第四章 特征造型.ppt

1、CAD/CAM基礎,華中科技大學 材料學院 王義林,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)實現模式 4.5 特征造型的關鍵技術 4.6 特征技術的發(fā)展,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（參數化技術）革命的里程碑。 特征(Feature)一詞的出現，最早是在一九七八年MIT的Gossard D.C.所指導的Soltes J.W的學士論文“A Feature-Based Representation of Parts for CAD”中。,4.1 特征定義,從加工角度看，特征被定義為加工操

2、作和工具有關的零部件形式以及技術特征； 從形體建模角度看，特征是一組具有特定關系的幾何或拓撲元素； 從設計角度看，特征又分為設計、分析和設計評價等。,實例,設計特征,實例,分析特征,實例,工藝規(guī)程設計特征,實例,數控加工特征,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； 有可以預知的屬性。,一些組織機構對特征的定義,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：

3、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。,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： 表示設計意圖； 簡化傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)中繁瑣的造型過程； 從高層次上對具體的幾何元素如點、線、面進行封裝。,4.2 特征分類,從產品整個生命周期來看，可分為：設計特征、分析特征、加工特征、公差及檢測特征、裝配特征等； (STEP產品模型) 從產品功能上，可分為：形狀特征、精度特征、技術特征、材料特征、裝配特征； 從復雜程度上講，可分為：基本特征、組合特征、復合特征。,特征分類,從工

4、程應用的角度 1形狀特征 (Form Feature) 2裝配特征 (Assembly Feature) 3精度特征 (Precision Feature) 4材料特征 (Material Feature) 5分析特征 (Analysis Feature) 6補充特征 (Additional Feature),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。主特征用于構造零件的主體形狀結構；輔特征則用于對主特征的

5、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。,2裝配特征,裝配特征用于表達零件的裝配關系，以及在裝配過程中所需的信息，包括位置關系、公差配合、功能關系、動力學關系等，有時也包括在裝配過程中生成的形狀特征，如配鉆等。,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。,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

6、強度和延展性等力學特性、導熱性和導電性等物理化學特性、以及材料熱處理方式與條件 (如整體熱處理、表面熱處理等)。,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，如有限元網格劃分、梁特征和板特征等。 也稱技術特征。,6補充特征,補充特征 用于表達一些與上述特征無關的產品信息，如用于描述零件設計的GT (成組技術) 碼等管理信息的特征， 也可稱之為管理特征。,一般把形狀特征與裝配特征叫做造型特征，因為它們是實際構造出產品外形的特征。 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品幾何形狀的構造，而屬于那些與生產環(huán)境有關的特征。,特征分類圖,4.3 基于特征的零件信息模型,4.

7、4 特征造型系統(tǒng)實現模式,(1) 特征交互定義 (2) 特征自動識別 (3) 基于特征的設計,特征創(chuàng)建方法,特征交互定義,早期的造型系統(tǒng)。 設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。 這種方法實現簡單。 有很多缺陷： 交互操作繁瑣，效率低； 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。,特征自動識別,設計人員首先進行幾何設計，然后通過一個特定領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，提高了設計的自動化程度。 有一定的局限性： 對簡

8、單形狀特征的識別比較有效，當產品比較復雜時，特征識別就顯得很困難，甚至無效； 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系仍無表達。,基于特征的設計,目前特征造型系統(tǒng)最高實現方式。 在這種方式下，系統(tǒng)采用具有特定應用含義的特征，為用戶提供更高層次的符合實際工程設計過程的設計概念和方法，因而使設計效率和設計質量大大提高。 此外，在設計過程中還可方便地進行設計特征的合法性檢查、特征相關性檢查，并可組織更復雜的特征。,基于特征的設計,特征的描述 幾何形狀的表示； 相關的處理機制； 特征高層語意信息。,面向對象的特征表示 特征標示ID 特征類型 Brep 特征引用FDG 參數與

9、約束CBG 特征操作,基于特征的產品描述,基于特征的參數化設計,產品的描述是形狀特征的集合，產品的描述包含特征構成的描述和參數化變量的描述。 約束通常可分為幾何約束和工程約束兩大類。幾何約束包括結構約束(也稱拓撲約束)和尺寸約束。,基于特征的參數化造型結構,4.5 特征造型的關鍵技術,幾何表達/顯示 布爾操作 幾何約束求解 特征編碼,幾何約束求解,數值代數方法； 符號代數方法； 推理方法； 圖論方法；,特征編碼技術,特征編碼技術（基礎）：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

