Hvad er forskellen mellem parametrisk og direkte modellering?

Creo Parametric er efterfølgeren til Pro/ENGINEER, som introducerede CAD-industrien til historiebaseret parametrisk design.(Billede venligst udlånt af PTC).

en vigtig milepæl i historien om computerstøttet design (CAD) kom med 1987-udgivelsen af Pro/ENGINEER, nu PTC Creo, som introducerede CAD-industrien til historiebaseret parametrisk modellering. Siden da har det parametriske paradigme været anvendt i næsten alle mainstream CAD-programmer, herunder Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, og Onshape. Hvis du har lavet nogen CAD-modellering i de sidste to årtier, er chancerne for, at du er bekendt med historiebaseret parametrisk design.

i en nøddeskal, parametrisk design involverer ingeniører opbygge en 3D geometri stykke for stykke. 2D-skitser bliver til 3D-funktioner med begrænsninger og relationer, der er behørigt anvendt for at passe til designerens hensigt. Da hvert trin følger af foregående trin, kan parametrisk design imidlertid kræve omhyggelig planlægning.

på trods af parametrisk modellerings magt og popularitet har et andet CAD-paradigme sin egen andel af fortalere: direkte modellering. I direkte modellering er geometri konge. Brugere behøver ikke længere at bekymre sig om historien om deres del og kan i stedet handle direkte på 3D-geometrien som den er. Nogle moderne CAD-systemer bruger direkte modellering i stedet for historiebaseret parametrisk modellering, mens andre giver en blanding af parametriske og direkte værktøjer.

for bedre at forstå forskellene mellem parametrisk og direkte modellering, hvilke brugssager de måske er bedst til, og hvordan de kan fortsætte med at udvikle sig, talte vi med erfarne CAD-brugere og brancheinsidere for deres tilgang til de to paradigmer.

parametrisk modellering

parametrisk design starter med en skitse (venstre) og tilføjer funktioner (såsom revolve, middle) for at opbygge det endelige design (højre). (Model fra Onshape tutorial oprettet af forfatter).

lad os først og fremmest afklare den terminologi, vi bruger. Designparadigmet, der er banebrydende af Pro / ENGINEER, kaldes måske mest korrekt “historiebaseret”, da det er den lineære trinvise karakter af modellen, der virkelig adskiller den fra direkte modellering, som også kan kaldes ” historiefri.”

” historiebaseret CAD-program er afhængig af brugeren til at opbygge en individuel Del med en række funktioner, “skrev veteran CAD-bruger Matt Lombard i en e-bog om Siemens’ CAD-program Solid Edge. “Programmet husker funktionerne i orden, og modellen skal løse disse funktioner for perfekt på hvert trin for at komme videre. Du kan tænke på denne metode til modelbygning som et computerprogram. Du giver computeren instruktioner for hvert trin, og det udfører disse trin for hver gang modellen skal genopbygges.”

ikke desto mindre kaldes historiebaseret modellering ofte “parametrisk”, og derfor behandler vi de to udtryk som ens. Bare husk denne advarsel fra Lombard: “folk har ofte den forkerte ide om, at kun historiebaseret program er parametrisk. Parametrisk betyder, at modellen er drevet af parametre, som kan omfatte dimensioner, mønsterforekomster, vægtykkelser, huldiametre og dybder osv.”

Lombards analogi med et computerprogram er en passende til parametrisk modellering. Ligesom når man skriver et program, jo mere en ingeniør tænker fremad om, hvad der forsøger at blive opnået, jo bedre er slutresultatet. Selvom en model, som et program, kan sættes sammen på farten, kan det være sjusket og svært for andre ingeniører at redigere.

Roland Schvarts, en anden erfaren CAD-bruger, påpegede, at denne kendsgerning med parametrisk modellering kan være et dobbeltkantet sværd.

