第四章特征造型

第四章特征造型第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三第四章特征造型4.1特征定義4.2特征分類4.3基于特征的零件信息模型4.4特征造型系統(tǒng)實現(xiàn)模式4.5特征造型的關(guān)鍵技術(shù)4.6特征技術(shù)的發(fā)展第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三簡介特征造型是近二十年來發(fā)展起來的一種新的造型方法，它是CAD第三次技術(shù)（參數(shù)化技術(shù)）革命的里程碑。特征(Feature)一詞的出現(xiàn)，最早是在一九七八年MIT的GossardD.C.所指導(dǎo)的SoltesJ.W的學(xué)士論文“AFeature-BasedRepresentationofPartsforCAD”中。第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4.1特征定義從加工角度看，特征被定義為加工操作和工具有關(guān)的零部件形式以及技術(shù)特征；從形體建模角度看，特征是一組具有特定關(guān)系的幾何或拓撲元素；從設(shè)計角度看，特征又分為設(shè)計、分析和設(shè)計評價等。第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三實例設(shè)計特征第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三實例分析特征第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三實例工藝規(guī)程設(shè)計特征第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三實例數(shù)控加工特征第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征定義特征的認識不同，至今尚無統(tǒng)一的特征定義，Shah指出一個特征所至少需要滿足以下幾個條件中的一個：零件的物理組成部分；可以映射到某一個具體的形狀；有工程意義；有可以預(yù)知的屬性。第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三一些組織機構(gòu)對特征的定義

第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征定義通用定義：特征就是任何已被接受的某一個對象的幾何、功能元素和屬性，通過它們我們可以很好地理解該對象的功能、行為和操作。更為嚴格的定義也被使用：特征就是一個包含工程含義或意義的幾何原型外形。特征在此已不是普通的體素，而是一種封裝了各種屬性（attribute）和功能（function）的對象。第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征的作用在CAD系統(tǒng)引入“特征”后，能夠起到以下三方面的作用：①表示設(shè)計意圖；②簡化傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)中繁瑣的造型過程；③從高層次上對具體的幾何元素如點、線、面進行封裝。第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4.2特征分類

從產(chǎn)品整個生命周期來看，可分為：設(shè)計特征、分析特征、加工特征、公差及檢測特征、裝配特征等；(STEP產(chǎn)品模型)從產(chǎn)品功能上，可分為：形狀特征、精度特征、技術(shù)特征、材料特征、裝配特征；從復(fù)雜程度上講，可分為：基本特征、組合特征、復(fù)合特征。第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征分類從工程應(yīng)用的角度

1．形狀特征(FormFeature)2．裝配特征(AssemblyFeature)3．精度特征(PrecisionFeature)4．材料特征(MaterialFeature)5．分析特征(AnalysisFeature)6．補充特征(AdditionalFeature)第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三1．形狀特征形狀特征用于描述某個有一定工程意義的幾何形狀信息，是產(chǎn)品信息模型中最主要的特征信息之一。它是其他非幾何信息如精度特征、材料特征等的載體。非幾何信息作為屬性或約束附加在形狀特征的組成要素上。形狀特征又分為主特征和輔特征。主特征用于構(gòu)造零件的主體形狀結(jié)構(gòu)；輔特征則用于對主特征的局部進行修飾，它依附在主特征之上。輔特征又有正負之分，正特征向零件加材料，用來描述如凸臺、筋板等形狀實體；負特征向零件減材料，用來描述孔、槽之類的形狀。在輔特征中還包括修飾特征，用來表示印記和螺紋等。第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三2．裝配特征裝配特征用于表達零件的裝配關(guān)系，以及在裝配過程中所需的信息，包括位置關(guān)系、公差配合、功能關(guān)系、動力學(xué)關(guān)系等，有時也包括在裝配過程中生成的形狀特征，如配鉆等。第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三3．精度特征精度特征用于描述幾何形狀和尺寸的許可變動量或誤差，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。精度特征又可細分為形狀公差特征、位置公差特征、表面粗糙度等。第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4．材料特征材料特征用于描述材料的類型、性能和熱處理等信息，如強度和延展性等力學(xué)特性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等物理化學(xué)特性、以及材料熱處理方式與條件(如整體熱處理、表面熱處理等)。第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三5．分析特征分析特征用于表達零件在性能分析時所使用的信息，如有限元網(wǎng)格劃分、梁特征和板特征等。也稱技術(shù)特征。第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三6．補充特征補充特征用于表達一些與上述特征無關(guān)的產(chǎn)品信息，如用于描述零件設(shè)計的GT(成組技術(shù))碼等管理信息的特征，也可稱之為管理特征。第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三一般把形狀特征與裝配特征叫做造型特征，因為它們是實際構(gòu)造出產(chǎn)品外形的特征。其他的特征稱為面向過程的特征，因為它們并不實際參與產(chǎn)品幾何形狀的構(gòu)造，而屬于那些與生產(chǎn)環(huán)境有關(guān)的特征。第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征分類圖

