而，这也可以视为一个缺陷。 因为直到最近，显式建模器都还不能识别可以代表形状特征的模型特征集合（比 如，孔或者槽），需要设计人员仔细选择所有适当的实体面作为任何编辑的一部 分。另外，显式建模器大部分都不能记录和记忆用户施加的几何约束和参数化尺 寸公式。 在建模领域另一方面，基于历史记录、参数化、特征驱动的应用程序擅长于捕捉 知识和用户施加的约束。对 CAD 模型进行的变更将自动更新几何造型的依赖部 分。但是，这些长处也可能是带来一场噩梦。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。通 常，只有初始创建者才能够记住用于创建模型的设计战略，而且还是在模型是最 近才设计的情况下。最后，设计人员必须接受从顺序构建历史记录中编辑点开始 重新生成整个模型所导致的性能损失。
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最近，CAD 系统能力的重大发展 － 实时“挖掘”在一般实体模型几何模型中找到 的信息 － 扩展了“直接几何模型”编辑功能，甚至在基于历史记录、参数化系统 中也可以。这些改进为技术的又一次革命性飞跃奠定了基础 － 同步建模技术。结 合对模型当前的几何模型条件进行深度、富有洞察力的检查，把这些信息与所有用 户定义的约束和参数驱动尺寸结合在一起，然后实时确定模型特征及定位相关等特 性依赖，同步建模技术集成了两种方法的精华。
图 3：CAD 演变
同步建模技术
基于历史记录的实体建模
CAD 演变 三维线框
三维表面 建模
二维 画板 20 世纪 60 年代 20 世纪 70 年代 20 世纪 80 年代 20 世纪 90 年代 200 年代 同步建模技术是无历史、基于特征的建模系统，合并了尺寸驱动和约束驱动技术的 精华，以实现全面控制和可重复性，以及直接建模的灵活性。
业务影响 利用同步建模技术在基于历史记录和无历史记录模型上进行编辑所实现的性能提高 将给开发过程带来极大的收益。另外，因为利用其智能模型互操作，同步建模技术 用户变得轻松自如，将降低他们对嵌入在模型中的永久几何约束的依赖。设计人员 可以选择不用这类嵌入式约束来编辑初始模型，因为他们知道同步建模技术将识别 明显的几何约束并且对其进行智能管理。该演变的影响将带来产品开发过程的根本 变化。
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产品制造公司能够： · 在更短开发周期的基础上缩短实现收入的时间 · 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 · 因为利用行业标准格式（比如，STEP、Siemens PLM Software 的 JT 格式）， 能够与在不同 CAD 系统之间传递的 CAD 模型进行智能互操作，所以极大地 提高与供应链合作的能力。 · 获得更好的功能来迅速开发更多的设计 · 获得更大的潜力来重用设计而无需重新建模，因为用户能够独立于创建方法 进行编辑（例如可以通过拉伸一个圆或旋转一个矩形构建圆柱体） · 在开发周期的后期更加迅速地对市场需求变化做出反应，同时减少和控制变 更对产品模型的影响 这些变化具有深远影响，能够更加迅速地对现有产品进行修改，从而实现更加便 宜的产品和更快的上市时间。CAE 分析师能够更加轻易地准备模型供分析，并 且快速制定“假设”场景。公司将简化生成制造过程计划的工作量，能够在制造 加工和过程问题的基础上迅速提出变更建议
技术证明 想要了解同步建模技术的力量并且全面评估它将对行业产生的影响，需要在逐个 示例的基础上进行更加深入的探讨。
特征树型结构变为特征集 图 4：基于历史记录 的特征树型结构
检查任何基于历史记录的 CAD 设计应用程序，您都会 发现一个包含严格顺序结构的有序特征树型结构，它捕 捉设计人员用于构建模型的逐步操作。该有序树型结构 是模型构建的历史记录。树型结构中的每个项目都称为 模型特征（不要与形状特征混淆 － 比如孔和凸台 － 尽管它们也是形状特征），并且每个都表示一个特殊的 建模构建操作。例如，当设计人员进行平面草图的简单 拉伸的时候，它被添加到特征树型结构作为下一个顺序 模型特征项目。
模型 特征 1 特征 2 特征 3
