inventor建模实例(inventor3d建模)

前沿拓展：

inventor建模实例

先做一个圆柱，然后在45度做一个参考基准面，加草图圆，然后挤出到下一面与圆柱相交

整整 30 年前 – 1987 年 11 月 – 在美国底特律的 AUTOFACT 展览会上，由最近成立的 Parametric Technology Corporation (PTC) 开发的最新 CAD 系统首次向公众展示。在接下来的十年中，这个名为 Pro/ENGINEER 的系统彻底改变了计算机辅助设计：PTC 成为 CAD 的全球市场领导者，竞争对手被迫在他们的产品中重复类似的功能，从而使所有 CAD 用户成为一个人质有缺陷的技术参数化实体建模。世界的阴谋，而且只有！还有一个史无前例的成功和失望的故事，今天很难再重演。当然，人们不得不为这一事实感到自豪这场革命是由俄罗斯的塞缪尔·盖斯伯格进行的。

亲工程革命胜利的三个因素

年轻的读者会问：“30 年前还有 CAD 吗？”1987年，CAD市场已经相当发达。CADDS（Computervision开发）、InterAct（Intergraph）、CATIA/CADAM（Dassault/IBM联盟的产品）、Unigraphics（McDonnell-Douglas）、I-DEAS（SDRC）等产品争夺机器的眼球建设者 [1]。这已经是第二代 CAD 系统了。几乎所有这些都是从 2D 绘图软件包演变而来的，后来添加了 3D 实体建模功能。这些应用程序在大型机和小型计算机上运行，CAD 软件包中包含适当的硬件以及专有操作系统。FORTRAN 通常被用作一种编程语言，其功能严重缺乏，因此代码的许多部分都是用汇编语言实现的。结果是昂贵、低效且难以维护的代码。

1980 年代的典型 CAD 系统（在本例中为 CATIA）

总的来说，这些都是真正的 IT 恐龙，在那个时候不得不去历史的垃圾箱——毕竟，装有 UNIX 操作系统的工作站已经准备好取代大型机和小型机，它们可以连接到网络上，并且为他们创建的软件使用 C 编程语言，它允许您将低级别的汇编语言抽象与典型的高级语言结构相结合，这有助于显着减少软件产品的开发和维护时间。

同样重要的是 UNIX 工作站的用户界面在业界首次变得“用户友好”：基于 X-Window 系统，可以实现下拉和上下文菜单、对话框、图标和其他图形用户元素，今天的 CAD 系统中缺少这些元素会导致困惑。

Pro/ENGINEER 用户界面在 30 年前看起来是革命性的

所以，Pro/ENGINEER 未来获胜的第一个因素是软件和硬件平台的正确选择——后来，竞争对手为了重复 PTC 的成功，不得不完全重写他们的软件，在速度上落后了几年因为这个而发展。

第二个（部分继第一个）成功因素是定价政策。如果竞争对手销售的是交钥匙软件和硬件系统，其中硬件占据了成本的最大份额，那么 PTC 开始专门销售软件，并且是世界上所有 CAD 公司中第一个开始使用产品可配置性原则的公司。Pro/ENGINEER 的成本开始于（当时）相当低的每个工作站 9,500 美元：对于这个价格，该软件包包括创建 3D 参数模型、模型装配和生成工程视图的能力。这个基本包可以补充额外的网格生成模块，用于有限元分析、详细绘图、IGES 格式的数据交换、开发可访问 Pro / ENGINEER 数据库的自定义应用程序等，

但革命的主要因素 – 真正改变 CAD 市场时代的因素 – 是一种创建和编辑实体几何模型的全新方法：基于参数化结构元素进行设计并从历史中重新生成几何图形模型的构造。

人格在建筑史上的作用

Samuil Peisakhovich Geisberg 于 1936 年 5 月 20 日出生在列宁格勒，在学校学习期间，他开始参加先锋宫的数学圈。毕业后，他没有被列宁格勒国立大学数学与力学学院录取（臭名昭著的“国籍”栏目受到影响），他前往塔尔图（爱沙尼亚苏联），在那里他从塔尔图国立大学毕业1957. 在那里，在 Gunnar Kangro 教授的科学指导下，他参与了发散级数可和性的一般理论（泛函分析的一个子部分，高等数学的一个领域）的发展，并在研究生院毕业后1962 年，他以“论求和方法的包含”为主题，成功通过物理和数学科学候选人学位论文答辩。

塞缪尔·佩萨霍维奇·盖斯伯格

自 1960 年以来盖斯伯格在列宁格勒工程与经济学院工作，教授数学。1974年，他带着11岁的儿子从苏联移民到美国。与此同时，家庭分裂了，因为他的妻子米拉因接触机密信息而被禁止离开苏联。她还带着一个六岁的女儿。几年后，他们设法在美国团聚。

