面向CADCAPP集成的特征造型技術(shù)研究

1、面向CAD/CAPP集成的特征造型技術(shù)研究     特征技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，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(shù)是實(shí)現(xiàn)并行工程最有希望的途徑這一點(diǎn)已成共識。并行工程要求設(shè)計(jì)人員從一設(shè)計(jì)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(bào)廢)中的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度與用戶需求等。如果沒有一個(gè)支持并行工程的產(chǎn)品模型，并行工程是難以進(jìn)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(diǎn)：(1)產(chǎn)品信息關(guān)聯(lián)性差，系統(tǒng)主要提供點(diǎn)、線、面的幾何

2、和拓?fù)湫畔?，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(jià)等后續(xù)過程的相關(guān)信息，產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)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(dǎo)致特征識別的難度大；(4)特征設(shè)計(jì)操作繁瑣，設(shè)計(jì)效率低。由于CAD是設(shè)計(jì)后續(xù)過程(如工藝設(shè)計(jì)、制造和裝配等)的信息源，同時(shí)還需接受后續(xù)過程的評價(jià)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(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的集成1。因此，特征造型技術(shù)有待于進(jìn)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(shí)現(xiàn)CAD與后續(xù)過程的信息集成和并行運(yùn)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(shè)計(jì)在更高層次上進(jìn)行，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)意圖，使建立的產(chǎn)品模型容易為非設(shè)計(jì)人員理解并便于組織生產(chǎn)，設(shè)計(jì)圖樣更容易修改，有助于加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、工藝準(zhǔn)備、加工檢驗(yàn)等各部門之間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖貫徹到后續(xù)過程，并及時(shí)得到反饋意見。特征造型必然要面向產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)，并且作為并行設(shè)計(jì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的核心模塊2。一個(gè)理想的特征造

4、型系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：(1)方便設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)應(yīng)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?fù)涞膮?shù)化機(jī)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(shè)計(jì)提供集成化產(chǎn)品信息模型并行設(shè)計(jì)的理論和應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(chǔ)。這就要求能對產(chǎn)品模型進(jìn)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(shè)計(jì)過程特征造型系統(tǒng)除了能支持傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，如：參數(shù)設(shè)計(jì)、變量設(shè)計(jì)和基于知識的設(shè)計(jì)等，還能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新方法，如：面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)、面向裝配的設(shè)計(jì)(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(shí)例為基本單元，建立產(chǎn)品特征模型，從而完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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(guān)系來實(shí)現(xiàn)從基本形狀到復(fù)雜形狀的轉(zhuǎn)換。零件特征關(guān)系樹特征關(guān)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(dá)，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?fù)雜形狀的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)形體，同時(shí)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(dá)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(guān)，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(yīng)用環(huán)境所需要的信息，送給有關(guān)活動進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用特征描述樹能將設(shè)計(jì)得到的基本表示轉(zhuǎn)換成各應(yīng)用系統(tǒng)所需的表示，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息交換與共享。(2)特征基本模型到應(yīng)用模型的映射通過特征造型可以直接用能反映設(shè)計(jì)意圖的高級語言來表達(dá)產(chǎn)品模型，從而將設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)換到低級幾何中表達(dá)?；谔卣鞯脑O(shè)計(jì)完成后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫不僅包含幾何與拓?fù)湫畔?，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(yīng)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(shù)，按一定的映射關(guān)系進(jìn)行面向應(yīng)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(dá)和轉(zhuǎn)換機(jī)制，使CAD/CAPP集成及并行設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí)。(3)基于特征設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的建模方法有以下兩種：面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)和面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)。DFM就是同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方案設(shè)計(jì)，這樣在設(shè)計(jì)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(biāo)來指導(dǎo)零件設(shè)計(jì)以期獲得最佳裝配效果。特征設(shè)計(jì)反映了設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)信息共享與集成。    2特征造型的系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)方法本文提出的特征造型系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，綜合應(yīng)用了面向制造的特征設(shè)計(jì)和特征識別技術(shù)。系統(tǒng)中的特征識別技術(shù)可以充分運(yùn)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(shí)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(shè)計(jì)可以同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工工藝方案設(shè)計(jì)，能在設(shè)計(jì)階段捕捉到除了零件幾何拓?fù)湟酝獾脑O(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)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(yùn)算、特征信息設(shè)定、用戶定義特征庫、特征設(shè)計(jì)、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(yùn)算模塊主要完成特征的各種拼合與布爾運(yùn)算，并對特征的拓?fù)浜蛯傩赃M(jìn)行一致性檢驗(yàn)。(3)特征信息設(shè)定模塊主要設(shè)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(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)，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(shè)計(jì)模塊主要基于用戶定義特征庫進(jìn)行特征設(shè)計(jì)。(6)特征處理模塊主要對零件特征模型進(jìn)行驗(yàn)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(gè)特征的信息、尺寸、幾何公差、粗糙度等進(jìn)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(dá)模式，實(shí)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(shè)計(jì)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(shí)體造型模塊，構(gòu)造該零件的各類設(shè)計(jì)特征，并向基本形狀加、減特征，展開設(shè)計(jì)過程。在加、減特征時(shí)，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(zhǔn)和定位尺寸與公差；最后執(zhí)行布爾運(yùn)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(shè)計(jì)特征并輸入相關(guān)的特征數(shù)據(jù)，系統(tǒng)便能根據(jù)用戶要求交互地進(jìn)行尺寸修改、基準(zhǔn)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(shí)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(guān)應(yīng)用程序，將與節(jié)錐角相關(guān)的尺寸(節(jié)圓直徑df、節(jié)錐母線長度Lf等)作相應(yīng)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(fù)雜特征(弧齒厚、節(jié)錐角等)采用人機(jī)交互式特征識別法提取。    3結(jié)論本文對特征造型技術(shù)的基本形式進(jìn)行了深入的分析，提出了特征造型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)