“hvis du arbejder med nogen, der er rigtig god til parametri og strukturerer deres projekt på en god, gennemtænkt, streng måde, er det fantastisk,” sagde han. “Men du kan have nogen, der bare kommer ind der og hugger og ændrer og har ting kopieret på de forkerte steder, og der er ikke et logisk system til det. Det er da det bliver rodet, og jeg vil bare starte fra bunden med en eksport og import.”(Eksport og import af modellen fjerner dens funktionshistorik og gør den til det, der kaldes en “dum geometri”, som kun er geometrien uden designintention).

de bedste parametriske CAD-designere er så dygtige til at strukturere deres projekter, at de undertiden kan identificeres bare ved at se på en af deres modeller, som om de efterlod digitale fingeraftryk på historietræet. Selvom slutmodellen er nøjagtig den samme, er der mange måder at komme dertil—og nogle er bestemt bedre end andre.

” og min måde er den bedste, ” spøgte han. “Det er, hvad enhver god CAD-model vil sige.”

parametrisk modellering er yderst nyttig til produkter, der er drevet af dimensioner—tænk standard kontorpris som skriveborde og hylder eller værktøjer, der kan variere i størrelse. Med den parametriske tilgang kan ingeniører hurtigt og nemt oprette forskellige konfigurationer af deres design.

men hvorfra de ikke så strenge modellerere bor, er revner begyndt at dukke op i det parametriske modelleringsparadigme.

“nogle gange tror jeg, du kan blive fast i historien,” sagde Bruce Bartlett, en anden CAD-veteran. “Så meget som historien giver dig mulighed for at ændre ting hurtigt, er ulempen, hvis du ikke forstår, hvordan det er bygget, eller hvis du har nogen, der bygger ting, der bliver lidt ude af kontrol, kan du bruge mere tid på at vade gennem historietræet end bare at gribe nogle ansigter og flytte dem.”

en anden svaghed ved parametrisk modellering er, at når antallet af funktioner øges, øges også den beregning, der kræves for at opdatere din model.

“hvis du har en del med 1.000 funktioner i historietræet, når du redigerer den sidste funktion i det træ, går det meget hurtigt,” forklarede Dan Staples, Siemens PLM-vicepræsident for mainstream engineering. “Men når du redigerer den første funktion i det træ, kan det tage meget lang tid, fordi det skal beregne alle 1.000 imellem, før det kommer til 1.001 st-funktionen.”

er parametrisk modellering med sin balance mellem styrker og svagheder den bedste mulighed derude til CAD-design? Staples tror det ikke.

“begrebet redigering af en dimension for at opnå et meget forudsigeligt resultat, der respekterer designerens hensigt, er i sagens natur værdifuldt,” sagde han. “Implementeringen kendt som historiebaseret design, udført af Pro/ENGINEER tilbage i 1987 og kopieret af stort set alle andre nu i de sidste 25 år, er ikke den mest effektive måde at redigere denne dimension på.”

Staples, naturligvis nok, går ind for Siemens’ synkron teknologi, et paradigme, vi vil diskutere senere.

direkte modellering

skærmbillede af direkte modellering i Creo Direct. (Billede venligst udlånt af PTC).

som navnet antyder, tilbyder direct modeling designere en hvad-du-ser-er-hvad-du-får tilgang til at opbygge og redigere deres modeller.

“der synes ikke at være nogen ende på eksperter, der argumenterer over fint nuancerede definitioner og variationer af dette udtryk, men generelt er direkte redigering en CAD-metode, hvor du direkte manipulerer ansigter af modellen, snarere end indirekte Redigerer funktionsdefinitioner eller skitser…hvordan geometrien er lavet, betyder virkelig ikke noget og er ærligt talt ikke så interessant som hvordan geometrien ændres,” skrev Lombard.

i direkte modellering kan designere skubbe og trække på deres model for at ændre den. En fordel ved denne evne er den lethed, hvormed design kan ændres, hvilket muliggør hurtig iteration og prototyping. Af den grund har direkte modellering fundet en niche i verden af industrielt design, hvor væskekurver og fed æstetik spiller en stor rolle.

“der er brugssager, såsom meget organisk design, skulptur, konceptdesign, generativt design og de-featuring til analyse, hvor et totalt ikke-parametrisk værktøjssæt kan være et fremragende og undertiden det bedste valg,” sagde Dave Corcoran, Onshape medstifter og vicepræsident for forskning og udvikling.

desuden, uden afhængigheder og historie parametrisk modellering, direkte modellering kan eliminere nogle af problemerne med dårlig parametrisk design.

