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1、第五节 特征造型以几何学为基础的三维实体造型，只较详细地描述了物体的几何信息和相互之间的拓扑关系，而这些信息缺乏明显的工程含义，即从中提取和识别工程信息是相当困难的。工程技术人员在产品设计、制造过程中，不仅关心产品的结构形状，公称尺寸，而且还关心其尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、材料性能和技术要求等一系列对实现产品功能极为重要的非几何信息，这些非几何信息也是加工该零件所需信息的有机组成部分。然而在实体造型的数据结构中却难于像几何信息、拓扑信息那样，有效而充分地描述非几何信息。这样就会影响计算机辅助工艺规程设计 (CAPP) 和计算机辅助制造 (CAM) 系统直接使用 CAD 系统生成的产品信息
2、，造成这些后续系统需重新输入产品设计信息，无法实现 CAD/CAM 的集成。由于几何造型系统存在一定的局限性，近几年来，人们开始研究一种新的造型方法，它面向整个产品设计过程和生产制造过程，不仅包含了与生产有关的信息，而且还能描述这些信息之间的关系，这就是特征造型。特征是指描述产品信息的集合，也是设计或制造零、部件的基本几何体。纯几何的实体与曲面是比较抽象的，将特征的概念引入几何造型系统的目的是增加实体几何的工程意义。常用的特征信息主要包括： 形状特征：与公称几何相关的概念； 精度特征：可接受公称形状和大小的偏移量； 技术特征：性能参数； 材料特征：材料、热处理和条件等； 装配特征：零件相关方向
3、、相互作用面和配合关系。其中形状特征按几何形状的构造特点可分为：通道、凹陷、凸起、过渡、面域、变形；按特征在设计中所起的作用又可把形状特征分为五类： 基本类：零件的主要形状（主特征）； 附加类：形状局部修正特征（辅特征 ）； 交特征类：基本特征和附加特征相交的性质； 总体形状类：整个零件的属性； 宏类：基本类的复合。与传统的几何造型方法相比，特征造型具有如下特点： 特征造型着眼于更好地表达产品完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息服务。它的目的是：用计算机可以理解和处理的统一产品模型替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备的各个环节可以并
4、行展开。 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，像螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样容易修改。设计人员可以将更多的精力用在创造性构思上。 有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各个部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开发新一代基于统一产品信息模型的 CAD/CAPP/CAM 集成系统创造条件。传统的线框造型、曲面造型和实体造型方法只给出了构成几何体的数据，从中无法得知其特征信息，但可以从造型中提取有关的特征。目
5、前有两种提取方法：一种是直接使用特征进行设计；另一种是从现有的几何模型提供的数据中提取特征。一、特征的定义特征 (Feature)这一术语最早出现在 1978 年美国 MIT 的 Gossard 教授指导的一篇学术论文“CAD 中基于特征的零件表示”，此后关于特征技术的研究便迅速开展起来。1988 年公布的 STEP 标准草案将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使之得到普及应用。虽然特征的概念提出较早，但目前对于特征还没有一个严格的形式化定义。比较公认的提法是：特征是一种综合概念，它是实体信息的载体，这种信息是与设计、制造过程有关的，并具有工程意义。实际中从不同的应用角度可以形成具体的特
6、征定义。例如：从形体造型角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素；从设计角度看，特征又分为设计特征、分析特征、管理特征等；从加工角度看，特征被定义为与加工操作和工具有关的零部件形式及技术特征。从特征形成的顺序及所起作用来看，它又分为主特征与辅助特征。特征是设计或制造零、部件的基本几何体的定义，是以 CSG 和 B_Rep 表示为基础的，它也源于产品的模块化设计思想。特征是几何体，是由面、环、边、点、中心线和中心点等几何要素组成的。特征是参数化的几何体。通过改变特征的尺寸，可以用有限的特征构造出无限的零、部件形状，且具有一定的工程语义。特征与制造是相辅相成的。由于加工工艺的改进，一些新的基
7、本几何体可以被定义为特征。又由于零件需要有新的特征来满足结构功能上的要求，这将促进加工工艺的改进与提高。特征必须具有可加工性，组成零件的特征必须与某种加工方法对应，否则零件的设计毫无意义。同样特征也必须具有可设计性，如果特征的形状不能构造，则无法将设计意图转达给 CAPP 和 CAM，这也是毫无意义的。几何造型系统应当满足特征的这种可设计性和可加工性。特征是发展的，将不断有新的特征出现，又不断有旧的特征被淘汰，所以特征具有可扩充性。但是某一时期，应当有一系列特征是相对稳定的。只有这样才能在设计与制造之间形成一个稳定的共同语言。这类特征可以称之为标准特征，它与标准零件类似。二、特征的分类特征的分
