Estrategias de modelado para crear modelos 3D de calidad en sistemas CAD asociativos paramétricos

Abstract

Modern industrial companies operate in environments characterized by fierce competition and demand for shorter development cycles and customizable products. In this context, concurrent and iterative product design and development processes (PDD) are the norm, where designers continuously refine and modify the product or system under development. 3D CAD systems are crucial tools in the PDD process, as they improve productivity, facilitate complex part design, and reduce time to market. 3D models are critical in Model-Based Enterprise (MBE) environments, in which the digital representation of the product is used as a vehicle to manage, communicate, and share design information. In the MBE, robustness, flexibility, and responsiveness to geometric variations are paramount, as the digital model drives all downstream engineering activities. To this end, the parametric solid modeling paradigm enables 3D models to be easily edited and reused by automatically adjusting the geometry to meet specific design requirements. Parametric solid modeling is commonly employed, as this paradigm enables 3D models to be easily edited and reused by automatically adjusting the geometry to meet specific design requirements. The ability of a 3D model to successfully react to changes, however, depends on the modeling operations used, the skill and experience of the designer, the parent-child dependencies, and the desired geometric changes. A formal 3D modeling methodology focused on model flexibility and reusability is thus critical for reducing design time and utilizing the full capabilities of associative parametric CAD in MBE environments. Various formal modeling methodologies have been proposed in the literature to maximize model reusability. However, these methodologies have focused exclusively on manual design changes and their effect on automated design modifications remains unknown. Study of automated modifications merits greater attention, as these have a significant impact on PDD activities such as optimization, simulation and configuration. Therefore, the main objective of this doctoral research is to propose and validate 3D modeling strategies to maximize model quality in terms of reusability in associative parametric CAD systems. To this end, a review of the state of the art was first carried out to identify research opportunities. The scope of the review comprised: (i) the mechanics of parametric associative CAD and the limitations in industrial applications, (ii) formal modeling methodologies that attempt to address industrial issues, (iii) the relationship between reusability and model quality, and iv) metrics to evaluate model performance. Next, the behavior of three well-established parametric modeling methodologies (Horizontal Modeling Methodology, Explicit Reference Modeling Methodology, and Resilient Modeling Strategy) was analyzed from the perspective of automated geometric variations. For this purpose, four parts of differing levels of complexity were modeled according to the guidelines of each formal methodology. The most likely changes of each of the models were studied, resulting in quantitative evaluations of 900 to 3,800 scenarios per part. The robustness and design intent of the models were determined by analyzing the number of scenarios that were correctly regenerated. The main finding of this analysis is that Explicit Reference and Resilient perform similarly in terms of model robustness to design changes for simple models. However, in the case of more complex models, the principles of Explicit Reference modeling are easier to apply than those of Resilient. In addition, the models created using Explicit References are more robust and maintain the design intent in a greater number of cases. The analysis also shows that the manner in which the fundamentals of the formal modeling methodologies are interpreted (i.e., the selection of features, the determination of constraints and associations, and the ordering of the design tree), often result in multiple modeling paths. This means that the level of definition and interpretation of the methodologies leads to an intrinsic volatility that significantly influences their effectiveness, and therefore, the quality of the parametric model. From the methodologies studied, the Explicit Reference methodology has proven to be particularly effective in design scenarios involving complex geometry. However, the high volatility of this methodology can cause different interpretations in certain design situations. This leads to drastically different modeling alternatives, some of which may be ineffective and hinder reuse. For this reason, we analyzed the Explicit Reference methodology through the lens of CAD quality and identified key aspects in the fundamentals of the methodology that can lead to poor performance. In the final stage of this research, we proposed two modeling strategies that improve the application of the Explicit Reference methodology. The strategies were validated in an empirical study, in which 96 modeling paths for the same industrial part were analyzed. Five aspects of modeling fundamentals were considered: the internal structure of functional geometries, subtractions, combination operations, replication features, and localized modifications. The results demonstrate a significant improvement over other possible combinations to create the same model, achieving 40% faster model regenerations, maintaining 100% design intent and robustness, and improving editability by 38%. The main conclusions drawn from this study are: i) the Horizontal methodology does not obtain models of sufficient quality for automated environments, ii) the Resilient methodology is effective for simple models and those that require manual changes, and iii) Explicit Reference yields the best performance for automated scenarios, more complex models, and shorter regeneration times. This body of work makes the following contributions:  - A process to evaluate the quality of parametric models in the face of geometric variations is proposed (QCAD).  - Metrics to evaluate the performance of the different modeling routes are defined.  - Two modeling strategies that improve the performance of the Explicit Reference modeling methodology are proposed and validated: (i) maximizing robustness and flexibility, and (ii) reducing model regeneration time.