当设计人员在树型结构中引用一个现有特征，在一个新特征上显式地施加约束的 时候，特征树型结构开始嵌套到更深层级。这通常称为两者之间的父/子结构关 系。子结构依赖于父结构的存在。图 5 作为一个经典例子表示了这种父/子依赖 关系的细微差别。
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如果设计人员拾取立方体的下侧，并且向上创建一个孔穿过凸台，则该孔变为该 块件的子结构，不依赖于该凸台。然而，如果设计人员拾取该凸台的顶部，并且 向下创建一个孔穿过该凸台和块件，则该孔变为该凸台的子结构，并且于依赖于 其存在。 如果设计人员现在选择该凸台并且删除它，则在其创建历史记录的基础上，新模 型视哪个依赖关系存在于模型中而定。如果该孔是该块件的子结构，则该孔仍然 存在；然而，如果该孔是该凸台的子结构，则它与该凸台一起删除。在这类普遍 采用的基于历史记录的建模应用程序中，负担在设计人员身上 － 知道并且了解 嵌入的依存关系。同步建模技术免除这种了解创建方法的需要，因为它使设计人 员能够在编辑的时候控制这种关系
图 5：根据用户选择， 基于历史记录模型 的父/子结构关系。
凸台
块件
图片由 Siemens PLM Software 提供 目前基于历史记录的 CAD 系统不扫描几何模型并且定位编辑的影响。它们完全 依赖于重复历史记录来传播变更。同步建模技术改变了这种模式。 同步建模技术实时分析、定位相互依赖关系，然后只执行那些必要的变更。考虑 其直接影响：在普遍采用的有序、基于历史记录的应用程序中，系统需要删除所 有后续几何模型，滚动模型回到需要变更的特征后再进行变更后续特征，然后重 新执行后续特征命令来重新建立模型。目标特征在顺序历史结构中列得越早 （前），则对性能的影响就越大。在很多情况下，设计人员通常毫无规则地进行 编辑修改或者干脆避免这类变更。 下面的图 6 描述了一个在普通的基于历史记录系统里面构建的模型。它在其历史 记录树型结构中包含 950 个特征。在一个普通的基于历史记录的应用程序中，对 高亮面的直径进行参数编辑要用大约 63 秒钟才能完成。
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图 6：由 950 个特征 组成的基于历史记 录的模型。
编辑直径
图片由 Siemens PLM Software 提供 图 7：对基于历史记 录的模型进行编辑， 减小直径尺寸。
图片由 Siemens PLM Software 提供 编辑的结果在图 7 中给予了显示。编辑过程很冗长，因为在模型中心区域和右边 的很多模型细节都是在那些包含经受编辑的特征的区域之后才构建的。基于全面 历史记录的系统不能确定模型的其它部分是否存在与所选特征的依赖关系，从而 必须盲目地遵循历史记录顺序。如果利用同步建模技术来编辑同一基于历史记录 的模型，则编辑操作只需用大约 1.5 秒钟就可以完成。同步建模技术实时扫描模 型，定位依赖关系并且只解算那些必要的依赖关系，以形成正确的解决方案。 在目前基于历史记录的系统中，特征树型结构具有顺序依赖关系。改变历史记录 树型结构的顺序可能导致重大的模型变化或者导致模型失效。利用同步建模技 术，所显示的树型结构变为一个特征集。利用该特征集，设计人员能够快速地选 择和操作其模型的零件。然而，它并不影响构建模型的方式。这样为设计人员提 供了大量有利的可能性。特征集还可以按照特征类型进行分类，比如，把所有圆 形聚集在一起，如果那样提供了对模型的必要了解的话。
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对于同步建模技术所许诺的力量的初始反应通常引出一长串“是的，但是假 如…？”问题。从历史上来看， 在于 20 世纪 80 年代把参数化技术引入市场的时候，同样也是这样的。需要利用 逐个案例来检查同步建模技术如何在不同类型的模型上运行。
在无约束模型上进行受控编辑 图 8：在无约束参数 在该领域的一端，模型可能 模型上进行的选择 完全无约束，有时称为无参 数实体，这些模型通常都来
所需移动
自于从一个专有 CAD 系统到 另一个之间的数据交换、转 换。一个无约束模型不包括 永久的几何约束，也没有分 配给几何模型尺寸的参数化 数值。
