工业软件：关于几何建模内核的七个通识

source: https://www.cadalyst.com/CAD软件简述 source:Wikipedi.org最初，CAD系统的软件是使用Fortran、ALGOL等计算机语言开发的，但随着面向对象编程方法的进步，这种情况发生了根本性的变化。典型的现代参数化特征建模器和自由曲面系统是围绕一些具有自己API的关键C模块构建的。CAD系统可以看作是通过图形用户界面（GUI）与NURBS几何或边界表示（B-rep）数据通过几何建模内核的交互构建而成。几何约束引擎也可以用于管理几何之间的关联关系，例如草图中的线框几何或装配件中的组件。非均匀有理基本样条（NURBS）非均匀有理基本样条（NURBS）是一种使用基本样条（B样条）的数学模型，通常在计算机图形中用于表示曲线和曲面。它提供了处理解析（由常见数学公式定义）和建模形状的极大灵活性和精度。它属于曲线建模的一种，与多边形建模或数字雕刻相对。NURBS曲线通常在计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）和工程（CAE）中广泛使用。它们是许多行业标准的一部分，如IGES、STEP、ACIS和PHIGS。用于创建和编辑NURBS曲面的工具可以在各种3D图形和动画软件包中找到。它们可以由计算机程序高效处理，同时也允许轻松的人机交互。NURBS曲面是两个参数的函数，映射到三维空间中的一个表面。表面的形状由控制点确定。以紧凑的形式，NURBS曲面可以表示简单的几何形状。对于复杂的有机形状，T-样条和细分曲面更合适，因为它们与NURBS曲面相比可以减半控制点的数量。总体而言，编辑NURBS曲线和曲面是直观且可预测的[需要引用]。控制点始终直接连接到曲线或曲面，或者就像它们被橡皮筋连接一样。根据用户界面的类型，编辑NURBS曲线和曲面可以通过它们的控制点（类似于贝塞尔曲线）或通过更高级的工具，如样条建模和分层编辑。B-rep Boundary representationBoundary representation（模型的边界表示）包括拓扑组件（面、边和顶点）及其之间的连接，以及这些组件的几何定义（分别为曲面、曲线和点）。面是曲面的有界部分；边是曲线的有界部分，而顶点位于一个点上。其他元素包括壳体（一组连接的面），环路（由边界面的边构成的回路）和环路-边链接（也称为有翼边链接或半边），用于创建边界回路。与构造实体几何（CSG）表示相比，后者仅使用基本对象和布尔运算来组合它们，边界表示更加灵活，并具有更丰富的操作集。除了布尔运算外，B-rep 还具有挤压（或横扫）、倒角、混合、草图、挖空、微调等操作，这些操作充分利用了这些功能。建构实体几何（CSG；前称计算二元实体几何）是实体建模中使用的一种技术。建构实体几何允许建模者通过使用布尔运算组合较简单的对象来创建复杂的表面或物体，从而通过组合一些基本对象可能生成视觉上复杂的物体。在3D计算机图形和CAD中，CSG常常用于过程建模。CSG也可以用于多边形网格，可能是过程化的、参数化的，也可能不是。这些关联关系的意外能力导致了一种称为数字原型的新型原型制作形式。与需要在设计中进行制造时间的物理原型相比，CAD模型可以在使用工业CT扫描机扫描物理原型后由计算机生成。根据业务的性质，可以根据特定需求最初选择数字或物理原型。如今，CAD系统适用于所有主要平台（Windows、Linux、UNIX和Mac OS X）；一些软件包支持多个平台或者部署在云上。目前，大多数CAD软件不需要特殊的硬件要求。然而，一些CAD系统可以执行图形和计算密集型任务，因此建议使用现代图形卡、高速（可能是多个）CPU和大量的RAM。人机界面通常通过计算机鼠标进行，但也可以通过笔和数位板进行。屏幕上模型视图的操作有时也可以使用Spacemouse/SpaceBall进行。一些系统还支持使用立体眼镜查看3D模型。过去仅限于较大的安装或专业应用的技术已经可供广大用户使用，包括CAVE或HMD以及运动感应技术等。CAD行业发展简史source：https://partsolutions.com自 1957 年以来的 CAD 历史，计算机辅助设计领域已经发生了 60 年的变化和发展，并将持续 60 年以上。