第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4.3基于特征的零件信息模型

第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4.4特征造型系統(tǒng)實現(xiàn)模式

(1)特征交互定義(2)特征自動識別(3)基于特征的設(shè)計第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征創(chuàng)建方法第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征交互定義早期的造型系統(tǒng)。設(shè)計人員先用造型系統(tǒng)完成幾何造型，然后再進入特征定義系統(tǒng)，通過交互式的定義操作將特征信息附加到已有的幾何模型之上。這種方法實現(xiàn)簡單。有很多缺陷：①交互操作繁瑣，效率低；②特征信息與幾何模型無必然聯(lián)系，零件形狀發(fā)生改變，定義在其上的特征需重新定義。第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征自動識別設(shè)計人員首先進行幾何設(shè)計，然后通過一個特定領(lǐng)域的特征自動識別系統(tǒng)從幾何模型中識別或抽取特征。部分解決了實體造型系統(tǒng)與系統(tǒng)間信息交換的不匹配問題，提高了設(shè)計的自動化程度。有一定的局限性：①對簡單形狀特征的識別比較有效，當產(chǎn)品比較復(fù)雜時，特征識別就顯得很困難，甚至無效；②特征識別使形狀特征在形狀上得到了一定程度的表達，但形狀特征之間的關(guān)系仍無表達。第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三基于特征的設(shè)計目前特征造型系統(tǒng)最高實現(xiàn)方式。在這種方式下，系統(tǒng)采用具有特定應(yīng)用含義的特征，為用戶提供更高層次的符合實際工程設(shè)計過程的設(shè)計概念和方法，因而使設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量大大提高。此外，在設(shè)計過程中還可方便地進行設(shè)計特征的合法性檢查、特征相關(guān)性檢查，并可組織更復(fù)雜的特征。第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三基于特征的設(shè)計特征的描述

?幾何形狀的表示；

?相關(guān)的處理機制；

?特征高層語意信息。面向?qū)ο蟮奶卣鞅硎咎卣鳂耸綢D特征類型Brep特征引用FDG參數(shù)與約束CBG特征操作第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三基于特征的產(chǎn)品描述

第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三基于特征的參數(shù)化設(shè)計產(chǎn)品的描述是形狀特征的集合，產(chǎn)品的描述包含特征構(gòu)成的描述和參數(shù)化變量的描述。約束通?？煞譃閹缀渭s束和工程約束兩大類。幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束(也稱拓撲約束)和尺寸約束。第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三基于特征的參數(shù)化造型結(jié)構(gòu)第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4.5特征造型的關(guān)鍵技術(shù)幾何表達/顯示布爾操作幾何約束求解特征編碼第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三幾何約束求解數(shù)值代數(shù)方法；符號代數(shù)方法；推理方法；圖論方法；第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三特征編碼技術(shù)特征編碼技術(shù)（基礎(chǔ)）：從AutoCAD二維造型，到ACIS實體造型核心，沒有進行特征編碼會出現(xiàn)的問題。指針的直接引用是不能夠解決這個問題的，因為指針的直接引用畢竟是暫態(tài)的，因此是不穩(wěn)定和不可靠的。特征編碼思路：基于Brep表示法，體——面——線——點，研究拓撲實體的命名規(guī)則，以確保零件在重構(gòu)時，被引用的拓撲實體能夠被識別出來。特征編碼的主要功能：拓撲實體編碼、傳播、記錄和解碼。第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三4.6特征技術(shù)的發(fā)展基于知識的工程(KBE)行為建模(BM)第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三KBE由于KBE技術(shù)的開放性，迄今為止，尚無一種公認、完備的定義。KBE的基本內(nèi)涵是面向工程，以提高市場競爭力為目標，通過工程產(chǎn)品知識的繼承、繁衍、集成和管理，建立工程產(chǎn)品的分布式開放設(shè)計環(huán)境，并獲得創(chuàng)新能力的工程設(shè)計方法。由此可見，KBE的特點在于：

