參數化建模知多少 | 波普星帶你瞭解工業造型與設計必備軟件。

波普星,你的CG夢開始的地方。你知道什麼是參數化建模嗎?在產品設計、室內設計、建築設計、工業設計領域參數化建模應用方面最為廣泛,因為這些領域要求苛刻,講究標準化。而參數化建模的優勢正在於此。那麼到底什麼是參數化建模,應用軟件有哪些,建模方法有何優缺點,波普星帶你深入瞭解參數化建模。

Parametric Modeling

參數化建模(Parametric Modeling),是在20世代末逐漸占據主導地位的一種計算機輔助設計方法,是參數化設計的重要過程。在參數化建模環境裡,零件是由特征組成的。特征可以由正空間或負空間構成。正空間特征是指真實存在的塊(例如,突出的凸臺),負空間特征是指切除或減去的部分(例如,孔)。借助參數化建模,您可以使用特征和約束捕獲設計意圖,這讓用戶可以自動執行重復性更改。參數化建模技術非常適合涉及苛刻的要求和制造標準的設計任務。

參數化建模

參數化建模:對設計進行更改後模型會自動更新,能夠輕松捕獲設計意圖,使用戶更容易定義模型在進行某些更改後應有的行為方式,輕松定義和自動創建同一系列的零件,與制造工藝完美結合,縮短瞭生產時間。此類建模方式常用於工業設計領域,需要精確的尺寸來輔助設計,原型設計甚至可以直接輸出到機床進行生產加工。所以此類建模方式(包含曲面建模方式)多用於如:產品設計、室內設計、建築設計、工業設計等。當然通過此方式創建的模型可以完美的導出到三維軟件中進行可視化渲染。

參數化建模思路

使用參數化建模可從頭至尾保持3D可視化的靈活性,場景和對象可隨時調整。在一個模型中,參數是通過“尺寸”的形式來體現的。是提供設計對象的附加信息,是參數化設計的重要要素之一。參數和模型一起存儲,參數可以標明不同模型的屬性。是使用來創建參數化模型,通過變更參數的數值來變更模型的形狀和大小。參數化可以通過草繪或直接建模,使用在表達式管理器建立的表達式來控制圖形形狀和變化,文件保存時不想要參數可以直接使用移除參數命令來去除模型的所有參數,當然也可以去除部分參數。

參數化建模技術非常適合涉及苛刻的要求和制造標準的設計任務。當制造包含在核心設計上有少許的變型的同一系列的產品時,組織通常求助於參數化,因為設計人員需要在尺寸、零件和組件之間創建設計意圖。這適用於需要定期修改或小版本化的設計。它還能創建包含在“模型樹”中捕獲的、可以修改或更改的單個特征(如孔和倒角)的模型。


參數化建模的好處包括:

  • 對設計進行更改後模型會自動更新,能夠輕松捕獲設計意圖,使用戶更容易定義模型在進行某些更改後應有的行為方式,輕松定義和自動創建同一系列的零件,與制造工藝完美結合,縮短瞭生產時間。

參數化建模有關的一部分缺點包括:

  • 在概念設計期間,參數化 3D CAD 可能會嚴重打擊嘗試盡可能在最短的時間內調查最多的 3D 概念的設計師的信心。當需要進行計劃外的設計更改時,參數化模型更新的時間更長。

參數化建模 VS 直接建模

直接建模:優點和缺點直接建模創建的是幾何而不是特征,因此它可以幫助設計師更好地進行概念構思,而不必束縛於特征及其相關性以及執行更改可能產生的影響。“說做就做”的直接建模方法講究的是快速有力地響應更改,這使它成為瞭速度和靈活性很重要的情況下的理想策略。


直接建模工具的一部分優點包括:

  • 能夠非常快地創建新的 3D 模型
  • 能夠快速編輯幾何並融入後期設計更改

缺點是什麼?與參數化建模相比,直接建模具有以下不足:

