Pro/ENGINEER特性与曲线曲面建模探讨

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1 引言    Pro/ENGINEER是一套涵盖了由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。PTC的系列软件已经深入工业设计和机械设计等各项领域，包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造和产品数据管理，并提供了最全面、集成最紧密的产品开发环境。
2  Pro/ENGINEER的主要特性
% j2 W$ o# z8 q5 k0 C+ Q4 r& V    Pro/ENGINEER是参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能来生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，用户可以任意勾画草图，轻易改变模型，这样就给工程设计人员在设计上提供了很大的简易性和灵活性。
3 V: x/ H& Y+ D! H, T7 T2.1 全相关性
    Pro/ENGINEER是建立在统一的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，所有模块都是全相关，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管工作人员是哪一个部门的，只要其在产品开发过程中的某一处进行了修改，其修改都能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图样以及制造数据，也可以前后反映在整个设计过程所有相关环节上。全相关性使得用户在开发周期进行的任意一点修改，没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 同时这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
2.2 基于特征的参数化造型
    Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易地进行修改。例如，设计特征有弧、圆角和倒角等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其他学科都使用这些领域独特的特征，通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性）就可以实现产品开发。
2.3 数据管理
3 F- H9 u& V& i5 v: Z1 [5 ?    为了使产品迅速地投放市场，需要在较短的时间内开发产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，使数据管理变得很简单。
2.4 装配管理
4 L7 J4 Q4 D- M9 T2 h" y    Pro/ENGINEER为用户提供了一些直观的命令，如“啮合”、“插入”和“对齐”等，可以很容易地把零件装配起来。高级功能支持大型复杂装配体的构造和管理，并且这些装配体中零件的数量不受任何限制。

% D9 ^, H% w/ }4 ]; K4 Y2.5 易于使用
" r# w- i, Y  s1 v6 X. K$ r/ R+ U$ m    菜单以直观的联级方式出现，并提供了逻辑选项和预先选取等普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得学习和使用变的更容易。
5 B# R& t- r/ `9 U3  Pro/ENGINEER主要功能
$ E4 H" D6 q! q  t9 g5 }* O概括起来 Pro/ENGINEER主要具有以下功能：
（1）2D和3D制图。
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（2）机械设计和仿真。
; V5 Y& R4 n3 b6 `- w2 b3 R（3）逼真图像。Pro/ENGINEER Foundation提供了建立Pro/ENGINEER零部件的精确、逼真图像所需的全部工具。
（4）钣金设计。完备的Pro/ENGINEER Foundation钣金设计工具套件，可以帮助用户建立墙壁、弯头、冲头、槽口、式样和浮雕花纹等基本特征。
（5）部件功能。因为用户需要开发的是产品，而不仅仅是零件，所以在Pro/ENGINEER Foundation的基础结构中，提供了许多定义和建立部件的功能。
（6）动画设计。
0 z" l6 b+ u) X% V4 F0 p  M$ i1 P（7）相关图形表。
0 F" L; Q+ x" A; A, O( Z& X5 b（8）高级部件扩展。高级部件扩展功能通过提供一些支持自顶向下设计方法、能处理替代产品配置以及管理大型复杂部件的工具，来帮助设计小组设计和管理大型复杂产品。
! |. G8 O* ^; J; J' W, A（9）完备的详细文档书写。
（10）曲线、曲面。
4  Pro/ENGINEER的曲线、曲面建模
    Pro/ENGINEER高级曲面扩展功能与Pro/ENGINEER Foundation相结合可以满足客户对产品形状进行复杂控制的需求，设计人员能够设计出从棱柱形引擎组件到轮廓化的高尔夫俱乐部、再到类似人类牙齿器官等的各种产品。高级曲面扩展功能提供了逆向工程的设计规范管理、参数化曲面建模和直接曲面建模等高性能工具。概括起来它主要具有几个方面的特性。
4.1 参数化曲面建模  
1 g; K9 |. I5 `( W$ W( |3 J    高级曲面功能可以帮助设计人员和工程师高效开发和优化尺寸驱动式几何图形和自由曲面。参数化曲面建模功能为设计人员提供了各种方便的曲面建模工具，比如变截面扫描工具，其中纵截面可以由用户自定义图表或数学函数控制；另外还提供了混合曲面和大量曲面操作，扩充、裁剪、偏移以及转换等工具，以帮助用户建立精确的形状。
4.2 直接曲面建模和逆向工程  
* z) v! ^- t! [# ~! q' H0 _9 s2 e% q; h    为了从实体模型、原型或者现有的产品中获取设计面信息，Pro/ENGINEER的高级曲面功能逆向工程工具提供了一种快速建立、修改和校验定型曲面的方法。快速高效建立优质定型曲面的能力可以多方面地加速后续过程，从而为用户节省大量时间。
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图1 利用Pro/ENGINEER高级曲面建模所做出的产品模型

