面向CADCAPP集成的特征造型技術研究

1、面向CAD/CAPP集成的特征造型技術研究     特征技術是當前研究的熱點，雖然對特征的定義眾說紛紜，但對特征的性質(zhì)和作用的提法是基本一致的，并且，特征技術是實現(xiàn)并行工程最有希望的途徑這一點已成共識。并行工程要求設計人員從一設計開始就要同步考慮產(chǎn)品生命周期(從概念形成到產(chǎn)品報廢)中的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度與用戶需求等。如果沒有一個支持并行工程的產(chǎn)品模型，并行工程是難以進行的。目前，產(chǎn)品信息建模的方法大多采用基于特征的方法，許多商用CAD系統(tǒng)是基于特征造型的系統(tǒng)，但這些特征造型系統(tǒng)存在以下缺點：(1)產(chǎn)品信息關聯(lián)性差，系統(tǒng)主要提供點、線、面的幾何

2、和拓撲信息，有的系統(tǒng)雖然有粗糙度和尺寸公差等信息，但這些信息在數(shù)據(jù)庫中與幾何體或形狀特征之間缺乏必要的聯(lián)系；(2)產(chǎn)品信息不全，產(chǎn)品數(shù)據(jù)中缺乏制造、裝配和評價等后續(xù)過程的相關信息，產(chǎn)品數(shù)據(jù)應包括產(chǎn)品生命周期的全部信息；(3)特征定義的一致性差，導致特征識別的難度大；(4)特征設計操作繁瑣，設計效率低。由于CAD是設計后續(xù)過程(如工藝設計、制造和裝配等)的信息源，同時還需接受后續(xù)過程的評價反饋信息，若CAD系統(tǒng)所提供的信息不完整，其后續(xù)過程的CAPP、CAM等就很難獲取所需的加工工藝信息，更難以實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的集成1。因此，特征造型技術有待于進一步研究，使CAD系統(tǒng)能為后續(xù)過程提供

3、更完備的信息，實現(xiàn)CAD與后續(xù)過程的信息集成和并行運行。    1特征造型的基本形式    1.1特征造型基本概念特征造型能提供產(chǎn)品定義的高層描述，使產(chǎn)品設計在更高層次上進行，設計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能要素，直接體現(xiàn)了設計意圖，使建立的產(chǎn)品模型容易為非設計人員理解并便于組織生產(chǎn)，設計圖樣更容易修改，有助于加強產(chǎn)品設計、分析、工藝準備、加工檢驗等各部門之間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品設計意圖貫徹到后續(xù)過程，并及時得到反饋意見。特征造型必然要面向產(chǎn)品并行設計，并且作為并行設計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的核心模塊2。一個理想的特征造

4、型系統(tǒng)應具有如下功能：(1)方便設計過程系統(tǒng)應該是交互式的，具有定義特征類屬描述，并將其存入特征庫：系統(tǒng)必須提供幾何和拓撲的參數(shù)化機理，所定義的約束必須能保證特征的有效性。(2)為產(chǎn)品并行設計提供集成化產(chǎn)品信息模型并行設計的理論和應用確定了產(chǎn)品模型的核心地位，人們希望在產(chǎn)品生命周期各應用領域之間有一種共同的語言作為信息交換與共享的理論與方法基礎。這就要求能對產(chǎn)品模型進行不同層次的多級抽象，建立完備的產(chǎn)品信息模型。(3)支持產(chǎn)品設計過程特征造型系統(tǒng)除了能支持傳統(tǒng)的設計過程，如：參數(shù)設計、變量設計和基于知識的設計等，還能實現(xiàn)產(chǎn)品設計的新方法，如：面向制造的設計(DFM)、面向裝配的設計(DFA)等

5、。    1.2特征造型方法特征造型是以特征庫中的特征或用戶定義特征的實例為基本單元，建立產(chǎn)品特征模型，從而完成產(chǎn)品設計。特征造型的基本方法如下。(1)利用特征描述樹法該方法主要依據(jù)零件基本形狀特征及其相互關系來實現(xiàn)從基本形狀到復雜形狀的轉(zhuǎn)換。零件特征關系樹特征關系樹是由特征體素及其聯(lián)系構(gòu)成的，提供了物體形狀的總體描述。它將物體分解成低級元素，這種分解有利于公差的表達，并給產(chǎn)品模型增加了一定程度的智能，給用戶提供了符合人們思維形式的高級環(huán)境?；拘螤畹綇碗s形狀的轉(zhuǎn)換設計時利用特征庫中的特征及特征操作庫中的增加、修改、刪除等操作產(chǎn)生和編輯設計形體，同時自動產(chǎn)生零件的

6、基本表示。但特征庫中的特征是有限的，很難表達所有可能的各種形狀體素。因此系統(tǒng)允許用戶按照一定的規(guī)則自定義特征，并加入到特征庫中。由于特征與產(chǎn)品模型、引用聯(lián)系以及抽象水平有關，因此必須產(chǎn)生一種特征轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)庫中提取各應用環(huán)境所需要的信息，送給有關活動進行設計，利用特征描述樹能將設計得到的基本表示轉(zhuǎn)換成各應用系統(tǒng)所需的表示，從而實現(xiàn)產(chǎn)品信息交換與共享。(2)特征基本模型到應用模型的映射通過特征造型可以直接用能反映設計意圖的高級語言來表達產(chǎn)品模型，從而將設計意圖轉(zhuǎn)換到低級幾何中表達?；谔卣鞯脑O計完成后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫不僅包含幾何與拓撲信息，而且還包含產(chǎn)品總體信息、結(jié)構(gòu)信息和尺寸公差信息。由于不同

