Pro/ENGINEER特性與曲線曲面建模探討

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1 引言    Pro/ENGINEER是一套涵蓋了由設計至生產的機械自動化軟件，是新一代的產品造型系統，是一個參數化、基于特征的實體造型系統，并且具有單一數據庫功能。PTC的系列軟件已經深入工業設計和機械設計等各項領域，包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造和產品數據管理，并提供了最全面、集成最緊密的產品開發環境。
2  Pro/ENGINEER的主要特性
, ^$ \5 x+ k9 C2 Y# M    Pro/ENGINEER是參數化設計的、基于特征的實體模型化系統，工程設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，這樣就給工程設計人員在設計上提供了很大的簡易性和靈活性。
2.1 全相關性
    Pro/ENGINEER是建立在統一的數據庫上，不像一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，所有模塊都是全相關，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管工作人員是哪一個部門的，只要其在產品開發過程中的某一處進行了修改，其修改都能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖樣以及制造數據，也可以前后反映在整個設計過程所有相關環節上。全相關性使得用戶在開發周期進行的任意一點修改，沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發后期的一些功能提前發揮其作用。 同時這種獨特的數據結構與工程設計的完整結合，使設計更優化，成品質量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。
2.2 基于特征的參數化造型
3 H/ P1 ^7 u5 m# M) e    Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易地進行修改。例如，設計特征有弧、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、制造以及其他學科都使用這些領域獨特的特征，通過給這些特征設置參數（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性）就可以實現產品開發。
- J( N1 {  b8 ^$ D$ i2.3 數據管理
    為了使產品迅速地投放市場，需要在較短的時間內開發產品。為了實現這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發。數據管理模塊的開發研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于Pro/ENGINEER獨特的全相關性功能，使數據管理變得很簡單。
2.4 裝配管理
1 B' Y9 |0 e0 p- t) S) @/ T# Z    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雜裝配體的構造和管理，并且這些裝配體中零件的數量不受任何限制。
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# c& J7 z, ]5 m" L6 p# D2.5 易于使用
    菜單以直觀的聯級方式出現，并提供了邏輯選項和預先選取等普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得學習和使用變的更容易。
3  Pro/ENGINEER主要功能
1 p9 L4 V0 y+ M8 W3 `概括起來 Pro/ENGINEER主要具有以下功能：
. [/ U1 L  g, C% s6 R: H（1）2D和3D制圖。
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+ G( q, _! r4 }( T6 S: p/ ]) Q（2）機械設計和仿真。
（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 a, Z4 d; k- L5 T（4）鈑金設計。完備的Pro/ENGINEER Foundation鈑金設計工具套件，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。
+ O9 S6 g5 j) ~* w2 `1 ]. X（5）部件功能。因為用戶需要開發的是產品，而不僅僅是零件，所以在Pro/ENGINEER Foundation的基礎結構中，提供了許多定義和建立部件的功能。
（6）動畫設計。
. m" ^" A2 x( t（7）相關圖形表。
0 U  L2 `% @: y2 c$ Q（8）高級部件擴展。高級部件擴展功能通過提供一些支持自頂向下設計方法、能處理替代產品配置以及管理大型復雜部件的工具，來幫助設計小組設計和管理大型復雜產品。
+ t4 H# R: U* H4 @* |; E& i8 H4 I7 k（9）完備的詳細文檔書寫。
0 O: k5 F" ]- S; {（10）曲線、曲面。
6 ~6 U! d- P, l9 a9 I2 V- T5 Y4  Pro/ENGINEER的曲線、曲面建模
' q0 n1 c" ]8 W4 I9 R6 {. P6 o    Pro/ENGINEER高級曲面擴展功能與Pro/ENGINEER Foundation相結合可以滿足客戶對產品形狀進行復雜控制的需求，設計人員能夠設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品。高級曲面擴展功能提供了逆向工程的設計規范管理、參數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。
; A. G' f. }6 _, @% x* }7 _* ?% J4.1 參數化曲面建模  
+ c; b& v; p: z    高級曲面功能可以幫助設計人員和工程師高效開發和優化尺寸驅動式幾何圖形和自由曲面。參數化曲面建模功能為設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學函數控制；另外還提供了混合曲面和大量曲面操作，擴充、裁剪、偏移以及轉換等工具，以幫助用戶建立精確的形狀。
4.2 直接曲面建模和逆向工程  
9 r$ h' _, K9 }8 w' @    為了從實體模型、原型或者現有的產品中獲取設計面信息，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。快速高效建立優質定型曲面的能力可以多方面地加速后續過程，從而為用戶節省大量時間。
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圖1 利用Pro/ENGINEER高級曲面建模所做出的產品模型

