4CAD技术基础特征造型

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1、CAD技术基础材料学院 华铸软件 廖敦明 第四章 特征造型4.1 特征定义 4.2 特征分类 4.3 基于特征的零件信息模型 4.4 特征造型系统实现模式 4.5 特征造型的关键技术 4.6 特征技术的发展简介n特征造型是基于特征的造型方法。n特征造型是近二十年来发展起来的一种新的造型 方法，它是CAD第三次技术（参数化技术）革命 的里程碑。n特征(Feature)一词的出现，最早是在一九七八年 MIT的Gossard D.C.所指导的Soltes J.W的学士论 文“A Feature-Based Representation of Parts for CAD”中。4.1 特征定义n从加工角

2、度看，特征被定义为加工操作和工 具有关的零部件形式以及技术特征；n从形体建模角度看，特征是一组具有特定关 系的几何或拓扑元素；n从设计角度看，特征又分为设计、分析和设 计评价等。 实例n设计特征实例n分析特征实例n工艺规程设计特征实例n数控加工特征特征定义特征的认识不同，至今尚无统一的特征 定义，Shah指出一个特征所至少需要满足以 下几个条件中的一个：n零件的物理组成部分；n可以映射到某一个具体的形状；n有工程意义；n有可以预知的属性。 一些组织机构对特征的定义 特征定义n通用定义：特征就是任何已被接受的某一个对象的 几何、功能元素和属性，通过它们我们可以很好地 理解该对象的功能、行为和操作

3、。n更为严格的定义也被使用：特征就是一个包含工程 含义或意义的几何原型外形。特征在此已不是普通 的体素，而是一种封装了各种属性（attribute）和 功能（function）的对象。n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，将特征的概念引入的 目的是增加实体几何的工程意义。 特征的作用在CAD系统引入“特征”后，能够起到以下 三方面的作用：表示设计意图；简化传统CAD系统中繁琐的造型过程；从高层次上对具体的几何元素如点、线、 面进行封装。 与前一代的几何造型系统的区别n 1)过去的CAD技术从二维绘图起步、经历了三维线框、曲面和 实

4、体造型等发展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力。而特 征造型则是着眼于更好地表达完整的产品技术和生产管理信息，为 建立产品的集成信息模型服务。它的目的是通过建立面向产品制造 全过程的统一产品模型，替代传统的产品设计方法以及技术文档， 使得个工程项目或机电产品的设计和生产准备各个环节可以并行 展开，信息流畅通。n 2)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。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模 型容易为别人理解，设计的图样更容易修改，设计人员可以将更多 精力放在创造性构思上。n3)它有助于加强产

5、品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间 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 到后者的反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型的 CAD/CAPP/CAM集成系统奠定基础。4.2 特征分类 n从产品整个生命周期来看，可分为：设计特 征、分析特征、加工特征、公差及检测特征 、装配特征等； (STEP产品模型)n从产品功能上，可分为：形状特征、精度特 征、技术特征、材料特征、装配特征；n从复杂程度上讲，可分为：基本特征、组合 特征、复合特征。特征分类n从工程应用的角度1形状特征 (Form Feature) 2装配特征 (Assembly Feature) 3精度特征 (

6、Precision Feature) 4材料特征 (Material Feature) 5分析特征 (Analysis Feature) 6补充特征 (Additional Feature) 1形状特征n形状特征用于描述某个有一定工程意义的几何形状信 息，是产品信息模型中最主要的特征信息之一。它是 其他非几何信息如精度特征、材料特征等的载体。非 几何信息作为属性或约束附加在形状特征的组成要素 上。n形状特征又分为主特征和辅特征。主特征用于构造零 件的主体形状结构；辅特征则用于对主特征的局部进 行修饰，它依附在主特征之上。辅特征又有正负之分 ，正特征向零件加材料，用来描述如凸台、筋板等形 状实体

7、；负特征向零件减材料，用来描述孔、槽之类 的形状。在辅特征中还包括修饰特征，用来表示印记 和螺纹等。2装配特征n装配特征用于表达零件的装配关系，以及在 装配过程中所需的信息，包括位置关系、公 差配合、功能关系、动力学关系等，有时也 包括在装配过程中生成的形状特征，如配钻 等。3精度特征n精度特征 用于描述几何形状和尺寸的许可变 动量或误差，如尺寸公差、形位公差、表面 粗糙度等。n精度特征又可细分为形状公差特征、位置公 差特征、表面粗糙度等。 4材料特征n材料特征 用于描述材料的类型、性能和热处 理等信息，如强度和延展性等力学特性、导 热性和导电性等物理化学特性、以及材料热 处理方式与条件 (如

8、整体热处理、表面热处 理等)。 5分析特征n分析特征 用于表达零件在性能分析时所使用 的信息，如有限元网格划分、梁特征和板特 征等。n也称技术特征。 6补充特征n补充特征 用于表达一些与上述特征无关的产 品信息，如用于描述零件设计的GT (成组技 术) 码等管理信息的特征，n也可称之为管理特征。n一般把形状特征与装配特征叫做造型特征， 因为它们是实际构造出产品外形的特征。n其他的特征称为面向过程的特征，因为它们 并不实际参与产品几何形状的构造，而属于 那些与生产环境有关的特征。 特征分类图 4.3 基于特征的零件信息模型 4.4 特征造型系统实现模式 (1) 特征交互定义 (2) 特征自动识别