在移民后的头几年，Samuil Geisberg 曾在 Computervision 和 Applicon 工作，这家公司开发工程软件（第一家公司开发了 CADDS CAD 系统，第二家公司开发了用于设计印刷电路板的 AGS 系列产品）。从内部熟悉 CAD 行业后，Samuel Geisberg 提出了一种全新的实体建模方法，包括通过参数化结构元素（特征）定义零件和装配体。由于没有一个雇主同意将这个想法付诸实践，他在 1985 年决定成立自己的公司来开发这种产品。

盖斯伯格既不是第一个也不是唯一一个提出这种技术的人。大学和工业界都开发了类似的方法 – Matra Datavision、Intergraph 和其他公司体现了参数方法的各个元素。一般来说，在 CAM-I 项目 [5] 的框架内，对结构元素帮助下的设计进行了第一次研究。

这种兴趣的原因很清楚。当实体建模首次出现时（这个概念不仅可以让您对 3D 物体的框架进行建模，还可以准确地描述这些物体所占据的体积 – 它允许您构建零件和装配体的截面、计算体积质量特性、携带使用有限元方法等进行工程计算），用户CAD系统拒绝使用它，因为使用复杂：如何对模型进行一致的更改？如何在另一个模型中重用几何？如何在模型中添加设计和技术信息？基于结构元素的参数化建模为这些问题提供了答案。Samuil Geisberg 是第一个完全基于此原理从头开始实施 CAD 系统的人。

正如他当时公开表示的那样，“目标是创建一个足够灵活的系统，以帮助工程师轻松考虑多种设计选项，并且对设计进行更改的成本应尽可能接近于零。” 这个目标应该是通过自动记录用户在“历史树”（历史树）中创建和修改三维模型的每一步来实现的。该树保存了每个应用建模操作的几何和尺寸参数（例如，通过拉伸 2D 轮廓创建 3D 实体或在现有实体中创建孔）。如果在构建模型后，用户更改了其中一个维度的值，

Pro/ENGINEER 商业成功

1985 年，Samuil Peisakhovich Geisberg 和他的兄弟 Vladimir 从风险投资基金获得了 150,000 美元，创立了 SPG 咨询公司。一年后，曾在 Prime Computer 担任 CAD/CAM 领域研发总监多年的 Mike Payne 加入了他们，并在 PTC 成为工程副总裁。拥有 MBA 和 CFO 经验的 Steven C. Walske 被任命为 CEO，之前在 Prime Computer 担任过类似职位的 Dick Harrison 成为销售副总裁。当所有部件组合在一起时，该公司更名为 Parametric Technology Corporation，并在筹集了 360 万美元的额外投资后，开始准备发布 Pro / ENGINEER。

在对该系统进行封闭式和开放式演示后，其商业销售于 1988 年 1 月开始——到年底，向 150 名客户出售了近 900 个工作岗位，而在 1989 年 9 月结束的第一个完整财政年度销售带来了创纪录的创纪录收入 – 1100 万美元。

1989年12月，PTC决定上市；其股价在首次公开募股后两个月翻了一番。到 1991 年年中，已售出的工作数量接近 4,000 个，Pro / ENGINEER 的应用程序数量增加了标准零件和结构元素库、用于创建自定义结构元素的模块、复杂曲面建模、钣金设计产品，使用 CNC 为机床生成控制程序并组织项目工作流程。

Pro/ENGINEER Release 10 (1992) 中的装配体分解图

Pro/ENGINEER 通过每年两次更新（竞争对手几乎没有做到）迅速征服了市场，并支持多个硬件平台，同时为所有平台同时发布新版本（由于这种架构，PTC 能够将其软件移植到Windows NT 比任何 CAD 供应商都快）。作为新一代 CAD 系统的代表，Pro / ENGINEER 轻松渗透到以前被视为其他供应商领域的公司：卡特彼勒、康明斯发动机、福特汽车公司、夏普公司、惠而浦。

公司的发展需要管理层的变革：1994 年，塞缪尔·盖斯伯格让位于董事会主席史蒂夫·沃尔斯克 (Steve Walsk) 的职位，转而担任首席科学家的职位，然后彻底离开了他创立的公司。开始销售十年后，Pro/ENGINEER 座椅销量突破 10 万张，年收入超过 10 亿美元。一年后，Parametric Technology Corporation 吸收了曾拒绝采纳他的想法的 Samuel Geisberg 的前雇主 Computervision。

