（机械电子工程专业论文）协同设计环境下的特征建模技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘 摘要 一个完整的产品信息模型，不仅应具备产品的几何、拓扑信息，而且还应具j 面向制造的加工和工艺信息。由于特征技术在表达零件的形状、结构以及制造特1 上有着无以伦比的优越性，因而己成为c a d c a p p c a m 集成的核心技术。 协同设计环境下的特征建模是一种面向并行设计、应用于网络环境下的建模j 术。本文在国家自然科学基金项目共享模型驱动的异地实时协同设计方法和技； 研究( 项目编号5 0 1 7 5 1 1 3 ) 和重庆市应用基础项目面向多学科共享模型的产品! 地协同设计技术研究资助下，主要进行了如下几方面的工作： 论述了特征技术的研究概况、理论体系及原理方法，在此基础上提出了协f 环境下的特征定义及分类，其特点是突出特征的可局部操作性。 详细讨论了各应用领域形状特征的分类原则与分类方法，研究了较为完备f 形状特征分类体系，这个分类体系不仅是形状特征库的建库基础，也是基于形状 征的局部操作前提。 分析了协同环境对特征建模的要求，建立了协同环境下特征建模系统原型 并对各模块的功能、流程做详细阐述。 深入分析了局部操作原理及实现机制，归纳了p r o e 二次开发方法并以； 为平台，开发欧拉算子库，初步实现了三维模型的局部操作。 关键词：协同设计，形状特征，特征建模，局部操作 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o nm o d e lo fa p r o d u c ts h o u l di n c l u d en o to n l yt h ei n f o r m a t i o n t h ep r o d u c t sg e o m e t r ya n dt o p o l o g y , b u ta l s oi t sm a c h i n i n gp r o c e s si n f o r m a t i o n m a n u f a c t u r eo r i e n t e d f e a t u r et e c h n o l o g yi so n eo fc a d c a p p c a mc o r et e c h n o l o s i n c ei th a ss u p e r i o r i t yo nt h ee x p r e s s i o no fp a r t s i n f o r m a t i o nw h i c hi n c l u d e sp a r s h a p e s ，s t r u c t u r e s a n dm a n u f a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s f e a t u r e m o d e l i n gb a s e do n t l c o l l a b o r a t i v ed e s i g ni san e wk i n do ft e c h o l o g yo r i e n t e dt oc o n c u r r e n td e s i g ni nn e t w o ： e n v i r o n m e n t s u p p o r t e d b y t h e n s f c ( n o 5 0 1 7 5 1 1 3 ) ，m a j o r w o r k i n t h i s p a p e r a r ea s f o l l o w s ， is u m m a r i z e dt h es t a t eo f t h ea r ti nf e a t u r et e c h n i q u e sa n dd i s c u s s e dt h ed e f i m t i o na r t h ec l a s s i f i c a t i o no f f e a t u r ei nt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g ne n v i r o n m e n t ，s p e c i a l l yt h el o c o p e r a b i l i t yo f f e a t u r em o d e l i n g 2 i n v e s t i g a t e dt h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o d o l o g yo ft h ec l a s s i f i c a t i o na b o t i tt h ef o n f e a t u r ei ne n g i n e e r i n gf i e l d d e s c r i b e dt h ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo f t h ef o r mf e a t u r e 3 a n a l y s e dt h er e q u e s