Industria-enpresa modernoek jarduten duten testuingurua, produktuen garapen-ziklo laburragoaz eta produktu pertsonalizagarrien eskariaz ezaugarritzen da. Horren aurrean, Produktuak Diseinatzeko eta Garatzeko (PDG) prozesu konkurrenteak eta iteratiboak sortu dira diseinatzaileek etengabe hobetu eta aldatu behar dutelarik garatzen ari diren diseinua. Horretarako, Ordenagailuz Lagundutako Diseinu sistemak (ingelesez Computer-Aided Design, CAD) funtsezko tresnak dira PDG prozesuan, produktibitatea hobetzen, pieza konplexuak diseinatzen eta merkaturatze-denbora murrizten duten 3D eredu parametrikoak sortzen baitituzte. Solidoen modelatze parametrikoen zentzua, 3D ereduak editatu eta berrerabiltzea ahalbidetzea baita, eredu birtualak etengabe aldatuz eskakizun espezifikoak betetzeko. Testuinguru horretan sortu da Model-Based Enterprise (MBE) enpresa, non 3Dtako irudikapen digitala diseinuaren informazioa kudeatzeko, komunikatzeko eta partekatzeko tresna gisa erabiltzen den. Ingurune honetan, modeloen sendotasuna, malgutasuna eta aldakuntza geometrikoei erantzuteko gaitasuna faktore kritikoak dira. Hala ere, 3D ereduak aldaketa geometrikoetara egokitzeko momentuan, modu arrakastatsuan lortzea honako faktoreek baldintzatzen dute: erabilitako modelatze-prozesuak, diseinatzailearen trebetasuna eta esperientzia, feature gurasoen eta feature seme-alaben arteko menpekotasunak eta egin nahi diren aldaketa geometrikoen nolakotasunak. Banakako ikuspegi horrek eragin negatiboa du ondorengo ingeniaritza-jardueretan, eredu asko ezin baitira erraz editatu. Horregatik, modeloen malgutasunean eta berrerabileran oinarritutako 3Dan modelatzeko metodologia formal bat funtsezkoa da diseinu-denbora murrizteko eta CAD parametriko asoziatiboaren potentzial osoa erabiltzeko MBE inguruneetan. Literaturan modelatze-metodologia formalak proposatu dira, ereduen berrerabilera maximizatzeko aurrez aipatutako zailtasunei aurre eginez. Hala ere, modelatze-metodologia formalak eskuzko diseinu-aldaketetan oinarritu dira, eta ez dakigu zer eragin duten modelatze-metodologia formalek diseinu aldaketa automatizatuen aurrean. Aldaketa automatizatuen azterketak arreta handiagoa merezi du, eragin nabarmena baitute PDG-en jardueretan, hala nola, optimizazioan, simulazioan eta konfiguradoreetan. Horregatik, doktorego-tesi honen helburu nagusia 3D modelatzeko estrategiak proposatzea eta balioztatzea da CAD sistema parametriko asoziatiboetan berrerabilgarritasunerako kalitatezko 3D ereduak lortzeko. Horretarako, lehenik eta behin, ikerketa-aukerak identifikatzeko, egungo egoera berrikustesi da, honako gaietan murgilduz: i) software asoziatibo parametrikoen modelatze-mekanika eta industrian dituzten mugak; ii) problematikari heldu asmoz sortutako modelatze-metodologia formalak; iii) berrerabilgarritasunaren eta ereduen kalitatearen arteko erlazioa; iv) ereduen errendimendua ebaluatzeko metrikak. Jarraian, ondo ezarritako modelatze parametrikoko hiru metodologiaren portaera aztertzen da (Horizontal Modeling Methodology, Explicit Reference Modeling Methodology eta Resilient Modeling Strategy) aldaketa geometriko automatizatuen aurrean. Horretarako, konplexutasun-maila ezberdinetako 4 pieza modelatzen dira SolidWorks-en, metodologia formal bakoitzaren oinarriei jarraiki. SolidWorks-en Design Studies aldagailu geometrikoaren bidez, modelo bakoitzaren aldaketa posibleenak aztertzen dira, pieza bakoitzean 900 eta 3800 agertoki bitartean aztertuz. Aldagailu