Pro/ENGINEER 的巨大商业成功促使竞争对手紧急重写他们的 UNIX 工作站软件，同时将类似的基于历史的参数化建模技术纳入其中。

PTC 的成功也启发了 Jon Hirschtick – 在将其开发总监 Mike Payne 引出公司后，他与他一起在 1995 年为 Microsoft Windows 平台制作了 Pro/E 的化身 – SolidWorks 成为最受欢迎的机械 CAD 系统世界上出售的工作岗位数量 [ 6 ]。

概念性 Pro/ENGINEER 问题

随着 Pro/ENGINEER 在各种企业的设计过程中的使用增长，用户开始发现所提出的参数化建模方法的固有和不可恢复的缺点。

首先发现，由于每次建模操作都记录在构建历史树中，这棵树的大小往往成为进一步高效工作的障碍——在当时的计算机上重新生成由数百个结构元素组成的几何图形最多可能需要 45 分钟，这当然很烦人。他们开始通过冻结模型的某些部分以限制再生来解决这个问题。

Creo（Pro/E 的后继产品）中的一项功能，以应对较长的模型重新生成时间

另一个问题更加严重。正如 David Weisberg 在 1992 年 10 月的《工程自动化报告》上的文章中所写：取决于之前创建的几何。这种方法是由父子关系描述的——除了这种关系可能需要几个层次的深度。如果父元素被删除或修改，在某些情况下，它可能会以意想不到的方式影响子元素。在极端情况下（有时不仅在极端情况下），用户被迫完全重新创建模型”。

解决这个问题的方法是让 Pro/ENGINEER 用户仔细规划设计过程，预先确定模型中主要结构元素之间的依赖关系。因此，设计过程变得更像编程。

同一部分的常规构造函数的构造树（左）和程序员构造函数的构造树（右）。在第一种情况下，零件通常在参数上是不可编辑的；在第二种情况下，成功的机会增加了。

得不偿失的胜利

Pro / ENGINEER 在十年内征服了 MCAD 市场，很快就开始让位给它的追随者——SolidWorks、Solid Edge、Inventor。这些新产品最初只专注于一个 Windows 平台，这样可以显着节省开发成本，简化用户培训（用户界面尽可能接近 Microsoft Office 家族的产品），并且总体上做到了可以显着降低拥有 CAD 系统的成本。

面对 CATIA 和 Unigraphics NX 的大竞争对手并没有打瞌睡，完全重新设计了他们的产品，以实现基于模型构建历史的类似参数化建模技术。结果，PTC 的年收入从 1998 年的 10 亿美元暴跌到 2003 年的不到 50 亿美元。但整个市场和用户都从中受益。

如今，机械工程 CAD 市场竞争激烈，但所有主要参与者都为用户提供相同的基于历史树几何再生的参数化实体建模技术。这会产生严重的问题。

根据最近在 Engineering.com 上发布的对 230 位专业 CAD 用户的调查，用户最关心的四个问题是：

CAD 系统的高拥有成本。导入和导出文件的困难。使用困难。难以找到具有特定 CAD 系统经验的员工。

所有四个问题都清楚地指出了基于历史的参数化建模的固有缺点。

拥有成本高不仅是因为价格障碍（永久许可证起价 4,000 美元），还因为需要投资于员工培训。正确使用基于历史的参数化 CAD 系统意味着设计工程师必须具备程序员的技能并仔细规划模型构建过程。出于同样的原因，用户抱怨使用和寻找专家的困难。

使用其他人的文件的主要问题是，在翻译过程中，他们会丢失结构元素以及参数 – 在一个 CAD 系统中创建的模型无法在另一个系统中更改。

矛盾的是，每个人都使用相同的技术，但这种技术不允许您在不同的 CAD 系统中一起处理相同的模型！未来 30 年的技术

用户抱怨无法编辑在另一个 CAD 系统中创建的几何图形，这导致了直接几何建模工具的复兴 [9]。

自 1992 年以来，惠普一直在开发 SolidDesigner，这是一个基于动态建模技术的实体建模系统。动态建模包括使用 ACIS 几何建模内核的本地和布尔运算，这些运算要么由用户以交互方式应用，要么在参数更改时根据用户定义的控制标签自动应用。实体的局部编辑操作的示例是面的平移或旋转，圆角半径的变化，布尔操作的示例是复制形成结构元素的一组面（例如凹槽或边缘）从一个面到另一个面（对于这种转移，您必须首先形成一个工具主体，然后将添加或减去其体积以在模型的其他位置创建类似的特征）。SolidDesigner 中的参数化是通过控制标记 – 尺寸来实现的，改变其值会触发一系列本地和布尔操作。与基于历史的竞争对手相比，SolidDesigner 的主要优势在于能够编辑导入到系统中的任何几何图形。