to f t h ef o r mf e a t u r em o d e l i n ga n dd e v d o p e dap r o t o t y p es y s t e o ft h ef e a t u r em o d e l i n gi nt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g ne n v i r o n m e n t d e s c r i b e di nd e t a e v e r yf u n c t i o nm o d u l ea n di t sw o r k f l o wi nt h ep r o t o t y p es y s t e m 4d i s c u s s e di nd e t a i lt h em e t h o d o l o g yo ft h el o c a l o p e r a t i o no ft h ef o r m f e a t t n m o d e l i n g b a s e do nt h es e c o n dd e v d o p m e n tm e t h o do fp r o e ，d e v e l o p e dt h ee u b e l e m e n t so p e r a t i o nl i b r a r ya n dt h ef o r mf e a t u r el i b r a r yi np m ee n v i r o n m e n t ， a l l a c h i e v e dp r e l i m i n a r i l yt h e3 dl o c a lo p e r a t i o no f t h ef o r mf e a t u r em o d e l k e y w o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，f o r mf e a t u r e , f e a t u r em o d e l i n g ，l o c a lo p e r a t i o n 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景、来源和意义 1 。1 。1 课题的背景 随着工业生产的不断发展，设计和制造部门对c a d 的要求越来越高。一 方面由于市场竞争的日益加剧，为了缩短产品开发周期，降低开发费用，最快 响应客户要求，产品设计必须由传统的串行模式向并行、协同的模式转变；另 一方面，经济全球化格局的形成，要求跨国企业在设计、制造、装配产品时考 虑操作的异她性和分布性。适用于串行设计环境下的以单机操作为特征的传统 c a d 系统已经不能满足上述要求。 传统的c a d 系统以实体造型技术为核心。实体造型的突出优点是计算机 内真正存储了物体的三维几何与拓扑信息，这使物体体积、面积、重心、惯心 矩等的自动计算、隐藏线、隐藏面的消除、有限网格自动划分等成为可能。但 实体造型也有缺陷，主要表现在：它只存储了形体的几何形状特征，缺乏产品 开发在整个生命周期所需的全部信息，诸如材料、尺寸公差、形位公差等，因 此不能构成符台数据交换规范的产品模型；它只提供点、线、面或简单体素拼 和这样一些初级的构形手段，不能满足设计、制造对构形的需要，不符合工程 师的设计习惯；常规的实体造型所建立的几何模型具有确定的形状及大小，一 旦建立，即使结构相似，但想改变某些形状的尺寸，也只能重新造型，这种以 几何驱动的静态造型系统因其在设计过程中表现出的孤立性、单一性、重复性 难以适应现代c a d c a m 系统集成化、智能化、协同化的要求，正日益被基于 特征的造型技术所取代【l 2 】。 特征技术是c a d 建模方法的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发 展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历 史进程中孕育成长起来的。1 9 7 8 年美国麻省理工大学g r o s s a r d 教授指导的学士 论文“c a d 中基于特征的零件表示”中首次提出了“特征”的概念，由此揭开 了特征造型技术的序幕。1 9 8 8 年末，特征在国际标准化组织i s o 颁布的 p d e s s t e p ( p r o d u c td a t ae x c h a n g eu s i n gs t e p s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 标准草案中被正式列为产品信息模型的构成要素，从此特征 技术广泛用于e a c a m 的各个方面，成为c a d 发展的关键技术【3 1 。 在计算机集成制造的实践中，最有效的产品设计方法之一是并行设计 ( c o n c u r r e n td e s i g n ) ，在产品设计阶段兼顾产品在生存周期中的各种需要进行集 成化设计。实现并行工程要求产品模型信息化、应具有形状、材料、功能、规 重庆大学硕士学位论文i 绪论 则和约束等内容的描述，且是参数化的。 特征概念的引入，可以描述这些高层次的工程语义几何实体以及非几何信 息。