9、 (3) 基于特征的设计 特征创建方法特征交互定义n早期的造型系统。n设计人员先用造型系统完成几何造型，然后 再进入特征定义系统，通过交互式的定义操 作将特征信息附加到已有的几何模型之上。n这种方法实现简单。n有很多缺陷： 交互操作繁琐，效率低； 特征信息与几何模型无必然联系，零件形 状发生改变，定义在其上的特征需重新定义 。特征自动识别n设计人员首先进行几何设计，然后通过一个特定领 域的特征自动识别系统从几何模型中识别或抽取特 征。n部分解决了实体造型系统与系统间信息交换的不匹 配问题，提高了设计的自动化程度。n有一定的局限性： 对简单形状特征的识别比较有效，当产品比较复 杂时，特征识别就显

10、得很困难，甚至无效； 特征识别使形状特征在形状上得到了一定程度的 表达，但形状特征之间的关系仍无表达。基于特征的设计n目前特征造型系统最高实现方式。n在这种方式下，系统采用具有特定应用含义 的特征，为用户提供更高层次的符合实际工 程设计过程的设计概念和方法，因而使设计 效率和设计质量大大提高。n此外，在设计过程中还可方便地进行设计特 征的合法性检查、特征相关性检查，并可组 织更复杂的特征。 基于特征的设计n特征的描述 几何形状的表示；相关的处理机制；特征高层语意信息。 面向对象的特征表 示n特征标示IDn特征类型nB-repn特征引用FDGn参数与约束CBGn特征操作基于特征的产品描述 基于特

11、征的参数化设计n 产品的描述是形状特征的集合，产品的描述 包含特征构成的描述和参数化变量的描述。n约束通常可分为几何约束和工程约束两大类 。几何约束包括结构约束(也称拓扑约束)和 尺寸约束。基于特征的参数化造型结构4.5 特征造型的关键技术n几何表达/显示n布尔操作n几何约束求解n特征编码几何约束求解n数值代数方法；n符号代数方法；n推理方法；n图论方法；特征编码技术n特征编码技术（基础）：从AutoCAD二维造型，到 ACIS实体造型核心，没有进行特征编码会出现的问题 。指针的直接引用是不能够解决这个问题的，因为指 针的直接引用毕竟是暂态的，因此是不稳定和不可靠 的。 n特征编码思路：基于B

12、-rep表示法，体面线 点，研究拓扑实体的命名规则，以确保零件在重构 时，被引用的拓扑实体能够被识别出来。n特征编码的主要功能：拓扑实体编码、传播、记录和 解码。4.6 特征技术的发展n基于知识的工程(KBE, Knowledge Based Engineering)n行为建模(BM, Behavior Modeling)KBEnKBE的基本内涵是面向工程，以提高市场竞争力为目 标，通过工程产品知识的继承、繁衍、集成和管理， 建立工程产品的分布式开放设计环境，并获得创新能 力的工程设计方法。由于KBE技术的开放性，迄今为 止，尚无一种公认、完备的定义。nKBE的特点： (1) KBE不仅是一个

13、知识的处理过程，包含知识的继承、 繁衍、集成和管理，而且是产品创新设计的重要使能 技术。 (2) KBE不仅能够表示多种形式的知识，而且能够处理多 应用领域的知识，因而是集成化的大规模知识处理环 境。 (3) KBE是面向工程产品全生命周期的系统集成，是一种 开放的体系结构，对不同领域具有不同的解决方案。 UG/KFnUG提供了知识驱动自动化（Knowledge Driven Automation）解决方案，将KBE 系统与CAx软件系统完 全集成。KDA是一个能够记录、重复使用工程知识并用 来驱动、建立、选择和装配相应的几何模型的系统。这 套解决方案包括UG/KF (Knowledge Fu

14、sion，知识融合) 和一系列过程向导。nUG中采用创成（Generative）和吸纳机制（Adoption） 将知识与CAx系统融合。特别是吸纳机制解决了从现有 的成熟产品与实践中总结和反求知识的问题。使用 Adoption可以为一个已存在的UG对象建立规则，使这 个UG对象与规则相关。因为用KF语言建立复杂造型过 于繁琐，所以可以用交互方式进行几何建模。对象建立 后，使用Adoption，系统自动生成相应的规则，这个对 象的参数定义为规则的属性。规则通过属性来控制对象 。 CATIA V5知识工程Knowledgeware在CATIA V5知识工程Knowledge ware包含以下7个分

15、模块。 1.Knowledge Advisor：知识顾问提供了捕捉工程知识作为嵌入特征、客户化重构、参数利用、公式利用、规则利用、强 力拷贝、定义关系以及反应特征等功能。 2.Knowledge Expert：知识专家提供了检测规则、规则导入、全局分析检测、客户化检测报表、专家语言系统、规则编 辑器、超限特征高亮以及对象条件库等功能。 3 . Product EngineeringOptimizer：产品工程优化器提供了定义优化过程、定义几何约束、最值寻优、实验方法 设计、实验工具设计、生成优化报表以及利用关系定义参数变化范围等功能。 4.Product Knowledge Template产

16、品知识模板提供了设计数据表格化分类、用户特征定义目录、特征搜寻、零件设计模 板、装配设计模板、创成式脚本语言以及交互式设计模板等功能。 5.Business Process KnowledgeTemplate：业务流程知识模板提供了工作环境创建、技术目标创建、行为创建、行为综 合、行为链接、问题检测工具、创成式零件设计表格以及技术条件特征添加等功能。 6 . Product FunctionOptimization：产品功能优化提供了精确描述产品功能系统、可视化产品功能系统、产品 功能系统识别、产品功能系统简化、产品解决方案以及输入输出技术优化文件等功能。 7.Product Functional Definition产品功能定义提供了创建图形模板、定义行为组、创建系统、创建变量、零部件产品链 接、编辑相关功能元件、图形排列以及变量系统管理等功能。ProE行为建模（BMX）在要考虑多个设计目标时（如怎样在减小材料壁厚 的同时保持产品强度），手工求解优化值可能