Hewlett-Packard 将 SolidDesigner 分拆成一个名为 CoCreate 的独立业务，该业务于 2007 年由 PTC 控制。此次收购促使 PTC 考虑将 Pro/ENGINEER 与 CoCreate 统一为一个品牌。因此诞生了 Creo CAD 系统，它将基于历史的参数化建模的强大功能与直接（动态）建模的强大功能相结合。

甚至在这笔交易之前，2004 年，在 Blake Courter 的带领下，PTC 的几名关键员工离开了公司，去开发一款类似于 SolidDesigner 的产品，其用户界面类似于 SolidWorks。他们称同样不知疲倦的 Mike Payne [ 10 ] 并于 2007 年发布 SpaceClaim，这是 SolidDesigner 的现代转世。七年后，该公司被出售给工程分析领域的世界市场领导者 ANSYS。

不知疲倦的 Mike Payne 领导了三个 CAD 系统的开发，每个系统都对 CAD 行业产生了重大影响：Pro/ENGINEER、SolidWorks、SpaceClaim

2008 年，Siemens PLM Software 宣布发布同步技术，该技术尝试将单个 CAD 系统中基于历史的结构元素与可以独立于构建历史进行更改的局部元素相结合。

2009 年，Autodesk 公布了其 Inventor Fusion 技术计划，该技术将基于历史的参数化建模的强大功能与直接建模的简便性和性能相结合。产品发布后，欧特克采用的原则就明确了：直接几何编辑的每一个操作都记录在构建树中，从而形成构建历史的一部分，封闭技术循环。

虽然纯直接建模确实允许编辑在另一个 CAD 系统中创建的几何图形，但这种编辑通常违反设计意图，因为移动/旋转/改变一个面很容易破坏该面所属的结构元素。为了解决这个问题，俄罗斯公司 LEDAS 在 2008 年提出了变分直接建模的倡议，它允许您在不访问其构建历史的情况下参数化现有几何图形。参数化是通过对实体模型的边界元素（面、边、顶点）设置几何（如平行度、同轴度、相切）和尺寸（距离、角度、半径）限制来实现的。在许多情况下，可以用自动创建约束来代替手动创建约束，这大大简化了参数化过程。使用由 LEDAS 开发的变分几何求解器 LGS 3D 同时求解所有给定约束，您可以自动获得零件和装配体的所需参数配置。

变分直接建模基于几何内核的局部运算与变分几何求解器的组合

LEDAS 中开发的方法的主要优势是智能的可能性通过直接建模来修改模型。问题是对边界元素设置的限制留下了自由度（与基于构造历史的方法相反，没有自由度 – 一切都由参数控制），这些自由度可以用于动态平移/旋转/改变身体的面，不违背设计师的意图，不破坏结构元素。但是，如果您愿意，您始终可以创建完全定义的模型，其中每个元素的位置由尺寸约束参数控制。从这个意义上说，该技术是通用的，在每种极端情况下都代表纯直接建模或纯参数建模，因此是两种编辑实体几何方法的概括。

2011年，变分直接建模技术和LGS 3D求解器（与本文作者带领的开发团队一起）被比利时公司Bricsys收购，并开始在其产品BricsCAD中实现和开发。在最新版本的 BricsCAD V18 中，您可以看到这项技术的发展程度。因此，在此基础上，实现了设计钣金产品的功能，它超越了基于建筑历史的任何已知系统的类似功能。放弃构建历史的优势在这里尤为明显——用户在编辑选项方面不受任何限制。在任何 CAD 系统中创建的板材零件可以导入 BricsCAD 并根据需要进行深度返工 – 更改厚度和整体尺寸，更改边缘连接的拓扑（弯曲到接头，反之亦然），返工应力的类型和大小浮雕，将零件拆分为多个，或者相反，将多个零件组合为一个，当然，还要为 CAM 系统构建零件的开发。

在 BricsCAD V18 中使用尺寸约束和参数化组件进行参数化：从钣金到装配

Bricsys 开发人员还致力于开发变分直接建模技术，以支持任意（由一组面定义）结构元素，并有可能在零件和组件中重复使用（数组、模板）。总的来说，这是一条漫长而艰难的道路——毕竟，为了完全取代基于建造历史的参数化建模，还需要实施更多用于变分参数化的附加工具。但我确信没有其他方法可以解决当前的行业问题。

在 Pro/ENGINEER 的 CAD 世界惊天动地发布 30 年后，用户不得不处理它的遗留问题，即在各种 CAD 系统中创建的数百万实体模型的形式。赋予它们第二次生命，学习如何编辑它们是未来 30 年的任务。与我们联系到它的解决方案！