图 9：不用同步建模 技术的单一选择编辑 给定图 8 所述的一个无约束
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模型，用户必须进行编辑， 把高亮（蓝绿色）圆柱体向 上移动到一个几何位置，与 配对轴承（未显示）的位置 匹配。由于模型无约束，所 以没有与圆柱体相关的驱动 尺寸，用户能够以参数的形 式进行识别和修改。
图 10：不用同步建模 技术的双重选择编辑 由于无约束系统的原因，所 以只有所选圆柱体才移动(图 9)。这种结果是很不理想的， 因为丢失了模型造型明显 的、未写明的意图。任何设 计人员都可能知道内安装孔 应该与外圆柱体表面保持同 心，侧锥面应该保持相切。 用户可能已经把外圆柱体添 加到选择以便保持同心性 （把它们一起移动），但是没 有任何永久约束嵌入到模型 之中，侧面的锥度没有得到 保持（图 10） 。
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图 11：利用同步建模 利用同步建模技术，可以在无约束模型上进行同样的编辑操作，但是现在系统实 技术进行编辑 时地自动识别这些几何条件，并且同心圆柱体和锥形切线均得到保持（图 11）。 注意，通过只选择圆柱体的内面来进行该编 辑，但是如果只是选择和移动外圆柱体，同步 建模技术也将形成同样的结果。 这个简单的实例强调了同步建模技术的力量 以及该技术对用户解决设计问题方面产生的 广泛影响。首先，在为用户给定了一个没有嵌 入式约束的部件模型的时候，如同与供应商合 作时经常出现的情况一样 － 要么是因为利 用行业标准（比如，STEP）对该模型进行了转 图片由 Siemens PLM Software 提供 换，要么是因为供应商有意识地去掉了嵌入式 约束以保护其知识产权 － 用户仍然可以轻易地进行智能编辑，没有不得不添加 明显条件的几何关系的负担。 其次，对设计建模的性质而言更为重要。因为系统要求较少的嵌入在模型中的公 开定义的关系（这个案例中没有）来进行智能解算，所以设计人员可以选择不用 这类嵌入式约束来编辑初始模型，因为知道将识别和管理明显的几何条件,可以 极大地简化设计编辑工作流。设计人员不必研究和揭示复杂的约束关系以了解如 何进行编辑，也不用担心编辑的下游牵连。同步建模技术实时地发现和解析这些 关系。
在参数约束模型上进行编辑 现在我们把注意力转移到建模领域的另一面，研究同步建模技术对参数约束模型 的影响。 下面的图 12 说明了一个具有基座上两个孔之间参考尺寸的模型。参考尺寸有时 也称为衍生尺寸。它不是用户施加的约束。然而，在控制尺寸（或者驱动尺寸） 中引用该距离，利用一个等式来控制轴心点的高度，使其在基座孔之间形成 0.75 的距离。这表示了一个参数公式约束，无论任何时候对模型进行编辑都必须对其 给予保护。
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图 12：具有参数公式 约束的模型
驱动尺寸
衍生尺寸
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图 13：对具有参数公 式约束的模型进行直 接几何模型编辑 由同步建模技术作 为“强”同心条件 识别出来
用户选择
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图 14 表示了在拖动块件末端 30 毫米之后的最终结果。注意，保护了参数公式 约束。从而同步建模技术与用户施加的参数约束共存。
图 14：合成模型
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父/子结构
图 15：在基于历史记 录的模型上进行编辑