KBE不僅是一個知識的處理過程，包含知識放繼承、繁衍、集成和管理，而且產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要使能技術(shù)。

KBE不僅能夠表示多種形式的知識，而且能夠處理多應(yīng)用領(lǐng)域的知識，因而是集成化的大規(guī)模知識處理環(huán)境。

KBE是面向工程產(chǎn)品全生命周期的系統(tǒng)集成，是一種開放的體系結(jié)構(gòu)，對不同領(lǐng)域具有不同的解決方案。第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三UG/KFUG提供了知識驅(qū)動自動化（KnowledgeDrivenAutomation）解決方案，將KBE

系統(tǒng)與CAx軟件系統(tǒng)完全集成。KDA是一個能夠記錄、重復(fù)使用工程知識并用來驅(qū)動、建立、選擇和裝配相應(yīng)的幾何模型的系統(tǒng)。這套解決方案包括UG/KF(KnowledgeFusion，知識融合)和一系列過程向?qū)?。UG中采用創(chuàng)成（Generative）和吸納機制（Adoption）將知識與CAx系統(tǒng)融合。特別是吸納機制解決了從現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品與實踐中總結(jié)和反求知識的問題。使用Adoption可以為一個已存在的UG對象建立規(guī)則，使這個UG對象與規(guī)則相關(guān)。因為用KF語言建立復(fù)雜造型過于繁瑣，所以可以用交互方式進行幾何建模。對象建立后，使用Adoption，系統(tǒng)自動生成相應(yīng)的規(guī)則，這個對象的參數(shù)定義為規(guī)則的屬性。規(guī)則通過屬性來控制對象。

第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三CATIAV5知識工程Knowledgeware在CATIAV5知識工程Knowledgeware包含以下7個分模塊。1.KnowledgeAdvisor：知識顧問

提供了捕捉工程知識作為嵌入特征、客戶化重構(gòu)、參數(shù)利用、公式利用、規(guī)則利用、強力拷貝、定義關(guān)系以及反應(yīng)特征等功能。2.KnowledgeExpert：知識專家

提供了檢測規(guī)則、規(guī)則導(dǎo)入、全局分析檢測、客戶化檢測報表、專家語言系統(tǒng)、規(guī)則編輯器、超限特征高亮以及對象條件庫等功能。3.ProductEngineering

Optimizer：產(chǎn)品工程優(yōu)化器提供了定義優(yōu)化過程、定義幾何約束、最值尋優(yōu)、實驗方法設(shè)計、實驗工具設(shè)計、生成優(yōu)化報表以及利用關(guān)系定義參數(shù)變化范圍等功能。4.ProductKnowledgeTemplate

產(chǎn)品知識模板提供了設(shè)計數(shù)據(jù)表格化分類、用戶特征定義目錄、特征搜尋、零件設(shè)計模板、裝配設(shè)計模板、創(chuàng)成式腳本語言以及交互式設(shè)計模板等功能。5.BusinessProcessKnowledge

Template：業(yè)務(wù)流程知識模板提供了工作環(huán)境創(chuàng)建、技術(shù)目標創(chuàng)建、行為創(chuàng)建、行為綜合、行為鏈接、問題檢測工具、創(chuàng)成式零件設(shè)計表格以及技術(shù)條件特征添加等功能。6.ProductFunction

Optimization：產(chǎn)品功能優(yōu)化提供了精確描述產(chǎn)品功能系統(tǒng)、可視化產(chǎn)品功能系統(tǒng)、產(chǎn)品功能系統(tǒng)識別、產(chǎn)品功能系統(tǒng)簡化、產(chǎn)品解決方案以及輸入輸出技術(shù)優(yōu)化文件等功能。7.ProductFunctionalDefinition

產(chǎn)品功能定義提供了創(chuàng)建