“jeg tror, at den virkelige test af en CAD-modeler ikke er, hvad de kan lave, det er, hvad de kan ændre. Direkte modellering åbner helt sikkert feltet meget om, hvad de kan ændre uden at forårsage en fuldstændig forstyrrelse,” sagde han.

evnen til at ændre en model uden at bekymre sig om at bryde den kan betyde meget, især for virksomheder, der ønsker at udvide nytten af deres CAD-model. CAD-modeller beskrives som aktiver, og som ethvert andet aktiv kræver de en investering for at sikre.

“en masse tid og penge går til at lave en CAD-model, og du vil beskytte dem, og du vil have dem til at forblive nyttige. Direkte modellering vil beskytte denne investering, ” forklarede han.

men direkte modellering kommer med sin egen andel af ulemper.

“de fleste historiefrie systemer beskæftiger sig ikke godt med redigering af dimensioner og får et forudsigeligt resultat,” sagde Staples. “Nogle gange vil du høre folk tale om et push-me-pull-you slags system, og de ser meget frække ud, men når push kommer til at skubbe i slutningen af dagen, vil du virkelig være i stand til at redigere dimensioner og skabe dimensionelle steder og så videre.”

et andet problem med direkte modellering er, at for de fleste CAD-modeller er det simpelthen ikke, hvad de er vant til. Efter mange års erfaring med parametrisk design—og år med at vænne sig til dets mangler—kan der bare være en mangel på motivation til at overveje et alternativ.

” jeg tror ikke parametrisk modellering går væk når som helst snart,” sagde han. “Der er en meget stor befolkning af brugere derude, der er godt sat ud i det og kan lide det, eller i det mindste er de komfortable med det og går ikke overalt. Jeg tror, at direkte modellering er et stort skridt fremad. Samtidig tror jeg, at der er en kultur, der skal udvikle sig omkring det—hvor det bliver mere accepteret og mere forstået om de bedste måder at bruge det på—især med hensyn til at styre et modelleringsprojekt i løbet af et produkts levetid eller endda livet for dets oprindelige udvikling uden at det bliver et større problem end en løsning.”

sløring af linjen mellem Designparadigmer

skærmbillede af direkte redigering i Onshape ved hjælp af Move Face-værktøjet. Bemærk, hvordan dette værktøj opretter en funktion i historiktræet. (Billede venligst udlånt af Onshape).

de fleste almindelige CAD-systemer tilbyder en blanding af både parametriske og direkte værktøjer, selvom disse værktøjers evne kan variere.

“Onshape er en parametrisk modeler, men den har en smule direkte modellering bygget over toppen af det,” forklarede Bruce Bartlett, en Onshape-bruger. “Det er direkte modellering, men det er stadig parametrisk. Nogle gange ville jeg ønske, at det bare kunne være en ren direkte model, og vi kunne bare flytte ansigter rundt uden nogen historie.”

hvad Bartlett henviser til er, at selvom disse værktøjer fungerer som direkte redigeringsværktøjer, skaber de stadig funktioner i historietræet. Da ægte direkte modellering er historiefri, er denne tilgang kun kvasi-direkte. Ligesom Onshape tilbyder vi også direkte redigeringsværktøjer, der kan være praktiske for brugerne til bestemte opgaver, men i sidste ende efterlader funktioner i historietræet og opretholder de potentielle problemer med parametrisk design.

eksempel på direkte redigering. Bemærk, at funktionen ” ekstruder 1 “(øverst) er blevet erstattet af en ny funktion” Direct-Edit 1 ” (nederst). (Billede venligst udlånt af ).

andre CAD-programmer implementerer hybridværktøjerne på forskellige måder. Autodesk ‘ s Fusion 360 giver for eksempel brugere mulighed for at operere i enten parametrisk eller direkte modelleringstilstand. I direkte tilstand registreres din designhistorik slet ikke. Brugere kan også konvertere enhver funktion til en direkte modelleringsfunktion, mens resten af det parametriske historietræ er intakt.

i Fusion 360 kan brugerne skifte mellem parametrisk og direkte Modelleringstilstand. (Billede venligst udlånt af Autodesk).