  • 設計自動化程度低下
  • 尺寸驅動的編輯功能較差

總而言之,若要處理當今的產品設計的復雜性,這兩種方法都不可少。iPhone 外殼制造公司 Taer Innovation、數字成像公司 PixArt Imaging 和印刷電路板制造商 Career Technology 之類的公司隻不過是通過使用這兩種方法而發展壯大的公司的幾個例子。這些公司都使用功能全面的建模工具 PTC Creo,包括在同一環境中處理同一模型的參數化和直接建模功能。

參數化設計

實際上參數化建模是參數化設計的一部分,通常情況下參數化建模為的是進一步的參數化設計做準備的。CAD 不是參數化設計,但是參數化設計包括 CAD。很多人單純的理解為 CAD 就是實現瞭精準的設計數據,這就是參數化設計,其實這是一個很大的誤區,如今的參數化設計包括以下幾個內容:


CAD / CAM / CAE / CAPP

CAD (Computer Aided Design) 計算機輔助設計。誕生於二十世紀60年代,是美國麻省理工學院提出的交互式圖形學的研究計劃,由於當時硬件設施昂貴,隻有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發的交互式繪圖系統。CAD的實現技術從那個時候起經過瞭許多演變。這個領域剛開始的時候主要被用於產生和手繪的圖紙相仿的圖紙。計算機技術的發展使得計算機在設計活動中得到更有技巧的應用。如今,CAD已經不僅僅用於繪圖和顯示,它開始進入設計者的專業知識中更“智能”的部分。

CAM (Computer Aided Manufacturing) 計算機輔助制造。利用計算機輔助完成從生產準備到產品制造整個過程的活動,即通過直接或間接地把計算機與制造過程和生產設備相聯系,用計算機系統進行制造過程的計劃、管理以及對生產設備的控制與操作的運行,處理產品制造過程中所需的數據,控制和處理物料(毛坯和零件等)的流動,對產品進行測試和檢驗等。

CAE (Computer Aided Engineering) 計算機輔助工程。用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能,以及優化結構性能等,把工程(生產)的各個環節有機地組織起來,其關鍵就是將有關的信息集成,使其產生並存在於工程(產品)的整個生命周期。而CAE軟件可作靜態結構分析,動態分析;研究線性、非線性問題;分析結構(固體)、流體、電磁等。

CAE (Computer Aided Process Planning)計算機軟硬件技術和支撐環境。利用計算機進行數值計算、邏輯判斷和推理等的功能來制定零件機械加工工藝過程。借助於CAPP系統,可以解決手工工藝設計效率低、一致性差、質量不穩定、不易達到優化等問題。也是利用計算機技術輔助工藝師完成零件從毛胚到成品的設計和制造過程。

生物模型 | 參數化建模的難點

雖然參數化建模可以應用在對參數要求苛刻的工業產品、精準的建築等領域上,但是參數化建模也有著致命的缺點。這個缺點就是面對生物類模型的建立就會束手無策,當然這是完全不同的兩個領域瞭。生物模型大部分應用在影視特表現上,需要的不是精準到毫米的尺寸,而是富有生命力的角色,這兩種不同的領域顯然對模型的要求也是很不同的。所以一般學習視覺變形類的朋友建議大傢學習多邊形建模也就很正常瞭。

三維模型互導格式

參數化建模後得到的模型通常帶有工業圓角處理的,這樣的模型與三維軟件之間互通有一定的障礙。參數化建模一般還能包括曲面建模(NURBS),大量的光滑曲面並不是三維軟件能夠完美的支持的,通常導出的模型是由三角面構成的。所以在使用三維通用格式比如:OBJSTL 等格式進行互導的時候都會遇到這樣那樣的不兼容問題:


IGES(The Initial Graphics Exchange Specification)初始化圖形交換規范:The Initial Graphics Exchange Specification(IGES)是被定義基於Computer-Aided Design (CAD)&Computer-Aided Manufacturing (CAM) systems (電腦輔助設計&電腦輔助制造系統)不同電腦系統之間的通用ANSI信息交換標準。CAD/CAM技術在工業界的推廣應用,使得越來越多的用戶需要把他們的數據在不同CAD/CAM系統之間交換。IGES正是為瞭解決數據在不同的CAD/CAM間進行傳遞的問題,它定義瞭一套表示CAD/CAM系統中常用的幾何和非幾何數據格式,以及相應的文件結構,用這些格式表示的產品定義數據可以通過多種物理介質進行交換。

STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)產品模型數據交互規范:是國際標準化組織制定的描述整個產品生命周期內產品信息的標準,STEP標準是一個正在完善中的“產品數據模型交換標準”。它是由國際標準化組織(ISO)工業自動化與集成技術委員會(TC184)下屬的第四分委會(SC4)制訂,ISO正式代號為ISO-10303。它提供瞭一種不依賴具體系統的中性機制,旨在實現產品數據的交換和共享。這種描述的性質使得它不僅適合於交換文件,也適合於作為執行和分享產品數據庫和存檔的基礎。發達國傢已經把STEP標準推向瞭工業應用。它的應用顯著降低瞭產品生命周期內的信息交換成本,提高瞭產品研發效率,成為制造業進行國際合作、參與國際競爭的重要基礎標準,是保持企業競爭力的重要工具。

IFC(Industry Foundation Classes)建築工程數據交換標準:是由buildingSMART以工業的產品資料交換標準STEP編號ISO-10303-11的產品模型信息描述用EXPERSS語言為基礎,基於BIM中AEC/FM相關領域信息交流所指定的資料標準格式,有專傢認為IFC如同網絡通信標準HTML一樣,IFC不屬於任何BIM軟件專有,而加入IFC標準認證的各領域及不同軟件也日益增加,許多公司或教育單位也加入研究並開發相應的應用,同時提供免費試用源代碼,以此吸引更多人參與IFC的研究與發展。基於BIM的IFC標準已經發展10年有餘,漸漸受到學術界與業界重視,IFC不斷發展會是AEC相關信息交換的重要標準。IFC標準格式,包含瞭建築過程中的訊多信息,這些信息的運用管理與AEC大量信息管理開發的軟件管理概念相似,如生命周期、資料分類、成本資料、圖檔模型等項目的管理,而已IFC為基礎的管理應用研究也越來越多,例如基於IFC在建築生命周期管理應用嘗試以IFC為主結合網絡管理,建立於建築生命周期的資訊系統等等。IFC包含的成本信息應用方面,基於國標(GB50500-2008)規范與IFC資料內包含的成本信息,以C++編寫出BIM招標建設專案半自動的成本估算程序,應用於國內實際的教學案例,並且驗證瞭其成本估算的性能和正確性。


大多數三維軟件也開始支持以上的幾種文件格式,多運營在視覺可視化的表現上,基於四邊面的模型可以借助於 OBJ STL ABC DAE 等格式互導;曲面模型借助於 IGES STEP 格式互導;建築類模型使用 IFC 格式導出。餅幹建議:第一選擇 IGES 格式。

參數化建模軟件

參數化建模軟件很多,也都各有優缺點。大傢所熟知的 Rhino3D優勢是曲面建模但是可以安裝Grasshopper插件來實現參數化建模、UG Pro|E SolidWorks 這些都是非常不錯的參數化建模系統,但這裡不得不提一款開源免費的參數化建模軟件 – FreeCAD。FreeCAD是一款 CAD / CAM / CAE於一身的全面性很強的軟件,目前的版本整合 BIM 流程,可謂是超級強悍的。


參數化建模軟件都提供瞭一套比較科學的 CAD 草圖設計工具,也提供瞭不錯的曲面建模工具集。因此,我們建議曲面類建模工作可以由從參數化建模軟件來實現,然後導入到三維主體軟件中進行可視化視覺表現。當然面向於產品工業設計的用戶,首先學習的就是參數化軟件這個毋庸置疑,如果非要推薦一款軟件,我們建議大傢可以先學習 FreeCAD,後期可以配合SolidWorks或者Rhino3D其中的一款。

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