Vad är skillnaden mellan parametrisk och direkt modellering?

Creo Parametric är efterträdaren till Pro / ENGINEER, som introducerade CAD-industrin till historikbaserad parametrisk design.(Bild med tillstånd av PTC).

en viktig milstolpe i historien om datorstödd design (CAD) kom med 1987-utgåvan av Pro/ENGINEER, nu PTC Creo, som introducerade CAD-industrin till historikbaserad parametrisk modellering. Sedan dess har det parametriska paradigmet använts i nästan alla vanliga CAD-program, inklusive SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX och Onshape. Om du har gjort någon CAD-modellering under de senaste två decennierna är chansen att du är bekant med historikbaserad parametrisk design.

i ett nötskal innebär parametrisk design ingenjörer att bygga upp en 3D-geometri bit för bit. 2D skisser förvandlas till 3D-funktioner, med begränsningar och relationer vederbörligen tillämpas för att passa designerns avsikt. Eftersom varje steg följer från föregående steg kan parametrisk design kräva noggrann planering.

trots kraften och populariteten hos parametrisk modellering har ett annat CAD-paradigm sin egen andel av förespråkare: direktmodellering. I direktmodellering är geometri kung. Användare behöver inte längre oroa sig för historien om sin del och kan istället agera direkt på 3D-geometrin som den är. Vissa moderna CAD-system använder direktmodellering istället för historikbaserad parametrisk modellering, medan andra ger en blandning av parametriska och direkta verktyg.

för att bättre förstå skillnaderna mellan parametrisk och direktmodellering, vilka användningsfall de kan vara bäst för och hur de kan fortsätta att utvecklas, pratade vi med erfarna CAD-användare och industrins insiders för deras syn på de två paradigmerna.

parametrisk modellering

parametrisk design börjar med en skiss (vänster) och lägger till funktioner (som revolve, middle) för att bygga upp den slutliga designen (höger). (Modell från Onshape tutorial skapad av författare).

Låt oss först och främst klargöra den terminologi vi använder. Designparadigmet som är banbrytande av Pro / ENGINEER kallas kanske mest ”historikbaserad”, eftersom det är modellens linjära steg-för-steg-natur som verkligen skiljer den från direktmodellering, som också kan kallas ” historikfri.”

”Historikbaserad CAD-programvara bygger på att användaren bygger en enskild del med en serie funktioner”, skrev Veteran CAD-användare Matt Lombard i en e-bok om Siemens CAD-programvara Solid Edge. ”Programvaran kommer ihåg funktionerna i ordning, och modellen måste lösa dessa funktioner för att perfekt vid varje steg för att gå vidare. Du kan tänka på den här metoden för modellbyggnad som ett datorprogram. Du ger datorns instruktioner för varje steg, och det utför dessa steg för varje gång modellen måste byggas om.”

ändå kallas historikbaserad modellering ofta som ”parametrisk”, och så behandlar vi de två termerna som liknande. Tänk bara på denna varning från Lombard: ”människor har ofta den felaktiga tanken att endast historikbaserad programvara är parametrisk. Parametrisk innebär att modellen drivs av parametrar, som kan inkludera dimensioner, mönsterinstanser, väggtjocklekar, håldiametrar och djup, och så vidare.”

Lombards analogi av ett datorprogram är en apt för parametrisk modellering. Precis som när man skriver ett program, ju mer en ingenjör tänker framåt om vad som försöker uppnås, desto bättre blir slutresultatet. Även om en modell, som ett program, kan sättas ihop i farten, kan det vara slarvigt och svårt för andra ingenjörer att redigera.

Roland Schwarz, en annan erfaren CAD-användare, påpekade att detta faktum av parametrisk modellering kan vara ett dubbelkantigt svärd.