10、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。,4.6 特征技術的發(fā)展,基于知識的工程(KBE) 行為建模(BM),KBE,由于KBE技術的開放性，迄今為止，尚無一種公認、完備的定義。KBE的基本內涵是面向工程，以提高市場競爭力為目標，通過工程產品知識的繼承、繁衍、集成和管理，建立工程產品的分布式開放設計環(huán)境，并獲得創(chuàng)新能力的工程設計方法。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，而且產品創(chuàng)新設計

11、的重要使能技術。 KBE不僅能夠表示多種形式的知識，而且能夠處理多應用領域的知識，因而是集成化的大規(guī)模知識處理環(huán)境。 KBE是面向工程產品全生命周期的系統(tǒng)集成，是一種開放的體系結構，對不同領域具有不同的解決方案。,UG/KF,UG提供了知識驅動自動化（Knowledge Driven Automation）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、重復使用工程知識并用來驅動、建立、選擇和裝配相應的幾何模型的系統(tǒng)。這套解決方案包括UG/KF (Knowledge Fusion，知識融合) 和一系列過程向導。 UG中采用創(chuàng)成（Generative）和吸納機制（Adop

12、tion）將知識與CAx系統(tǒng)融合。特別是吸納機制解決了從現有的成熟產品與實踐中總結和反求知識的問題。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。因為用KF語言建立復雜造型過于繁瑣，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)自動生成相應的規(guī)則，這個對象的參數定義為規(guī)則的屬性。規(guī)則通過屬性來控制對象。,CATIA V5知識工程Knowledgeware,在CATIA V5知識工程Knowledge ware包含以下7個分模塊。 1.Knowledge Advisor：知識顧問 提供了捕捉工程知識作為嵌入特征、客戶化重構、參數利用、公

13、式利用、規(guī)則利用、強力拷貝、定義關系以及反應特征等功能。 2.Knowledge Expert：知識專家 提供了檢測規(guī)則、規(guī)則導入、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 . Product Engineering Optimizer：產品工程優(yōu)化器提供了定義優(yōu)化過程、定義幾何約束、最值尋優(yōu)、實驗方法設計、實驗工具設計、生成優(yōu)化報表以及利用關系定義參數變化范圍等功能。 4.Product Knowledge Template 產品知識模板提供了設計數據表格化分類、用戶特征定義目錄、特征搜尋、零件設計模板、裝配設計模板、創(chuàng)成式腳本語言以及交

14、互式設計模板等功能。 5.Business Process Knowledge Template：業(yè)務流程知識模板提供了工作環(huán)境創(chuàng)建、技術目標創(chuàng)建、行為創(chuàng)建、行為綜合、行為鏈接、問題檢測工具、創(chuàng)成式零件設計表格以及技術條件特征添加等功能。 6 . Product Function Optimization：產品功能優(yōu)化提供了精確描述產品功能系統(tǒng)、可視化產品功能系統(tǒng)、產品功能系統(tǒng)識別、產品功能系統(tǒng)簡化、產品解決方案以及輸入輸出技術優(yōu)化文件等功能。 7.Product Functional Definition 產品功能定義提供了創(chuàng)建圖形模板、定義行為組、創(chuàng)建系統(tǒng)、創(chuàng)建變量、零部件產品鏈接、編輯相關功能元件、圖形排列以及變量系統(tǒng)管理等功能。,ProE行為建模（BMX）,在要考慮多個設計目標時（如怎樣在減小材料壁厚的同時保持產品強度），手工求解優(yōu)化值可能是非常煩瑣和費時的。即使是這樣，您也不能肯定獲得的就是最佳設計，原因是根本沒有如此之多的時間來計算所有可能合適的不同設計。BMX 利用設計研究功能能夠自動為您完成此過程。要執(zhí)行設計研究，只需定義工程目標，然后定義設計中的哪些方面是可變的，BMX 就會自動執(zhí)行無數的設