如果我们返回到我们的轴台模型，我们可以研究同步建模技术对父/子结构关系 的影响。图 15 描述了设计人员一般用于在普通的基于历史记录系统中构建模型 的方法。首先，定义基座矩形（长 150 单位、宽 40 单位）的二维草 所需移动 图。然后把草图轮廓向上拉伸 20 单位，创建一个实体基座。基座的 两端是圆形的，把两个孔添加到基 座。这两个孔就是基座母块的子结 构。 基座父结构 为了在一个较大装配中把轴台模 型安装在正确位置，用户现在必须 进行编辑，把基座孔移动得更开， 图片由 Siemens PLM Software 提供 以便满足与另一个（未见）部件的匹配条件。尽管大部分中性操作都是选择基 座孔然后将它们移动到所需位置，但是在这个约束系统中设计人员不能直接在 孔上进行操作。由于约束模型中的结构，从父结构几何模型中驱动孔。在基座 父结构几何模型得以创建之前，它们不存在。它们需要一个有序历史记录。由 此，则必须改变父结构才能够移动孔 － 一种完全不自然并且笨拙的方法。而 且，只有手动计算整个造型（把孔间隙考虑进去）才能够正确改变基座几何模 型的整个距离。
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图 16：利用同步建模 利用同步建模技术，用户可以简单地在基座孔之间设定一个尺寸并且直接移动。 技术，通过设定和更 同步建模技术保持了修改孔和所有同心圆柱体之间的同心性。而且还自动保护 新尺寸来进行编辑 了切线。另外一个利益就是同步建模技术还保持了小型盖帽的正确同心位置， 这些盖帽围绕着基座孔。这类添加的尺寸可以与零件一起保存。
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尺寸方向控制 同步建模技术为用户与产品模型进行互操作提供了大量新的可能性。 下一个例子说明了利用同步建模技术可以获得的尺寸方向控制。用户的任务就 是修改图 17 所述部件模型中孔的位置。两种情况都有可能。
图 17：用于尺寸方向 控制的部件模型
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图 18：孔移动，同时 零件大小保持不变
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图 19：孔移动和零件 大小调整
注意：从图 17（不是图 18） 的初始图例中进行图 19 所 示的编辑。
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程序特征 在下一个例子中，用户需要对键槽孔孔的样式进行编辑，要么改变实例数，要 么改变基本特征的几何造型。在普通的基于历史记录的系统中，样式编辑需要 回复到基本特征，只有这样才能够进行编辑，并且在那个点开始重新建立模型 （模型生成） ，以便所有后续操作起作用。基本孔特征在历史记录中越靠后，则 想要重建模型就必须进行更多的计算。
图 20：样式特征
图片由 Siemens PLM Software 提供 同步建模技术引入了一个称为程序特征的概念。这些特征专门设计用于在没有发 生有序解算的系统中进行操作。一个特征必须能够自我生成才被视为程序特征。 不是所有特征都能够或者都需要是这种类型的，然而，孔和样式遵循这种行为方 式。薄壁件（壳体）类似，因为它包含了关于如果正确建模的特殊知识，但是它 在薄壁的定位区域之内管理变更。 利用同步建模技术，首先要注意如何才能够把一系列尺寸应用于任何样式实例， 并且任何实例进行的变更都将引起所有实例更新。虽然尺寸变更将引起样式更 新，但是在样式之后创建的任何操作都不需要重新生成（因为样式是自包含的）， 并且获得极大的潜在性能提高。下面最右边的图像显示了对实例数进行的变更。 同样，只修改了与样式相关的几何模型。 图 21：样式特征 编辑结果
编辑尺寸
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模型创建 图 22：绘制草图 以上例子说明了利用同步建模技术的模型编辑功
图 23：草图矩形闭合
图 24：拉伸的草图
能，还可以获得很多新的有趣的几何模型创建功 能。 · 利用协调的二维草图解算器和三维几何模型解 算器，能够以三维形式绘制草图，在此两种解 算同时进行。在这三个图像的下一个顺序中， 以三维形式绘制草图（图 22）完成，草图闭 合（图 23） ，出现动态拉手，使用户能够操作 实体拉伸。运行时间逻辑决定了何时添加或者 去除材料。（在该图例中，只能添加材料，如 图 24 所示）尺寸或者拖到其它几何模型关键 点都可用于设定推/拉操作的距离。 图片由 Siemens PLM Software 提供
· 打开轮廓用于把图纸简化为简单草图，在此二维直接连接到三维。同样，通 过简单的推或者拉来创建在图像顺序中所看到的模型（图 25）。