” om du arbetar med någon som är riktigt bra på parametrics och strukturerar sitt projekt på ett bra, genomtänkt och strikt sätt, är det fantastiskt, ” sa Schwarz. ”Men du kan ha någon som bara kommer in där och hackar och ändrar och har saker kopierade på fel ställen, och det finns inte ett logiskt system för det. Det är då det blir rörigt, och jag vill bara börja om från början med en export och import.”(Exportera och importera modellen tar bort sin funktionshistorik och förvandlar den till vad som kallas en ”dum geometri”, som bara är geometrin utan designintention).

de bästa parametriska CAD-designarna är så skickliga på att strukturera sina projekt att de ibland kan identifieras bara genom att titta på en av sina modeller, som om de lämnade digitala fingeravtryck på historieträdet. Även om slutmodellen är exakt densamma finns det många sätt att komma dit—och vissa är definitivt bättre än andra.

” och min väg är bäst”, skämtade Schwarz. ”Det är vad varje bra CAD-Modellerare kommer att säga.”

parametrisk modellering är extremt användbar för produkter som drivs av dimensioner—tänk standard office biljettpris som skrivbord och hyllor eller verktyg som kan variera i storlek. Med det parametriska tillvägagångssättet kan ingenjörer snabbt och enkelt skapa olika konfigurationer av sina konstruktioner.

men varifrån de inte så rigorösa modellerarna bor, har sprickor börjat dyka upp i det parametriska modelleringsparadigmet.

”ibland tror jag att du kan fastna i historien”, säger Bruce Bartlett, en annan CAD-veteran. ”Så mycket som historien ger Dig möjlighet att förändra saker snabbt, är nackdelen om du inte förstår hur den är byggd eller om du har någon som bygger saker som blir lite utom kontroll, kan du spendera mer tid på att vada genom historieträdet än att bara ta tag i några ansikten och flytta dem.”

en annan svaghet i parametrisk modellering är att när antalet funktioner ökar, så gör beräkningen som krävs för att uppdatera din modell.

” om du har en del med 1000 funktioner i historikträdet, när du redigerar den sista funktionen i det trädet går det väldigt snabbt”, förklarade Dan Staples, Siemens PLM vice president of mainstream engineering. ”Men när du redigerar den första funktionen i det trädet kan det ta mycket lång tid eftersom det måste beräkna alla 1000 däremellan innan det kommer till 1001 st-funktionen.”

med sin balans mellan styrkor och svagheter, är parametrisk modellering det bästa alternativet där ute för CAD-design? Staples tror inte det.

”begreppet att redigera en dimension för att uppnå ett mycket förutsägbart resultat som respekterar designerns avsikt är i sig värdefullt”, sa han. ”Implementeringen känd som historikbaserad design, gjord av Pro/ENGINEER tillbaka 1987 och kopierad av praktiskt taget alla andra nu under de senaste 25 åren, är inte det mest effektiva sättet att redigera den dimensionen.”

Staples förespråkar naturligtvis Siemens synkron teknik, ett paradigm som vi kommer att diskutera senare.

direkt modellering

skärmdump av direktmodellering i Creo Direct. (Bild med tillstånd av PTC).

som namnet antyder erbjuder direct modeling designers en vad-du-ser-är-vad-du-får-metod för att bygga och redigera sina modeller.

”det verkar inte finnas något slut på experter som argumenterar över fin nyanserade definitioner och variationer av denna term, men i allmänhet är direktredigering en CAD-metod där du direkt manipulerar ansikten av modellen, snarare än indirekt redigerar funktionsdefinitioner eller skisser…hur geometrin görs spelar ingen roll och är uppriktigt sagt inte lika intressant som hur geometrin ändras”, skrev Lombard.

i direktmodellering kan designers trycka och dra på sin modell för att ändra den. En fördel med denna förmåga är den lätthet med vilken mönster kan ändras, vilket möjliggör snabb iteration och prototyper. Av den anledningen har direktmodellering hittat en nisch i industridesignvärlden, där vätskekurvor och djärv estetik spelar en stor roll.

”det finns användningsfall, såsom mycket organisk design, skulptur, konceptdesign, generativ design och de-featuring för analys, där en helt icke-parametrisk verktygssats kan vara ett utmärkt och ibland det bästa valet”, säger Dave Corcoran, Onshape medgrundare och vice president för forskning och utveckling.

dessutom kan direktmodellering utan beroenden och historia eliminera några av problemen med dålig parametrisk design.