7、應用活動對產(chǎn)品特征信息的需求不同，需要用特征映射技術，按一定的映射關系進行面向應用的特征信息轉(zhuǎn)換。通過特征信息建模和特征映射功能相結(jié)合，可提供良好的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達和轉(zhuǎn)換機制，使CAD/CAPP集成及并行設計的實現(xiàn)成為現(xiàn)實。(3)基于特征設計的產(chǎn)品建模方法由于加工環(huán)境、生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品相似性程度不同，基于特征設計的建模方法有以下兩種：面向制造的設計(DFM)和面向裝配的設計(DFA)。DFM就是同時進行產(chǎn)品設計和工藝方案設計，這樣在設計階段就充分考慮加工要求；DFA是采用公差分析法，根據(jù)“成本公差”曲線來優(yōu)化裝配公差，以裝配為目標來指導零件設計以期獲得最佳裝配效果。特征設計反映了設計與制造的集成化策

8、略，它從一開始就把特征融合到產(chǎn)品模型中，并試圖提供更豐富的產(chǎn)品信息，與后續(xù)過程實現(xiàn)信息共享與集成。    2特征造型的系統(tǒng)與實現(xiàn)方法本文提出的特征造型系統(tǒng)機構(gòu)，綜合應用了面向制造的特征設計和特征識別技術。系統(tǒng)中的特征識別技術可以充分運用現(xiàn)有資源，采用交互式特征識別法和基于規(guī)則的自動特征識別法相結(jié)合的方法，從現(xiàn)有的三維實體造型系統(tǒng)中抽取特征信息，與輸入的公差等工藝信息一起組成基于特征的信息模型，存入STEP文件中。面向制造的特征設計可以同時進行產(chǎn)品設計和加工工藝方案設計，能在設計階段捕捉到除了零件幾何拓撲以外的設計和制造意圖的高層描述，最終形成零件特征模型，并通過特

9、征處理的驗證和再組織，存入STEP文件中。以AutoCAD13作為零件特征建模的支撐環(huán)境，構(gòu)造出零件的三維實體模型，用Visual C二次開發(fā)出特征造型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該系統(tǒng)由特征定義、特征操作與運算、特征信息設定、用戶定義特征庫、特征設計、特征處理、特征識別和STEP文件組成。圖1面向CAD/CAPP集成的特征造型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖(1)特征定義模塊主要定義用戶特征的尺寸和參考信息，產(chǎn)生用戶定義特征庫。(2)特征操作與運算模塊主要完成特征的各種拼合與布爾運算，并對特征的拓撲和屬性進行一致性檢驗。(3)特征信息設定模塊主要設定特征的尺寸公差、粗糙度、幾何精度等信息，可對特征增加功能、材料、

10、硬度、熱處理、設計者、設計時間等特征信息。(4)用戶定義特征庫模塊主要是根據(jù)用戶對零件的分類，分析每一類零件的特點，從而抽取一組特征，這組特征就構(gòu)成該類零件族的特征庫。(5)特征設計模塊主要基于用戶定義特征庫進行特征設計。(6)特征處理模塊主要對零件特征模型進行驗證、替換、修改，重新生成零件特征模型。(7)特征識別模塊可對零件總體信息、每個特征的信息、尺寸、幾何公差、粗糙度等進行識別，為CAD的后續(xù)過程提供豐富的源信息。(8)STEP文件模塊利用STEP將各種幾何模式轉(zhuǎn)換成一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達模式，實現(xiàn)CAD/CAPP集成。在汽車后橋圓錐齒輪的特征造型系統(tǒng)中，通過分析設計要求，確定零件基體、形狀

11、特征、裝卡定位方案、特征加工途徑，分析零件加工方法，利用Auto CAD13的實體造型模塊，構(gòu)造該零件的各類設計特征，并向基本形狀加、減特征，展開設計過程。在加、減特征時，首先從特征庫中選擇形狀特征，指定特征的定形尺寸及公差；然后指定特征的定位基準和定位尺寸與公差；最后執(zhí)行布爾運算與操作，生成零件特征模型。用戶只要通過系統(tǒng)的輸入界面(下拉式菜單或?qū)υ捒?，選擇所需的設計特征并輸入相關的特征數(shù)據(jù)，系統(tǒng)便能根據(jù)用戶要求交互地進行尺寸修改、基準變換等特征編輯操作。例如，用戶需要修改圓錐齒輪的節(jié)錐角，只需選擇編輯菜單，這時系統(tǒng)彈出節(jié)錐角的值，重新輸入值，系統(tǒng)便根據(jù)修改后的值，自動識別其特征類型并驅(qū)動相關應用程序，將與節(jié)錐角相關的尺寸(節(jié)圓直徑df、節(jié)錐母線長度Lf等)作相應修改，并按修改內(nèi)容生成新的圓錐齒輪模型。特征的編輯與修改過程，采用了自動特征識別法，其中簡單特征(如：階梯軸、倒角、鍵槽等)采用基于規(guī)則的自動特征識別法提取，而復雜特征(弧齒厚、節(jié)錐角等)采用人機交互式特征識別法提取。    3結(jié)論本文對特征造型技術的基本形式進行了深入的分析，提出了特征造型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)