1 引言
自上世纪60年代三维CAD系统问世以来，三维造型技术一直处于飞速的发展当中，从开始的简单线框造型到自由曲面造型再到参数化的实体造型，CAD技术经历了一次又一次的技术革命。在基于历史的参数化建模技术称霸近二十年后，同步建模技术诞生了。同步建模是一种独立于历史的建模方法，突破了传统顺序结构和特征树的限制，在对当前模型进行修改的过程中，可直接对当前特征进行修改，并用同步关系维护已存在于模型中的几何约束条件。在几何构建或修改时，特征操作历史不被存储，不被一系列特征建立时间顺序所依附。Solid Edge是有Siemens PLM公司于2008年推出的一款基于同步建模技术的软件。与NX同步建模不同的是，Solid Edge不仅仅只用于模型修改，还能直接用于零件的全新建模，同时具备CAD数据的重用功能，用户可直接编辑来自其他CAD系统的数据模型，更加方便了各类型数据之间的交换。
冷镦机是一种大型的锻压设备，是一种以墩为主用来快速大批量生产高质量螺栓螺母的专用设备。当前的冷镦机由过往单工位发展到如今的多工位，多工位全自动冷镦机作为一种高技术含量、精密、自动化的成型设备，极大地提高了紧固件行业的发展。因此对冷镦机的研究与优化对紧固件行业的发展具有推动作用。多工位全自动冷镦机的结构较为复杂，在进行优化设计时采用合理的三维软件尤为重要。
2 同步建模与参数化建模对比分析
同步建模技术的出现，是3D造型技术发展史上的又一个里程碑，它在传统的参数化建模和显示建模的基础上，加入了同步解析，3D尺寸驱动、2D转3D等先进技术，包含了前两者的优点，摈弃了它们的缺点，实现了灵活编辑、快速修改、多CAD数据直接交换等特点。同步建模技术与传统三维建模技术相比主要的优势有几下几点：
（1）实现设计变更的高效性
传统的基于历史的参数化建模的CAD设计系统中，若需要对原有的模型进行特征添加、变更或修改，需要找出该特征在特征树中的位置，若存在其他特征依附于此特征，则对其特征的操作可能会影响其他依附于它的子特征，这样在修改时计算量会变得非常大、速度慢，还有可能导致其他子特征的缺失、损坏等。若零件较为复杂或需变更的特征在特征树中较为靠前的位置，则可能导致较多特征损坏甚至整个模型的损坏。
使用同步建模技术对零件某一特征进行修改时只会对要修改的特征产生变化而不影响其子特征，且在其之前创建的特征会增加可以适应变更后模型的特征，使得模型的修改更加灵活、高速。
（2）用户操作的简洁性
同步建模技术提供了一种操作新体验，Solid Edge基于Windows平台，界面与Microsoft Office几乎一致，且兼容Windows系统的部分功能。最新版本的Solid Edge还增加了传统建模技术做不到的功能如：阵列特征识别、按表创建阵列、增加设计意图面板等诸多功能，这些都使用户的操作更加直观简洁，加快了产品的优化设计过程，大大缩短了优化设计的时间，提高工作效率。
（3）对于历史数据良好的继承性
对于绝大多数的产品，尤其是早期设计的产品，保存下来的都是二维数据，这样在产品的优化过程中需对其进行重新建模，传统的建模方式不能直接将二维数据转换为三维数据，只能采取重新新建草图、经拉伸旋转等一系列操作形成三维模型。Solid Edge支持二维数据格式，无需数据转换直接打开dwg格式的二维数据，在二维图纸的基础上进行一系列操作为其添加三维特性，从而快速形成三维模型。此外，同步技术将二维数据与三维数据有效关联起来，将以往的三维模型尺寸（PMI）驱动图纸尺寸的方式改变为图纸尺寸与模型尺寸互相驱动的方式，使模型与图纸之间能够迅速关联即时更新。
（4）对于外部数据良好的重用性
对于外部导入的模型通常只有一个体特征，由于缺少其他的参数如尺寸参数、特征参数等，在传统的建模环境下难以对其进行编辑。由于同步建模技术不基于特征可以直接对模型进行三维尺寸的驱动设计，可以更加智能的利用外部环境的CAD数据。
3 同步建模技术在冷镦机优化设计中的应用
在对冷镦机进行优化设计的模型修改过程中，同步建模技术的优越性主要体现在以下几个方面：