    Pro/ENGINEER的交互式曲面设计扩展功能 (ISDX)定义了新一代曲面处理技术。这一新工具具有独特的自由形状曲线和曲面建模功能，并具有高级的互用性和灵活性。它能让设计人员和工程师在一种完全自由式参数化建模环境中工作，这样就能保证设计和工程的真正集成。通过在Pro/ENGINEER的参数化建模基础内建立复杂的自由形状几何体，ISDX能让设计人员和工程师在一种具有极大设计灵活性、独特的环境中工作。
    ISDX是一种可以改变设计和工程通信方法的工具，一种确保设计、工程和制造能真正实现协作的工具，一种产品开发工程中能提供极大柔性的工具，同时也是一种把参数化建模技术和自由形状曲面处理方法融合到Pro/ENGINEER环境中的曲面处理新模块。ISDX能够使工作流更加流畅、可以研究更多的设计替代产品，并能在设计过程的任何一个级别和工序中，管理所做的各种修改。
4.3 ISDX的主要特性
9 {5 Q/ W' `) X' T8 W4.3.1高度的柔性和集成性
    用户可以使用勾画、草图或其他参考数据来设计几何图形，这样他们就能从纯概念开始，逐步把概念设计成产品模型。由于所有的设计、工程和制造信息肯定都会被存储，所以，在整个产品开发过程中，可以在极短时间内，对许多设计替代产品进行研究和设计。这种工具从设计一开始就保持着完整的设计意图，并非仅仅进行数据传递和转换，所以它在整个过程中都能够提供畅通的交流。
4.3.2新环境中的直接曲线和曲面建模
2 i' z! _! ?5 U  \    ISDX能让设计人员和工程师在一个新的直观设计环境中工作，其中包括在独特的四视图窗口中，进行各种选项以及直接建立、处理和控制曲线、曲面和连接等。如图2所示，这种直观的交互式环境，能让用户在设计的任何时候，建立各种自由形状几何图形以及建立符合需要的多个或极少种约束条件的曲线和曲面模型。ISDX能够充分利用Pro/ENGINEER参数化环境的强大功能，来完成自由形状和参数化建模技术的集成。
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图2 直观的4视图窗口设计环境

    ISDX这种环境把建立和编辑曲线、曲面的所有最新工具都合在一起。它允许设计人员和工程师以一种非常直观的方式建立期望的曲面，从而确保更高的效率和更有效的设计控制能力。ISDX的直接建立和处理曲线的功能支持复杂的设计，能建立和完成复杂曲面的连接，把曲面处理质量和灵活性提高到了一个新的水平。
3 e. u1 `# E8 u& b, S    无论是从设计和制造观点来看，还是从产品营销观点来看，Pro/ENGINEER的直观环境中建立优质曲面的能力在当今快速发展的开发市场中具有极高的价值。
( B$ B0 e# O0 z2 |/ |8 G4.3.3 Pro/ENGINEER交互式曲面设计
* X+ ?7 u! q& u5 ~* E+ l: B: j    交互式曲面设计是一种一体化的建模方法，它确保了设计过程具有最大的灵活性，并能让设计人员和工程师按照设想来设计产品。无论用户是在建立曲线、曲面，还是在建立实体间的相互关系，都能为他们提供需要用来建立自由形状曲面模型的所有软件工具。这种在基于特征的参数化建模环境中设想和建立任意形状曲面模型的能力，把Pro/ENGINEER的功能提高到了一个新的水平。
    用户可以通过混合已有的几何体，或者是全新设计，来轻松建立自由曲面，并将其作为Pro/ENGINEER模型的一部分。
    ISDX可以将自由式曲面处理和工程设计完全集成在一起，用户不需要退出目前正在使用的工具，即可随时更改模型。只需要重定义或修改特征，然后就可继续工作。它致力于增值设计，而不是数据传输。用户不用再等待其他人来完成更改，在Pro/ENGINEER中就可快速简便地完成模型。
    在自由式曲面处理方法与参数化驱动式、基于特征的建模技术之间的交互作用方面，Pro/ENGINEER交互式曲面设计扩充功能已经领先于其他大部分CAD软件了。设计人员和工程师只需买进能够快速获得设计意图、并有能力支持后续设计和制造的工具，即可以迅速地完成产品的设计和建模。交互式曲面设计系统的功能主要如下。
    （1）建立曲线。3D曲线、平面曲线、曲面上的曲线、直接在曲面上草绘、把某个曲线映射到曲面上、用参数化方法建立曲线 。
    （2）编辑曲线。动态或根据数据移动内插点或控制点；在显示屏上动态或根据数据修改相切条件；用切线和折线把曲线连接到曲线和曲面；增加内插点；使用或不使用约束条件来动态扩展；删除点或整条线段；组合和分离曲线；交互式曲度描绘。
    （3）建立曲面。使用内部特征曲线和曲面或实体的边线来建立曲面；添加内部曲线；用局部边界线建立曲面。
" u3 b  B& F! Q( j; u    （4）编辑曲面。通过编辑定义曲线，修改曲面；添加/删除内部曲线，以便重新定义曲面形状；替换边界曲线/边，以便重新定义曲面形状；交互式曲面连接。
    （5）建模环境。4视图窗口显示（三个等距视图，一个3D视图）；引用已定义的任何几何体，比如点、平面、曲线、曲面和实体；直接处理导入的几何体、面和采样数据；局部重建机制；局部解决模式；在参数化修改过程中促进模型更改；使用行为建模（Behavioral Modeling）技术来优化；建立、设计、模拟和制造其他几何体等后续应用。
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图3  Pro/ENGINEER环境下交互曲面建模产品