特征作为对零件属性的描述，是零件形状、材料、精度或其他属性的“信 息集合”，这些信息是产品生命周期中各阶段如设计、分析、和制造所必须的， 其中形状特征是产品信息模型最主要的特征信息之一，它是其他非几何特征信 息的载体，因此造型的关键取决于形状特征的表达”】。 信息技术和网络技术的迅猛发展，带动制造业新一轮变革，一些诸如动态 联盟、并行工程等新的设计制造模式、方法应运而生。其中协同设计就是c a d 发展的趋势之一。为了最大限度体现并行工程的思想，使特征技术与协同设计 协调结合，国内有关高校在这一领域进行了研究并形成自己的理论。如南京理 工大学的基于特征分类的多映射系统【5j ，北京航空航天大学的动态特征建模系 统 6 ，清华大学的虚拟特征单元理论【7 】等等。但目前，特征技术与协同设计的 结合还存在一些盲区，如二维特征技术发展日臻成熟，二维零件库开发相对完 备，但三维开发并不充分：参数化造型软件如p t c 公司推出的p r o e n g i n e e r 软件虽已相对完善，但在协同设计的应用还不充分；特征技术应用于异地协同 设计，还有一定的局限，不能理想地实现图形数据的传输和转换等等。 1 1 2 课题的来源 在异地同步协同设计中信息、数据的传输交换一直是个亟待解决的瓶颈问 题。以往以文件为单位作为数据交换的方式由于传输了大量不必要的数据而浪 费了并不充盈的网络资源，不能从真正意义上实现同步传输。机械传动国家重 点实验室承担的国家8 6 3 资助课题虚拟c i m 动态数据交换格式和数据库系统 及实现开发了一种新的动态数据交换格式及动态链接库，有效地实施了图形 数据格式的动态转换和传输 8 。但这一成果还不能完全应用的原因之一是现有 的造型方法基于边界表示( b r e p ) 、体素构造表示( c s g ) 混合表示法虽然可 最大程度上扩大系统的覆盖域，实现产品信息在不同表示形式的转换，但它经 集合运算后建立的是完整的模型，不再辨认基本体素的几何、拓扑信息，所以 对形体的局部操作不易实现，对特征的局部修改将导致整个图形c s g 树的遍 历。在异地协同设计中，如果修改图形后，只局部遍历尽可能少的特征，而得 到修改部分的数据，就可以只需传输修改部分的数据，这样一方面通信负担小， 大大减少传输时间，另一方面可以更加有效的保证各用户数据的一致性。 在国家自然科学基金项目共享模型驱动的异地实时协同设计方法和技术 研究( 项目编号5 0 1 7 5 1 1 3 ) 和重庆市应用基础项目面向多学科共享模型的产 品异地协同设计技术研究资助下，我们提出了“协同设计环境下的特征建模 技术研究”这一课题，旨在探讨形状特征的局部操作在异地协同设计中的应用， 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 建立协同设计环境下的特征建模系统( 原型) ，为特征技术在协同设计的应用做 前沿性探索。 1 1 3 课题的意义 本课题的意义在于： 形状特征的局部操作技术必有效解决协同设计中的时延问题做出初步 探索，这一成果将有助于实现协同设计的实时性。 建立协同环境下的特征建模系统，对提高设计效率，实现c a d 与c a p p 的信息共享具有重要意义。 对大型商业软件p r o e n g i n e e r 下的二次开发技术进行了研究探讨， 为今后在p r o e n g i n e e r 的二次开发奠定基础。 1 2 本文的主要内容 本文对以下主要内容进行了研究和探讨： 1 ) 讨论了特征技术的研究概况、深入分析了特征技术及相关实体造型技 术的理论体系，对其原理、方法做了清晰详细的阐述。 2 1 由于特征造型技术是一门新兴的研究和应用领域，因而对于特征本身 还缺少一个明确的形式化定义，不同的应用形成了特征的不同定义与 分类。本文给出了协同设计环境下的特征定义，其特点是突出特征的 可局部操作性。 3 ) 总结归纳各应用领域类形状特征的分类原则与分类方法，建立了较为 完备的形状特征分类范围，在这个分类基础上，本文建立形状特征库。 4 ) 建立了协同环境下特征建模系统( 原型) ，探讨了形状特征的局部操作的 方法、实现的基本途径。 5 ) 基于p r o e n g i n e e r 二次开发技术，建立了形状特征库并初步实现了 p r o e n g i n e e r 下的欧拉操作，最后进行了形状特征局部操作的验 证。 1 3 本文的研究条件 重庆大学机械传动国家重点实验室为本课题提供的研究条件是： 硬件环境：i n t e lp i l l 5 0 0 、i n t e lp i l 4 0 0 、a m dk 7 、s u nu l n a3 0 2 5 0 3 d 和 s u nu l t r a1 7 0 e 3 d 工作站。 软件环境： 操作系统：w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n 、n t 4 0 w o r k s t a t i o n c a d 平台：p r o e n g i n e e r 开发工具：p r o t o o l k i t 、c 语言 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 2 特征技术 2 1 引言 c a d 技术经历了二维绘图、曲面造型技术、实体造型技术，发展到了今天的特 征造型技术。