（1）修改速度
如图1所示的冷镦机床身模型，该模型的特征树上共有1058个特征。为使保证冷镦机在工作时的稳定性，需要增加其机架与底座的连接板宽度，图中高亮显示的拉伸7为需要修改的特征，处于特征树比较靠前的位置。尽管此特征的修改不会影响其他的特征，但是在参数化环境下，对其修改后，系统需对在此之后的所有特征进行更新，因此，这一操作花费了大约60s的时间。而且，修改后系统会出现1052条相关特征的错误警告，如图2所示。
图1 NX顺序建模环境中的冷镦机床身模型
图2 警告提示
若使用同步建模技术，其修改就变得得高效许多，如图3所示，在Solid Edge中打开零件，选中需要拉伸的面（如图3中高亮显示的面）拉伸到需要的距离，这个过程不需要更新其他任何特征，修改过程仅需2s，速度提高约30倍。
图3 两种方式的速度对比
（2）阵列特征的修改
原有的冷镦机为5工位冷镦机，现需增加一个过渡工位，原有的整体尺寸不变。这一改变需要修改动模和定模部分的多个零件，修改过程较为繁琐。本文选取定模部分的定模板为例（如图4所示），现有的定模板模型为参数化设计所得，上面的孔均由草图阵列经拉伸所得。若同样适用参数化的修改方法，则需要修改草图，再重新拉伸成孔阵列。在修改草图的过程中，孔间距需重新计算、且修改草图过程和重新拉伸过程多为重复工作。此外，如果遇到如图5所示的杂乱无章的草图尺寸会使得草图的修改难度增大且浪费时间。与阵列孔对应的还有很多其他特征或阵列，需同时对所有相关联的特征同时修改，否则会导致模型损坏（如图6所示）。导致工作量增加、工作效率降低。
图4 定模板参数化模型
图5 杂乱的草图尺寸
图6 修改后的模型
Solid Edge ST8拥有基于同步技术的阵列识别功能，可以对其他数据格式的模型的特征进行阵列识别，并直接修改阵列个数，并对阵列间距进行自动变更。无需修改草图，大大减少了工作量并提高了工作效率，经实际操作对比发现，对于这一修改的效率提高了10倍以上。
图7 特征识别方法修改阵列
（3）2D转3D功能
若对早期设计的产品进行功能改进，其产品的三维模型丢失或没有三维模型，只有二维图纸和实体产品，虽然是优化设计但是其建模过程却如同重新设计过程一样，需对产品的所有特征进行重新建模，这样就造成了时间以及人力资源的浪费。Solid Edge拥有基于同步技术的2D图纸转换三维实体模型的功能，可以直接利用dwg格式的图纸来进行拉伸形成三维模型，这样就会大大减少了工作量，缩短了优化设计的时间，提高了优化设计的效率。
Solid Edge具有十分良好的数据重用性，完全支持来自AutoCAD、NX、CATIA、Pro/E等等几乎所有CAD软件的数据格式并可在建模环境下打开.Dwg格式的图纸文件（如图8所示）。
图8 Solid Edge支持的数据格式
在建模环境下打开冷镦机曲轴的图纸后将自动生成草图，在界面中显示出草图面，选择实体命令中的旋转命令将出现如下的对话框。
与传统的建模方式不同的是，Solid Edge的旋转要素可以为面，这样可以更加快速精准的选取要旋转的区域，使得旋转操作更加便捷。在模型建立后，用户可以直接对二维图纸上的标注进行修改即可驱动三维模型，实现了图纸驱动模型的新型建模方式。
图9 Solid Edge支持的数据格式
图10 冷镦机曲轴模型
4 小结
不基于历史的同步建模技术实现了无约束设计，设计师可以根据需要快速方便的修改模型，也可以在不断地重复修改中找到最合理的优化设计途径。结合Solid Edge的易操作性和同步建模的高效性，设计师在对产品进行优化设计时的工作量大大减少，工作效率大幅度提升。以同步建模技术为核心的Solid Edge正逐渐成为设计师热衷的设计软件，将成为提高生产效率的有效工具。
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本文标题：同步建模技术在冷镦机优化中的应用
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