geometrikoaren bidez ereduen sendotasuna aztertzen da (zenbat agertokitan behar bezala birsortzen den) eta eskuz egiaztatzen da diseinu asmoari eusten zaion. Horrela, eredu bakoitzaren errendimendua neurtzeko balio kuantitatiboak lortzen dira aldaketa geometriko automatizatuen aurrean. Azterlan honen emaitza nagusia da Explicit Reference eta Resilient eredu sinpleentzat antzeko errendimenduak dituztela diseinu-aldaketen aurrean ereduak duen sendotasunari dagokionez. Baina eredu konplexuagoen aurrean, Explicit Reference-en oinarriak errazagoak dira aplikatzeko Resilient-enak baino. Gainera, Explicit Reference bidez sortutako ereduak sendoagoak dira eta kasu gehiagotan mantentzen dute diseinuaren asmoa. Halaber, modelatze-metodologia formalen oinarriak nola interpretatzen diren kontuan hartuta (feature-ak hautatzea, murrizketak eta elkarketak zehaztea, diseinu-zuhaitza antolatzeaz gain), hainbat modelatze-ibilbide sortzen dira, metodologia formalen oinarriak betetzen dituztenak. Horrek esan nahi du metodologiek berezko aldakortasuna dutela beren definizio-mailaren eta interpretazio-aukeren arabera, eta horrek eragin nabarmena duela haien eraginkortasunean eta, beraz, eredu parametrikoaren kalitatean. Aztertutako metodologien artean, Explicit Reference metodologiak erakutsi du bereziki eraginkorra dela geometria konplexuko diseinu-agertokietan. Hala ere, diseinuaren garapenaren arabera egoera jakin batzuetan metodologiaren interpretazio desberdinak gerta daitezke, oso aldakorra delako. Horren ondorioz, modelatze-aukera oso desberdinak daude, eta horietako batzuk ez dira eraginkorrak eta berrerabiltzea zaildu dezakete. Horregatik, Explicit Reference metodologia sakonean aztertu da CAD kalitatearen ikuspegitik, errendimendu eskasa ekar dezaketen alderdiak identifikatuz bere oinarrietan. Explicit Reference metodologiaren aldakortasunaren gakoak kontuan hartuta, Explicit Reference metodologiaren aplikazioa hobetzen duten bi modelatze-estrategia proposatu eta balioztatu dira. Estrategia horien balioztatzea azterketa enpiriko baten bidez egin da, non pieza industrial bererako 96 modelatze-ibilbide aztertu ziren. Modelatze-oinarrien bost alderdi hartu ziren kontuan: geometria funtzionalen barne-egitura, substrakzioak, konbinazioak, erreplikazioak eta feature lokalizatuak. Azterketari esker, hobekuntza nabarmena lortu da eredu bera sortzeko egin daitezkeen gainerako konbinazioekin alderatuta, ereduak % 40 azkarrago birsortzea lortuz, diseinu-asmoari eta sendotasunari % 100ean eutsiz eta editagarritasuna % 38-an handituz. Azterlan honen ondorio nagusiak honako hauek dira: i) Horizontal Metodologiak ez du lortzen ingurune automatizatuetarako behar besteko kalitate-eredurik; ii) Resilient metodologia eraginkorra da eredu errazetarako eta eskuzko aldaketak eskatzen dituztenetarako; eta iii) Explicit Reference-ek aurkezten ditu emaitzarik hoberenak agertoki automatizatuetarako, eredu konplexuagoetarako eta birsortze denbora laburragoetarako. Doktorego-tesi hau gauzatzerakoan honako ekarpen hauek egin dira:  Aldaketa geometrikoen aurrean eredu parametrikoen kalitatea ebaluatzeko QCAD prozesua proposatu.  Modelatze-ibilbideen errendimendua ebaluatzeko metrikak definitu.  Modelatzeko bi estrategia proposatu eta balioztatu dira Explicit Reference modelatze-metodologiaren errendimendua hobetzeko. Hala, sendotasuna eta malgutasuna maximizatzea lortzen da, eta, horrez gain, ereduen birsorkuntza-denbora murrizten da.