8、类与特征的定义有密切的关系，不同的特征定义有不同的特征分类方法。就其分类原理来说，特征的分类主要有三类：按几何形状分类，按设计功能分类，按制造方法分类。(1) 通道：与已存在形状特征在两端处相交的被减体；(2) 凹陷：与已存在形状特征交于一端的被减体；(3) 凸台：与己存在的形状特征交于一端的附加体；(4) 过渡：相交部分的平滑过渡区域倒角、圆角；(5) 面域：定义在已存在形状面上的二维要素；(6) 变形：变形操作，如折弯、延拓等。针对旋转类零件把特征分为内部特征和外部特征。内部特征包括：孔、锥孔、倒角、内螺纹、槽、圆角、圆孤过渡；外部特征包括：圆柱、圆锥、倒角、外螺纹、槽、圆角、圆弧过渡。针
9、对产品设计与加工信息对特征进行分类的结果如图51所示。 见插页（孙家广P193）图51 产品特征分类示意图三、特征造型系统的构成体系具有特征造型的 CAD 系统，其构成体系是以实体造型为基础，建立各种特征库。设计产品时，从各种特征库中提取特征来描述产品，构造产品的信息数据库以形成产品实体。特征造型的种类分为形状特征模型、精度特征模型、材料特征模型、管理特征模型等。(1) 形状特征模型 形状特征模型主要包括几何信息、拓扑信息。与实体造型有所不同，它将形状特征定义为具有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的形状实体，它对应零件上的一个或多个功能要素，能够用固定的加工方法和工艺条件加工成形。例如对于两个
10、孔，如果一个为小径孔，可以通过一次加工而成(钻孔), 而另一个为大直径孔，需多次加工而成(车、镗等), 则这两种孔就要用不同的形状特征来描述。(2) 精度特征模型 表面粗糙度、精度等级等。(3) 材料特征模型 此特征用来表达零件有关材料方面的信息，包括材料的种类、性能、热处理要求等。(4) 装配特征模型 它描述零部件有关装配的信息，如配合信息、装配定位信息、配合公差。(5) 管理特征模型 它包括与零部件管理有关的信息，如标题栏内的信息，各种技术要求信息等。当然，在所有的特征模型中，以形状特征模型为主要的特征，它是其它特征模型的基础。四、特征造型的方法特征造型实现方法大致可分为：交互式特征定义、
11、特征自动识别、基于特征的设计及特征转换与特征映射。(1) 交互式特征定义 它是早期的一种特征定义方式，其过程是：先利用实体造型系统形成实体模型，然后再进入特征定义系统，通过交互式操作在已有的实体模型上定义特征信息。特点：简单，但效率低；体的几何信息与特征信息没有必然的联系，任一信息发生变化都必须改变其相应的信息内容。(2) 特征自动识别 它是将设计的实体几何模型与系统内部的预定义特征库中的特征进行自动比较，从中找出与之匹配特征的具体类型，并选择确定特征的具体参数，以形成实体的特征造型。特点：它实现了真正的特征造型，实现了实体造型中的特征信息与几何信息相统一；但该系统是对已存在的实体造型进行特征
12、的识别与提取，是一种“事后”再定义实体特征，而不是伴随着实体在形成过程中的“实时”特征体现。(3) 基于特征的设计 该方法是直接应用系统内部预定义的特征库对产品进行特征造型。具体地说，设计者可直接从系统的特征库中提取特征并付之各种参数，形成模型的基本特征单元(也称特征的实例化)；一个个基本特征单元的不断“堆积”(即特征的布尔运算), 最终形成了零件模型的设计与定义。特点：基于特征的设计系统是应用最广的 CAD 系统，它为用户提供了符合实际工程设计过程的设计概念和方法。（4）特征转换与特征映射特征作为某一特定领域信息的载体，在不同的应用领域之间必然存在着一种转换的问题。从特征的研究可以看出，作为
13、特定应用领域信息载体的特征，其定义取决于它的应用范围。特征在不同的生产领域有着不同的含义。在产品的整个生命周期范围内，特征可以从一个应用领域映射到另一个应用领域。根据特征的概念性定义，在并行工程环境下特征可以分为以下几种：1）设计特征域：是用于描述有关设计方面的特征信息，包括零件的形状特征、精度特征、材料特征、技术特征和管理特征等五类。设计特征是多域特征映射的基础，其它应用域所需信息都是首先从设计特征信息转换而来。2）用户需求特征域：是指用户对产品的性能要求的信息，包括产品外形美观效果（几何信息），性能指标（功率、寿命等等）。3）分析特征域：指对产品力学性能、动态性能和可制造性等进行分析所需要
14、的信息。比如：有限元分析的网络自动划分就需要零件的几何信息和拓扑信息；系统仿真就需要零件的几何约束关系等等。4）制造工艺特征域：指与成组技术和工艺信息(如公差、材料、表面粗糙度和工艺处理等)所参考的特征相关联的形状要素及其在工程意义上所反映出的语义关系。比如，由零件的几何信息和尺寸公差信息及材料来选择刀具的类型、切削用量和走刀次数等，由技术条件和表面粗糙度及硬度确定热处理工艺等等。5）制造特征域：指相关于工件加工制造的信息，是通过某个金属切削模式来生成工件的部分形状和精度的区域。换句话说，就是在加工的前后关系中具有一些制造意义的区域。比如，孔、槽、台阶、型腔及相关联的尺寸和方向等信息是制造所要
15、求的，它们可通过推理和匹配直接进行选择加工方法。6）装配特征域：是指零件装配所需要的装配类型、装配方向、装配次序和配合关系等信息。比如，零件或零件单元的层次联接结构和联接类型（焊接、紧固、螺纹联接）特征可用于匹配选择装配方法和使用工具。7）成本特征域：用于分析和计算零件从设计到制造、装配、包装、材料、销售等的过程中成本信息。8）质量特征域：分析产品的质量特征信息，包括产品的可靠性、寿命等。另外，还有夹具、模具特征域等。特征映射主要研究特征从某一个应用领域到另一个应用领域的转换的方法。不同应用领域间的特征映射关系实质上反映的是特征的分解、特征的识别和特征的转换关系。设计领域是其他应用领域的起点，因而特征映射所研究的内容主要是：设计特征到其他应用领域特征之间的转换方法，比如从设计特征到制造特征，或从设计特征到装配特征等的映射转换。映射的数学定义：设A和B是两个非空集，若存在一个对应规律，使得对于每一个，有唯一与之对应，则称为从A到B的映射(或算子)，记作 （5-1）或者， （5-2）y称为x在映射下的象，记作(x)或x。集A称为映射的定义域，记作。集称为映射的值域，记作。若，则称