源于2 0 世纪7 0 年代末期的特征技术在对产品技术和生产管理的信息 完整表达上取得长足的进步，使得建立产品的集成信息模型成为可能，从而将设计 人员从原始线条和体素的操作上解放出来，以产品的功能要素( 如键槽、沉孔、螺纹 等) 为单位，兼以创造性的思维，实现设计意图。也正是由于特征技术的发展成熟， 才使得c a x 的集成由理论成为现实，使并行工程、敏捷制造、精益生产等先进制 造技术的实现成为可能 9 】。 2 2 特征技术的研究概况。“”1 羽 特征技术研究的萌芽产生于7 0 年代末8 0 年代初，并于8 0 年代的中后期蓬勃发 展起来。s t e p 标准中将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使特征获得了 国际标准的法定地位。 特征技术的兴起并不是偶然的，有两个因素直接导致了它的出现和应用。第一， 传统的实体造型技术是建立在几何表示和操作之上，低层次的无应用含义的几何操 作与设计人员高层的设计概念与方法产生了矛盾；第二，近十年问计算机集成制造 系统c i m s 得到了长足发展，这就要求传统的系统除了满足自身信息完备性之外，还 必须为其他系统如计算机辅助工艺规划系统c a p p 、计算机辅助制造系统c a m 等提供 反映设计人员设计意图的非几何信息，如材料、公差等。 特征技术的引入，一方面为设计人员提供了高层的符合设计人员设计思维的人一 机交互语言，摆脱了传统的基于几何拓扑的低层交互设计方法，从而使设计人员集 中精力处理较高层的设计问题，使得设计更加快速、方便而且设计质量也得以保证。 另一方面，由于特征是一个高层次的设计概念，内部包含了大量设计人员的设计意 图，这些设计意图对于设计的维护以及后续的分析、综合等过程有着重要的意义， 对于提高c a d 系统的自动化程度以及解决c a d 与c a p p 、c a m 在数据交换过程中存在 的不连续性也有很大的帮助。因此特征技术的应用一直是c a ) ( 领域研究的热门课题， 受到国内外科研机构、专家学者的广泛关注。很多专家学者为奠定特征理论基础、 实现技术应用做出了杰出贡献。 在特征理论方面，英国c r a n f i e l d 理工学院的p r a t t 和w i l s o n 为c a m i 提出了 一个按形状和构造特点对形状特征分类的模式；美国a r i z o n a 州立大学的s h a h 探讨 了特征表达和解释问题，开发出a s u 特征试验台；意大利热亚那应用数学研究所的 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 f a l c i d i e n e 等人提出了边界模型表示特征对象的描述方法，特征识别方法，并开发 了相应的系统；d o u g l a s 等人研究了用凸多面体分解法进行加工特征几何推理技术： t u r n e r 等人研究了公差特征模型建立的问题；r o y 等人研究了尺寸及公差表示处理 的问题；j a r o s l a w 等人研究了特征编辑与查询技术：美国p u r d u e 大学的a n d e r s o n 等人研究了基于特征设计工艺规程的几何推理问题。 在特征造型方面，美国亚利桑那州立大学的j j s h a h 教授首先提出了将特征分 为形状特征、精度特征和材料特征的分类方法，并建立了较完善的特征造型系统， 该系统包括一个特征造型外壳( f m d s ) ，产品数据库和特征映射与应用外壳( f m p s ) ； j c hc h a n g 和r l c o o k 的特征设计是由推理系统实现的，每个特征在该系统中都 表示为单一的框架，每个框架的槽中则包括一般数据和描述特殊实体特征的过程和 关系数据；m a r t t im a n t y l a 的系统也是用特征进行设计的，他的前端( f r o n t t o p ) 使用设计特征，而后将它们转移为制造特征，以便进行工艺设计，该系统的特色在 于特征的定义是基于刀具种类划分的，这样就使得每个基本特征都能够在理论上用 一个或一种刀具加工出来，而复合特征需要几种刀具加工形成。 与特征造型相比，特征识别系统的方法更多，难度也更大，实现实用化、商品 化也就更困难。许多学者在这方面进行了大量研究。t c c h a n g 和s j o s h i 在他们 的系统中建立了因果邻接图( a t t r i b u t e da d j a c e n c yg r a p h ) ，a a g 图在计算机中以 矩阵形式存储，零件的特征是总图中的子图：y c l e e 和k s f o 通过c s g 树中体素 主轴之间的关系抽取c s g 树中隐含特征，并将这些组成特征的体素结合在一起形成 特征表示。特征识别技术采用的方法也各具特色，句法模式匹配、凸分解和一些基 于规则和约束的知识库技术等，也有的系统同时运用多种特征识别技术。 