Siemens tager en anden tilgang, som den kalder synkron teknologi, i sit CAD-program. Synkron teknologi hævder at unikt gifte sig med det bedste af parametriske og direkte modelleringsfunktioner i et enkelt miljø.

“med synkron teknologi kan jeg enten flytte ansigter for hånd, eller Jeg kan flytte ansigter ved at redigere dimensioner,” forklarede Staples. “Og vi har den unikke teknologi til at finde ud af alt dette og bevare al den designhensigt, mens vi gør det, men uden bagage fra et historietræ eller nogen beregning.”

Staples mener, at synkron teknologi går et skridt videre end de andre CAD-programmers hybridblanding af værktøjer og undgår nogle problemer, der kan opstå i systemer, der implementerer direkte modellering som en funktion i historietræet.

“tænk på en simpel sag, en blok med et hul i den. Hullet er en halv tomme i diameter. Du har modelleret på dette i fem år, og det har 1.000 funktioner, og i slutningen vil din chef ændre den halve tommer diameter til 0,4 tommer. Og du tænker ‘okay, jeg skal bare direkte redigere dette’, som tilføjer en 1.001 st-funktion. Dette er en tilsidesættelse, der ændrer hullet til 0,4 tommer.

” det ser ud til, at du har løst dit problem. Men hvad du virkelig har gjort er tilføjet kompleksitet til historie træet og ugyldiggjort design hensigt. Nu når nogen kommer tilbage til den del et år senere, skal de redigere den første funktion i træet, og det vil beregne igen og blive overskrevet senere i træet. Så denne forestilling om at tilføje flere funktioner til træet løser noget problem… det løser et meget kortsigtet problem, men tilføjer mange flere problemer til din ingeniørproces længere nede på linjen.”

mens nogle CAD-brugere muligvis har forbehold over påstandene om synkron teknologi, synger de, der bruger den, praktisk talt dens ros. Betyder det, at spørgsmålet om parametrisk vs direkte modellering er meget, og synkron teknologi er vejen frem? Det afhænger af, hvem du spørger.

“der er ingen modellering produkt tilgang optimal for alle situationer. Værktøjer, der er overgeneraliserede og forsøger at løse for mange brugssager i et værktøjssæt, har tendens til at være svære at bruge og overkomplicerede,” sagde Onshape ‘ s Dave Corcoran.

nogle Solid Edge-brugere har rapporteret vanskeligheder med at bruge synkron teknologi i visse scenarier, som kompleks overflademodellering, en begrænsning, som Staples indrømmer. “Hvis du laver meget æstetisk tiltalende dele, der kræver meget overfladebaseret design, er synkron ikke velegnet til det i sin nuværende tilstand,” sagde han.

man kan også undre sig over, hvorfor hvis synkron teknologi er så gavnlig som dens fortalere hævder, er det ikke et mere udbredt paradigme. Staples mener, at årsagen er, at Siemens er lige så langt foran den teknologiske kurve, i vid udstrækning på grund af dets ejerskab af Parasolid kerne og D-Cubed begrænsning løse SDK. Men måske er der en enklere grund, som han opsummerede pænt: “ingeniører er ikke mennesker, der kan lide at ændre sig meget.”Historiebaseret parametrisk modellering er stadig det dominerende paradigme i CAD-verdenen, og på trods af dens ulemper fungerer det fint.

” på dette tidspunkt i historien arbejder SOLIDVÆRKER for 98 procent eller bedre af, hvad nogen laver derude,” sagde han.

efterhånden som nye generationer af ingeniører kommer ind i CAD-modelleringens verden, vil de gamle historiebaserede metoder måske give plads til noget mere som synkron teknologi, og sondringen mellem parametrisk og direkte modellering er muligvis ikke længere relevant.

“jeg tror med tiden, at linjen bliver sløret, og det vil bare være forskellige sider af værktøjskassen,” sagde han .

i mellemtiden er her en ikke-udtømmende liste over nogle af de mest fremtrædende CAD-programmer og hvilket designparadigme de overholder:

*alle disse platforme inkluderer også nogle aspekter af direkte modellering.