Las empresas industriales modernas operan en un contexto caracterizado por la demanda de ciclos de desarrollo más cortos de producto y productos personalizables. Esto ha dado lugar a procesos de diseño y desarrollo de productos (DDP) concurrentes e iterativos que requieren que la personas diseñadoras perfeccionen y modifiquen continuamente el diseño en desarrollo. Para ello, los sistemas de Diseño Asistido por Ordenador (en inglés Computer-Aided Design, CAD) son herramientas cruciales en el proceso DDP, ya que crean modelos 3D paramétricos que mejoran la productividad, permiten diseñar piezas complejas y reducen el tiempo de comercialización. Adoptando el paradigma del modelado paramétrico de sólidos, los modelos 3D pueden editarse y reutilizarse modificando continuamente los modelos virtuales para satisfacer requisitos específicos. De este contexto ha surgido la empresa Model-Based Enterprise (MBE), en la que la representación digital 3D se utiliza como vehículo para gestionar, comunicar y compartir la información de diseño. En este entorno, la solidez, la flexibilidad y la capacidad de respuesta a las variaciones geométricas son factores críticos. Sin embargo, el éxito de un modelo 3D a la hora de adaptarse a los cambios depende de las operaciones de modelado utilizadas, la habilidad y experiencia de la persona diseñadora, las dependencias padre-hijo y los cambios geométricos deseados. Este enfoque individualizado afecta negativamente a las actividades de ingeniería posteriores, ya que muchos modelos no son fácilmente editables. Por lo tanto, una metodología formal de modelado 3D centrada en la flexibilidad y reutilización de modelos es fundamental para reducir el tiempo de diseño y utilizar todo el potencial del CAD paramétrico asociativo en entornos MBE. En la literatura se han propuesto metodologías de modelado formal para maximizar la reutilización de los modelos. No obstante, las metodologías formales de modelado se han centrado en los cambios de diseño manuales y se desconoce el efecto de las mismas ante modificaciones de diseño automatizadas. El estudio de las modificaciones automatizadas merece una mayor atención, ya que tienen un impacto significativo en actividades de DDP como la optimización, la simulación y la configuración. Así, el objetivo principal de esta tesis doctoral es proponer y validar estrategias de modelado 3D para la obtención de modelos de calidad en términos de reusabilidad en sistemas CAD paramétricos asociativos. Para lograr el objetivo principal, en primer lugar, con el fin de identificar oportunidades de investigación se realiza una revisión del estado del arte en cuanto a: i) la mecánica de modelado de los softwares asociativos paramétricos con historial y sus limitaciones en la aplicación industrial, ii) las metodologías formales de modelado que tratan de abordar la problemática industrial, iii) la relación entre la reusabilidad y la calidad de los modelos y, iv) las métricas para evaluar el rendimiento de los modelos. Posteriormente, se analiza el comportamiento de tres metodologías de modelado paramétrico bien establecidas (Horizontal Modeling Methodology, Explicit Reference Modeling Methodology y Resilient Modeling Strategy) ante variaciones geométricas automatizadas. Para ello, se modelan 4 piezas de diferentes niveles de complejidad en SolidWorks siguiendo los fundamentos de cada metodología formal. Mediante el variador geométrico Design Studies de SolidWorks se analizan los cambios más probables de cada uno de los modelos analizando entre 900 y 3.800 escenarios en cada pieza. Mediante el variador geométrico se analiza la robustez de los modelos (en