” jag tror att det verkliga testet av en CAD-Modellerare inte är vad de kan göra, det är vad de kan ändra. Direktmodellering öppnar definitivt fältet mycket om vad de kan ändra utan att orsaka en fullständig störning,” sa Schwarz.

möjligheten att ändra en modell utan att oroa sig för att bryta den kan betyda mycket, särskilt för företag som vill utöka nyttan av sin CAD-modell. Schwarz beskrev CAD-modeller som tillgångar, och som alla andra tillgångar kräver de en investering för att säkra.

” mycket tid och pengar går till att göra en CAD-modell, och du vill skydda dem, och du vill att de ska förbli användbara. Direkt modellering kommer att skydda den investeringen, ” förklarade Schwarz.

men direkt modellering kommer med sin egen andel av nackdelar.

”de flesta historikfria system hanterar inte bra redigering av dimensioner och får ett förutsägbart resultat”, sa Staples. ”Ibland hör du folk prata om ett push-me-pull-you-system, och de ser väldigt sexiga ut, men när push kommer att skjuta i slutet av dagen vill du verkligen kunna redigera dimensioner och skapa dimensionella platser och så vidare.”

ett annat problem med direktmodellering är att för de flesta CAD-Modellerare är det helt enkelt inte vad de är vana vid. Efter många års erfarenhet av parametrisk design—och år av att vänja sig vid sina brister-kan det bara vara brist på motivation att överväga ett alternativ.

” jag tror inte att parametrisk modellering går bort när som helst snart”, sa Schwarz. ”Det finns en mycket stor befolkning av användare där ute som är väl utstakade i det och gillar det, eller åtminstone är de bekväma med det och går inte någonstans. Jag tror att direktmodellering är ett stort steg framåt. Samtidigt tror jag att det finns en kultur som måste utvecklas runt den—där den blir mer accepterad och mer förstådd om de bästa sätten att använda den—särskilt när det gäller att hantera ett modelleringsprojekt över en produkts liv eller till och med livet för dess första utveckling utan att det blir ett större problem än en lösning.”

oskärpa linjen mellan Designparadigmer

skärmdump av direktredigering i Onshape med hjälp av Move Face-verktyget. Observera hur det här verktyget skapar en funktion i historikträdet. (Bild med tillstånd av Onshape).

de flesta vanliga CAD-system erbjuder en blandning av både parametriska och direkta verktyg, även om kapaciteten hos dessa verktyg kan variera.

”Onshape är en parametrisk Modellerare, men det har lite direkt modellering byggd över toppen av det,” förklarade Bruce Bartlett, en Onshape-användare. ”Det är direkt modellering, men det är fortfarande parametriskt. Ibland önskar jag att det bara kunde vara en ren direktmodellerare, och vi kunde bara flytta ansikten utan någon historia.”

vad Bartlett hänvisar till är att även om dessa verktyg fungerar som direktredigeringsverktyg skapar de fortfarande funktioner i historikträdet. Eftersom sann direktmodellering är historiefri, är detta tillvägagångssätt bara kvasi-direkt. Liksom Onshape erbjuder SOLIDWORKS också direktredigeringsverktyg som kan vara praktiska för användare för vissa uppgifter, men lämnar i slutändan funktioner i historikträdet och bibehåller de potentiella problemen med parametrisk design.

exempel på direkt redigering i SOLIDWORKS. Observera att funktionen” Extrude 1 ”(överst) har ersatts av en ny funktion” Direct-Edit 1 ” (längst ner). (Bild med tillstånd av SOLIDWORKS).

andra CAD-program implementerar hybridverktygen på olika sätt. Autodesks Fusion 360 tillåter till exempel användare att arbeta i antingen parametrisk eller direktmodelleringsläge. I direktläge kommer din designhistorik inte att spelas in alls. Användare kan också konvertera alla funktioner till en direktmodelleringsfunktion medan resten av det parametriska historikträdet är intakt.

i Fusion 360 kan användare växla mellan parametrisk och Direktmodelleringsläge. (Bild med tillstånd av Autodesk).