60 年前，“CAD 之父”Patrick Hanratty 博士创建了第一个数控系统，即后来的计算机辅助设计 (CAD)。CAD 设计的精确性、多功能性和适应性彻底改变了工程、建筑和制造领域。CAD 的重要性怎么强调都不为过。虽然 CAD 的历史与计算机的历史密切相关，但在此过程中也出现了许多创新和迭代。自 1957 年推出以来，CAD 仍然领先于小型且价格实惠的计算机，使任何人都可以使用该软件。在接下来的 30 年里，铅笔和纸仍然是“绘图员”创作设计的主要方式。但基础已经为未来的事情奠定了。CAD 软件最终将成为几乎每个行业的基本工具。60 years of cad infographic the history of cad since 1957https://partsolutions.comMCAD 解决方案：工程数字化转型的五个方面将提高效率。source：www.cadalyst.com新的 IT 趋势是数字化转型，被视为下一波改进企业软件的浪潮。作为 CRM（客户关系管理）趋势的引领者，Salesforce 将数字化转型定义为“利用技术颠覆您的业务模式、重新构想您的公司形象并吸引客户”。乍一看，这些流行语似乎不适用于工程。毕竟，今天仍然有很多工程师和设计师是通过手动绘图开始他们的职业生涯的。CAD 的出现是一次相当大的转变。更深入地研究数字化转型的细节将揭示的不仅仅是“重新构想你的公司形象”这样的华丽主题。CAD 的引入只是利用 IT 改造工程的第一波浪潮。将其视为数字化，即从模拟到数字的转变。第二次浪潮是引入新的软件工具来提高流程管理效率。对于工程来说，这就是将 PDM（产品数据管理）和 PLM（产品生命周期管理）集成到工作流程中。这两种转变并没有对流程产生太大的改变，但它们只会使现有流程更加高效。第三波浪潮是数字化转型，意味着现有的分步工程流程将被更高效的运营模式所取代。以下是适用于工程的数字化转型的五个方面。无论公司有 25 名员工还是 25,000 名员工，这些趋势都将进一步提高效率。各种 DfAM（增材制造设计）工具中使用的生成设计具有三个关键组成部分：几何生成；设计评估；和自动迭代循环。图片来源nTopology。1、竞争优势使用最新的工程软件技术可以通过提高效率、质量和客户满意度为 SMB（中小型）制造公司提供竞争优势。CAD 供应商正在分享案例研究，这些案例研究表明运营效率提高、产品质量提高、客户满意度提高。每一次效率提升都很重要。利用数字解决方案成为一项战略举措，可以使工程团队与竞争对手拉开距离。设计流程得到简化。设计可以转向更快、数字优先的原型设计。上市时间缩短。2. 数据驱动的决策数字工具可以自动收集和分析数据，使企业能够做出明智的决策并优化其运营。数字工具简化了收集和分析数据的能力。这使得公司能够根据实时洞察做出决策。对于机械工程师来说，这意味着从直觉驱动方法到精确引导决策的转变。通过利用数据，工程师可以识别趋势、解决问题并优化其设计流程。数据驱动的方法不仅提高了运营效率，而且能够实现持续改进实时数据收集与 IoT（物联网）传感器相结合，可实现预测性维护。这不仅改善了客户服务，还提供了有关如何改进产品的更多见解。3.供应链整合数字化转型有利于与供应商和客户更好地整合，从而使供应链运营更加顺畅。当一家公司与供应商和客户建立无缝数字连接时，一种新形式的协作设计成为可能。材料和组件是否真正符合产品的使命？MTBF（平均故障间隔时间）估计是否正确？了解这些问题的答案具有战略价值。机器人制造生成的数据可用于分析和改进未来的产品设计。图片来源：Lenny Kuhne， Unsplash。4. 制造定制CAD 是在大规模生产成为常态时设计的。如今，公司正在寻找提供定制产品的方法。新一代 DfAM CAD 工具在用于迭代设计以进行定制时，可以成为工程工具集的颠覆性补充。这些工具甚至可以让最小的工程团队在个性化解决方案日益受到重视的环境中有效竞争。5. 可扩展性除了极少数例外，CAD 和仿真工具的成本远低于使用它们的工程师的工资。现在投资最好的工具可以更轻松地发展业务，而无需对基础设施进行重大更改。这种可扩展性意味着设计流程可以灵活地适应增加的项目规模和复杂性。团队可以根据需要更轻松地添加其他资源和功能。这种灵活性提高了成本效益，同时也使小型制造商能够利用新的机遇和市场扩张，从而在快速变化的商业环境中实现长期可持续发展。