    Pro/ENGINEER的交互式曲面設計擴展功能 (ISDX)定義了新一代曲面處理技術。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。它能讓設計人員和工程師在一種完全自由式參數化建模環境中工作，這樣就能保證設計和工程的真正集成。通過在Pro/ENGINEER的參數化建模基礎內建立復雜的自由形狀幾何體，ISDX能讓設計人員和工程師在一種具有極大設計靈活性、獨特的環境中工作。
$ Z7 [& m' l' S' C4 ^" R    ISDX是一種可以改變設計和工程通信方法的工具，一種確保設計、工程和制造能真正實現協作的工具，一種產品開發工程中能提供極大柔性的工具，同時也是一種把參數化建模技術和自由形狀曲面處理方法融合到Pro/ENGINEER環境中的曲面處理新模塊。ISDX能夠使工作流更加流暢、可以研究更多的設計替代產品，并能在設計過程的任何一個級別和工序中，管理所做的各種修改。
) h5 k' U$ I$ T& b& I9 z4 X" }4.3 ISDX的主要特性
) W) h  S% b! g, @. x# j) k4.3.1高度的柔性和集成性
9 X& F2 C0 [+ e& \4 p7 f- r8 Y    用戶可以使用勾畫、草圖或其他參考數據來設計幾何圖形，這樣他們就能從純概念開始，逐步把概念設計成產品模型。由于所有的設計、工程和制造信息肯定都會被存儲，所以，在整個產品開發過程中，可以在極短時間內，對許多設計替代產品進行研究和設計。這種工具從設計一開始就保持著完整的設計意圖，并非僅僅進行數據傳遞和轉換，所以它在整個過程中都能夠提供暢通的交流。
4.3.2新環境中的直接曲線和曲面建模
( s% l2 ^7 M* S2 f3 x3 R    ISDX能讓設計人員和工程師在一個新的直觀設計環境中工作，其中包括在獨特的四視圖窗口中，進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境，能讓用戶在設計的任何時候，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參數化環境的強大功能，來完成自由形狀和參數化建模技術的集成。

圖2 直觀的4視圖窗口設計環境

    ISDX這種環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計控制能力。ISDX的直接建立和處理曲線的功能支持復雜的設計，能建立和完成復雜曲面的連接，把曲面處理質量和靈活性提高到了一個新的水平。
( U6 E9 k+ d* u# z" P! u  q( M$ O    無論是從設計和制造觀點來看，還是從產品營銷觀點來看，Pro/ENGINEER的直觀環境中建立優質曲面的能力在當今快速發展的開發市場中具有極高的價值。
4.3.3 Pro/ENGINEER交互式曲面設計
. \6 e- o1 R0 J7 {6 F0 u; D    交互式曲面設計是一種一體化的建模方法，它確保了設計過程具有最大的靈活性，并能讓設計人員和工程師按照設想來設計產品。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化建模環境中設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。
9 J: b9 ]% i" I% S    用戶可以通過混合已有的幾何體，或者是全新設計，來輕松建立自由曲面，并將其作為Pro/ENGINEER模型的一部分。
6 l4 c. d  @9 I! f$ T! `+ Z    ISDX可以將自由式曲面處理和工程設計完全集成在一起，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，然后就可繼續工作。它致力于增值設計，而不是數據傳輸。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。
3 Y; l+ a: ~( {    在自由式曲面處理方法與參數化驅動式、基于特征的建模技術之間的交互作用方面，Pro/ENGINEER交互式曲面設計擴充功能已經領先于其他大部分CAD軟件了。設計人員和工程師只需買進能夠快速獲得設計意圖、并有能力支持后續設計和制造的工具，即可以迅速地完成產品的設計和建模。交互式曲面設計系統的功能主要如下。
    （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、用參數化方法建立曲線 。
5 x, `5 ?6 {7 M    （2）編輯曲線。動態或根據數據移動內插點或控制點；在顯示屏上動態或根據數據修改相切條件；用切線和折線把曲線連接到曲線和曲面；增加內插點；使用或不使用約束條件來動態擴展；刪除點或整條線段；組合和分離曲線；交互式曲度描繪。
    （3）建立曲面。使用內部特征曲線和曲面或實體的邊線來建立曲面；添加內部曲線；用局部邊界線建立曲面。
    （4）編輯曲面。通過編輯定義曲線，修改曲面；添加/刪除內部曲線，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。
9 K% S! y% g3 u2 N    （5）建模環境。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；直接處理導入的幾何體、面和采樣數據；局部重建機制；局部解決模式；在參數化修改過程中促進模型更改；使用行為建模（Behavioral Modeling）技術來優化；建立、設計、模擬和制造其他幾何體等后續應用。

圖3  Pro/ENGINEER環境下交互曲面建模產品