Siemens tar ett annat tillvägagångssätt, som det kallar synkron teknik, i sin NX och Solid Edge CAD-programvara. Synkron teknik påstår sig unikt gifta sig med det bästa av parametriska och direkta modelleringsfunktioner i en enda miljö.

” med synkron teknik kan jag antingen flytta ansikten för hand eller jag kan flytta ansikten genom att redigera dimensioner”, förklarade Staples. ”Och vi har den unika tekniken för att räkna ut allt detta och bevara all den designintentionen medan vi gör det, men utan bagage av ett historikträd eller någon recompute.”

Staples anser att synkron teknik går ett steg längre än de andra CAD-program hybrid blandning av verktyg, kringgå vissa problem som kan uppstå i system som implementerar direkt modellering som en funktion i historien trädet.

” Tänk på ett enkelt fall, ett block med ett hål i det. Hålet är en halv tum i diameter. Du har modellerat på detta i fem år, och det har 1000 funktioner, och i slutet vill din chef ändra den halva tumdiametern till 0,4 tum. Och du tror ’Okej, Jag ska bara direkt redigera detta’, vilket lägger till en 1001 st-funktion. Detta är en åsidosättning som ändrar hålet till 0,4 tum.

” det verkar som om du har löst ditt problem. Men vad du verkligen har gjort läggs till komplexitet i historikträdet och ogiltigförklarade designintentionen. Nu när någon kommer tillbaka till den delen ett år senare, kommer de att redigera den första funktionen i trädet, och det kommer att omberäkna och skrivas över senare i trädet. Så den här uppfattningen att lägga till fler funktioner i trädet löser något problem … Det Löser ett mycket kortsiktigt problem men lägger till många fler problem i din tekniska process längre ner på linjen.”

medan vissa CAD-användare kan ha reservationer om påståenden om synkron teknik, sjunger de som använder den praktiskt taget sina beröm. Betyder det att frågan om parametrisk vs direktmodellering är moot, och synkron teknik är vägen framåt? Det beror på vem du frågar.

” det finns ingen modelleringsprodukt som är optimal för alla situationer. Verktyg som är övergeneraliserade och försöker lösa för många användningsfall i en verktygsuppsättning tenderar att vara svåra att använda och överkomplicerade”, säger Onshape Dave Corcoran.

vissa Solid Edge-användare har rapporterat svårigheter att använda synkron teknik i vissa scenarier, som komplex ytmodellering, en begränsning som Staples medger. ”Om du gör mycket estetiskt tilltalande delar som kräver mycket ytbaserad design, är synkron inte väl lämpad för det i sitt nuvarande tillstånd”, sa han.

man kan också undra varför om synkron teknik är lika fördelaktig som dess förespråkare hävdar, är det inte ett mer utbrett paradigm. Staples tror att anledningen är att Siemens ligger precis så långt före den tekniska kurvan, till stor del på grund av sitt ägande av Parasolid-kärnan och D-Cubed-begränsningslösning SDK. Men kanske finns det en enklare anledning, som han sammanfattade snyggt: ”ingenjörer är inte människor som gillar att förändras mycket.”Historikbaserad parametrisk modellering är fortfarande det dominerande paradigmet i CAD-världen och trots dess nackdelar fungerar det bra.

”vid denna tidpunkt i historien arbetar SOLIDWORKS för 98 procent eller bättre av vad någon gör där ute,” sa Schwarz.

med tiden kommer emellertid nya generationer av ingenjörer in i CAD-modelleringsvärlden, kanske de gamla historikbaserade metoderna ger plats för något mer som synkron teknik, och skillnaden mellan parametrisk och direkt modellering kanske inte längre är relevant.

” jag tror med tiden att linjen blir suddig, och det kommer bara att vara olika sidor av verktygslådan,” sa Schwarz .

under tiden är här en icke-uttömmande lista över några av de mest framstående CAD-programmen och vilket designparadigm de följer:

*alla dessa plattformar innehåller också vissa aspekter av direktmodellering.