机会与挑战数字化转型显然为中小企业制造商提供了抓住新竞争优势的机会。这些企业可以利用实时洞察，从直观的设计选项过渡到数据驱动的精度。供应链整合成为关键，创建响应式生态系统并帮助中小企业应对现代供应链的复杂性。定制变得经济实惠，精确满足个别客户的需求。最后，可扩展性成为一个决定性特征，因为数字系统使中小型企业能够扩展其业务，而无需进行大量基础设施变更的限制。这里描述的数字化转型的五个支柱可以共同推动中小企业进入一个创新、适应性和战略优势融合的未来，重新定义卓越制造的格局。CAX软件企业概览（非描述精确，但覆盖面已经足够研究）source:Wikipedi.org几何建模内核source:Wikipedi.org几何建模内核是CAD系统中的一个关键组件，用于处理几何数据和进行几何操作。它提供了一组算法和数据结构，用于表示和操作几何实体，如点、线、曲线、曲面和体素。几何建模内核负责处理几何操作，如创建、编辑、变换、求交和求解几何约束等。几何建模内核通常支持多种几何表示方法，包括NURBS（非均匀有理B样条）、B样条、多边形和体素等。它还提供了各种几何操作的实现，如求交、求交集、求并集、求差集、偏移、投影、旋转、缩放和变形等。几何建模内核还负责处理几何约束，这些约束定义了几何实体之间的关系。例如，约束可以定义两个线段平行、两个曲面相切或两个点在一条直线上等。几何约束引擎可以根据这些约束自动调整几何实体的位置和形状，以保持它们之间的关联关系。常见的几何建模内核包括Open CASCADE、Parasolid、ACIS和CGAL等。这些内核提供了丰富的功能和高性能的几何操作，被广泛应用于CAD系统、计算机图形学和计算机辅助工程等领域。以下是一些几何建模引擎与公司名称：ACIS 由 Dassault Systèmes 的 Spatial Corporation 开发和授权。国内客户很多SMLib 由 Solid Modeling Solutions 开发。CGM(Convergence Geometric Modeler) 由 Dassault Systèmes 开发。Parasolid 由 Siemens 开发和授权。Romulus 是 Parasolid 的前身。亚太区日本用户最多。ShapeManager 由 Autodesk 开发，并于 2001 年从 ACIS 分叉。Granite 由 Parametric Technology Corporation 开发。C3D Modeler 由 C3D Labs 开发，是 ASCON Group 的一部分。CGAL 是一个开源的计算几何算法库，支持多面体的布尔运算，但不支持扫描、旋转或 NURBS。Open CASCADE 是一个开源的建模内核。国内使用最多。sgCore 是一个免费专有建模内核，以 SDK 的形式分发。K3 kernel 由 Center GeoS 开发。SOLIDS++ 由 IntegrityWare, Inc. 开发。APM Engine 由 RSDC APM 开发。KCM 由 Kubotek Kosmos 开发和授权。SvLis Geometric Kernel 成为开源并停产，仅适用于 Windows。IRIT modeling environment，仅适用于 Windows。GTS （GNU Triangulated Surface Library），仅适用于多边形网格，不适用于曲面。Geometry Kernel，一个多平台 C++ 库，其源代码可供客户端访问，由 RDF - Geometry Kernel 网站开发和分发。Solve Space 应用程序拥有自己的集成参数化实体几何内核，对 NURBS 的支持有限。几何建模引擎只是CAX的一个核心零件一个产业越成熟的标识就是产品性价比很高，产品化程度很高，产品稳定可靠，分工细致，产业链成熟。工业软件也是如此，就和汽车行业很像。在软件的Copyright声明中或者在安装安装目录下查看dll文件的copyrights属性信息，我们可以清晰的看到产业链信息。created by 易赋created by 易赋同样，在应用层模块也有这丰富的产业链，以下以CAD为例。CAX软件的架构图示意图：created by 易赋来源：全球工业软件产业发展资讯