cuántos escenarios se regenera correctamente) y manualmente se verifica si se mantiene la intención de diseño. Así, se obtienen valores cuantitativos del rendimiento de cada modelo ante variaciones geométricas automatizadas. El resultado principal de este estudio es que para modelos sencillos Explicit Reference y Resilient presentan rendimientos parecidos en cuanto a la robustez del modelo ante los cambios de diseño. Pero ante modelos más complejos, los fundamentos de Explicit Reference son más sencillos de aplicar que los de Resilient. Además, los modelos creados mediante Explicit Reference son más robustos y mantienen en más casos la intención de diseño. Asimismo, se identifica que según como se interpretan los fundamentos de las metodologías formales de modelado (seleccionar features, determinar restricciones y asociaciones, además de ordenar el árbol de diseño) se crean diferentes rutas de modelado que cumplen con los fundamentos de las metodologías formales. Esto significa que las metodologías tienen una volatilidad intrínseca según su nivel de definición y posibilidades de interpretación que influye significativamente en su eficacia y, por tanto, en la calidad del modelo paramétrico. Entre las metodologías estudiadas, la metodología Explicit Reference ha demostrado ser especialmente eficaz en escenarios de diseño que implican una geometría compleja. Sin embargo, en determinadas situaciones de diseño pueden darse diferentes interpretaciones de la metodología debido a su gran volatilidad. Esto conduce a alternativas de modelado drásticamente diferentes, algunas de las cuales pueden resultar ineficaces y dificultar la reutilización. Es, por ello, que se ha analizado la metodología Explicit Reference a través de la lente de la calidad CAD e identificamos aspectos clave en los fundamentos de la misma que pueden dar lugar a un rendimiento deficiente. Considerando las claves de la volatilidad de la metodología Explicit Reference se propone y validan dos estrategias de modelado que mejoran la aplicación de la metodología Explicit Reference. Estas estrategias se han validado mediante un estudio empírico en el que se analizaron 96 rutas de modelado para una misma pieza industrial. Se consideraron cinco aspectos de los fundamentos de modelado: la estructura interna de las geometrías funcionales, las sustracciones, las operaciones de combinación, las características de replicación y las modificaciones localizadas. Gracias al estudio, se demuestra una notable mejora comparando con la las demás posibles combinaciones para crear un mismo modelo. Logrando regeneraciones de los modelos de un 40% más agiles, mantener la intención de diseño y robustez al 100% y un 38% más de facilidad en la editabilidad. Las principales conclusiones de este estudio son: i) la metodología Horizontal no obtiene modelos de calidad suficiente para entornos automatizados, ii) la metodología Resilient es eficaz para modelos sencillos y aquellos que requieren cambios manuales, y iii) Explicit Reference presenta el mejor rendimiento para escenarios automatizados, modelos más complejos y tiempos de regeneración más cortos. Como resultado de esta tesis doctoral se obtienen las siguientes aportaciones:  Se propone un proceso de evaluación de la calidad de los modelos paramétricos ante variaciones geométricas, denominado QCAD.  Se definen métricas para evaluar el rendimiento de las distintas rutas de modelado.  Se proponen y validan dos estrategias de modelado que mejoran el rendimiento de la metodología de modelado Explicit Reference. Logrando maximizar la robustez y flexibilidad además de reducir el tiempo de regeneración de los modelos.