近年来，商业c a d 软件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如，p t c 公 司的产品p r o e n g i n e e r ，s d r c 的产品i d e a sm a s t e rs e r i e s 、u g s 公司的产品 u n i g r a p h i c s 、i b m 公司的产品c a t i a c a d a m 、a u t o d e s k 公司的产品m d t ，中国广州 红地技术有限公司的产品“金银花( l o n i c e r a ) ”系统，等等。 2 3 特征定义及分类 2 3 1 特征的定义 由于特征技术是一门新兴的研究和应用领域，因而对于特征本身还缺少一个明 确的形式化定义。不同的应用形成了特征的不同定义。从加工角度看，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性。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。从设计人员角度看，特征又是用于设计、分析 和设计评估的基本元素。因此，许多专家学者们针对不同的应用领域给出了不同的 定义 1 3 】。 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 其中最有影响的首推p r a t t & w i l s i o n 的定义：特征是一个零件的表面上有意义 ( h t e r e s t ) 的区域，共分6 类特征：通道特征( p a s s a g e ) 、凹陷特征( d e p r e s s i o n ) 、凸起 特征( p r o t r a s i o n ) 、过度特征( 1 h n s i t i o n ) 、域特征( a r e a ) 、变形特征( d e f o r m a t i o n ) 。这 种分类方法后来被s t e p 采用，该特征分类主要是基于形状特征的分类1 ”。 j js h a h 的定义：特征是产品信息传递的载体( c a m e r ) ，它能帮助设计、制造或 其他工程任务之间的通信与交流，把产品信息分为5 类特征：形状特征、精度特征、 技术特征、材料及装配特征。 t o r b e nl e n a u 的定义：特征是零件的形状或其它属性的信息集。 上述这些定义虽然存在差异，但对特征基本上形成了一些共识 ”】，即： 特征表达一定的功能语义，隐含一定的工程知识。 特征是产品非几何信息的载体。 特征广泛地表达设计意图，供设计者使用以表达设计思想， 2 3 2 特征分类o “”1 目前按不同的应用观点，产生了不同特征的分类标准： 从产品整个生命周期发展过程看，特征可分为设计特征、加工特征、分析 特征、公差及检测特征、装配体特征。 从功能上看，特征可分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装 配体特征。 从设计方法看，特征又可分为通道特征、挤压特征、提位特征、过渡特征、 表面特征、形变特征。 从制造方法的角度来看特征可分为复合特征、机加工特征、钣金类特征及 车削类特征。 其中，形状特征是产品模型中最重要的特征。关于形状特征的相关内容将在后 面一节做详细介绍。 2 3 3 形状特征的分类 在特征的分类中，形状特征是产品信息模型中最主要的特征信息之一，它是其 它非几何特征信息( 如精度特征、材料特征) 的载体，非几何特征信息作为属性或 约束附加在形状特征的组成要素上。在s t e p 标准中，形状特征被定义为符合一定原 形，并与特定应用有关的几何形状，即形状特征同时包含参数化的几何信息和相应 的应用信息。形状特征的的定义可分为三个层次：应用层、形状层、表达层“。应 用层定义了形状特征的功能及与应甩相关的信息；形状层是一个特征的一般形状性 质，不包含与应用领域相关的信息；表达层则通过形状特征的建模来表达上层形状 的性质。按照上述定义，针对不同应用领域，形状特征可进行以下分类： ( 1 ) 面向制造的分类形式，如图2 1 所示，该分类以s t e p 标准为参照，突出加 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 工工艺信息【1 9 】 s t e p 形状特征 机械零件形状特征 广凸起方块圆柱三角锥台外螺纹 i 厂附加体卜_ 连接 li 体特征l：篙兹体环槽矩形槽，型槽v 型槽l厂凹陷 扑稻矩彤褶i 型糟型稽 l 被减体i - 通道 键槽平面台阶有限平面 l - 内腔 厂平面过渡内倒角，陋腩 r 边过渡i |l 圆过渡 圆角 过渡特征l 厂平面过渡 l - 面过渡i 一球面过渡 图2 1 以s t e p 标准为参照的分类 f i 9 2 ，lc l a s s i 毋r e f e r e n c e db ys t e p ( 2 ) 依据并行工程的概念建立的动态特征分类形式，如图2 2 所示。该分类方法 引入功能结构特征与工艺结构特征的概念，将约束融合在相关特征中，并将特征描 述与特征之间的关系描述分离出来1 2 0 1 ： 广_ l 功能结构特征工艺结构特征 厂 r 单一形状特征组合形状特征制造工艺特征装配工艺特征 广l 厂 厂j - 蒯懈系揣辅嚣飘 图2 2 动态特征分类 f i 9 2 ，2d y n a m i cf e a t u r ec l a s s i f y ( 3 ) 针对复杂刀具刀体类零件，可将常规零件的基本形状特征分为口1 1 孔类：孔、螺纹孔、平底短孔、锥孔； 槽类：方槽、t 型槽、v 型槽、燕尾槽、圆底槽、圆弧槽； 7 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 腔类：方形腔，圆形腔： 边角类：圆角 ( 4 ) 根据形状特征的特点及造型原理，可将形状特征分为草图特征( s k e t c h e d f o r mf e a t u r e ) 年l ? 