图 25：打开轮廓拉伸
· 还可以通过简单线条在整个平面上创建区域。在图 26 中，一条线把平面分 开，能够直接修改平面。
图 26：区域
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图 27：与曲面法线相 · 一般把孔放在平面上。然而，添加一个润滑油 切的孔 嘴（如图 27 所示）需要在切线的一些点开孔。 在同步建模技术中嵌入了把孔添加到曲面的 功能，在该曲面上孔的法向矢量自动与平面法 线相匹配。
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· 通过直接选择一个平面集并且操作几何控制，还可以添加、去除或者旋转 材料。以下顺序说明了如何才能够快速旋转平面。
图 28：旋转平面
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快速进行“假设”变更 设计部门希望拥有的最有用的功能之一就是在他们讨论最佳产品设计的时候快 速地进行假设变更的能力。在普通的基于历史记录的系统中，对模型进行编辑可 能很笨拙，并且需要设计人员全面了解历史记录顺序，以便确定在顺序中的哪里 进行编辑，然后预测该变更将引起什么涟漪效应。 设想传统的设计评审，利用平面把装配切割开来，以寻找干涉的状况。图 29 表示了用红色圈起来的干涉，这些干涉明显围绕着圆孔。
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图 29：显示干扰的剖 面切口 干扰
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图 30：显示草图曲线 的生成的剖面切口
剖面切口
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图 31：添加的尺寸 添加驱动尺寸
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图 32：改变尺寸以消 除干涉
在这种情况下，厚度可以从 5 毫米变更到 3.8 毫米，产生图 32 所示的结果，消 除了干涉。
剖面切口
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技术推广 同步建模技术软件作为设计应用技术，介于 CAD 应用程序中设计创建/编辑命令 的操作逻辑和几何模型内核以及其它实用程序的基本几何模型支持服务功能之 间。在执行过程中，它在从几何模型的当前状态以及用户施加在该模型部分上的 任何永久约束中提取信息。它智能处理从全面无约束到完全约束的广泛模型。 Siemens 进行收购调查过程中在 UGS 研发实验室发现了同步建模技术的初始研 究种子。因为 Siemens 认可其潜在价值并且培养、加快了其开发。Siemens PLM Software 表示，同步建模技术的第一个商业版本将在 2008 年夏季推出，嵌入在 它的两个 CAD 应用程序之中 － NX 和 Solid Edge。
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图 33：软件构架
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总结和评价 CAD 世界即将发生翻天覆地的变化。 如同 CAD 用户在 20 世纪 80 年代面对参数建模一样的方式，随着时间的推移来 逐步了解并且认可其影响，同步建模技术将在整个垂直行业中找到产品建模方面 同等满意的位置。因为同步建模技术提供的在实体模型中识别当前几何条件的实 时力量与用户施加的约束和参数尺寸共存，所以用户将平稳过渡，以便越来越多 地利用新的突破功能。 产品开发部门利用同步建模技术的力量和性能，他们实现的竞争优势将为其提供 动力。不会退回到利用用户定义的几何约束来淹没产品模型。同步建模技术将自 动发现模型中明显存在的几何条件与特征，并且在编辑过程对它们加以保护。 CAD 建模的新智能之风实际上将从他们的桌面上刮起。
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