过渡特征( t r a n s i t i o nf o r mf e a t u r e ) 。这种分类方式符合于s t e p 标准 的形状特征分类 2 2 j 。 草图特征草图特征是指可以通过把横截面拉伸( e x t r u d e ) 、旋转( r e v o l v e ) 或扫 描( s w e e p ) 生成的几何形体。草图特征是最基本的形状特征，可以单独或与其他 特征组合成零件。 过渡特征过渡特征指对对形体的两个或多个相邻面进行过渡，即使用平面或曲 面取代边或角。 2 4 特征关系陋3 2 4 2 5 3 一个零件或一个产品的特征模型是由一系列的特征实例构成的，这些构成零件 几何模型的特征实例间存在这样两种关系： ( 1 ) 特征问的约束关系。特征间的约束关系主要描述特征间位置约束关系，即 特征的外部约束，一般通过定位尺寸约束和放置的方位隐含地表达在产品模型中。 表2 1 描述了这种约束关系。特征间的约束关系是偏序的。 表2 1 特征约束关系 t a b l e 2 if e a t u r er e s t r i c t i o nr e l a t i o n s h i p 种类种类内容 平行轴轴、轴平面、平面平面 定性约束垂直轴轴、轴平面、平面平面 平面平面共面、轴一轴共线、点在轴上、点 其他 在平面上、轴位于平面内 点一直线、直线直线、直线平面、点一平 距离参数 面、点一点 定量约束角度参数轴线轴线、轴线平面、平面平面 参数参数半径、直径 尺寸间工程关系线性关系、非线性关系 8 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 ( 2 ) 特征间的形状关系。特征间的形状关系描述特征间的干涉关系。在设计过 程中，由于某一特征的添加，将导致零件几何化模型的形态变化，有可能与已存在 零件模型中的其他特征相交，这种形状关系可以用于验证特征的有效性，推算某一 特征修改后，需要重算的特征以及为设计模型向其他领域转换提供线索。特征间的 干涉是相互的。 描述特征问的约束关系的一个有效手段是特征约束图。由于设计过程中，特征 的添加是有序的，依赖于前面的过程，特征间的约束关系是偏序的，因此特征依赖 图是有向无环图 ，这里v 是图的结点，表示特征；e 是有向边，表示特征的 约束关系，由约束特征指向被约束特征。如图2 3 所示，图b ) 是图a ) 的特征约束依 赖图。 图2 3 形状特征约束 f i 萨，3f o r mf e a t u r er e s t r i c t i o n b 、 特征间形态干涉是相互的，为了表达这种关系，我们在特征约束依赖图中两个 相互干涉的特征间也引入一条无向边e ，仅表示特征的干涉关系，图b ) 中无向边表 示特征孔1 与特征槽之间相互干涉。 把这种关系组合在一起，即为特征关系图( v ，e ，e ) ，它是进行特征修改、造 型排序的一个基础，在第三章中还将用到。 2 5 特征表达 2 5 1 几何表示方式协1 目前，常用的几何表示方式主要有以下三种： 1 ) 基于b - r e p 的方法 在b - r e p 方法中，特征被定义为一个零件的相互联系的面的集合( 面集) 。很显 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 然，只要完整地定义了形体的边界，那么该形体就被唯一定义。图2 4 即为b - r 印 表示法的一个实例。 鼠 zq 7 图2 4 b _ r e p 表示法 f i 醇4b _ r e pr e p r e s e n t a t i o n b - r e p 表示法的一个重要特点是：该表示方法中描述形体的信息中既包含有几 何信息，又包含有拓扑信息。所谓形体的拓扑信息是指形体上所有的顶点、棱边、 表面之间的相互连接关系，如一个表面是由哪几条棱边包围而成，一条棱边是由哪 两个侧面构成等等。图2 5 所示为一个四面体，对这个四面体来说，每个表面都可 用方程表示，这一方程表达的数据就是几何模型。对于形体而言，通常几何信息描 述形体的大小、尺寸、位置、形状等，而拓扑信息则描述形体的表面、棱边、顶点 等相互间的连接关系，二者构成一个有机的整体，共同形成对形体的完整描述。 v 2 v 4 t 乱r a h e d r o n 心 。扩茸沁 图2 5 b _ r e p 对形体的描述 f i 口5b _ r e pd e s c r i p t i o no f s o l i d b r e p 法虽然表达信息丰富完备，容易确定几何关系，但仍存在一些不足。如： 数据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据结构的程序比较复杂： 修改形体的操作比较难以实现； b r e p 表示并不一定对应一个有效形体，即需要有专门的程序来保证b r e p 表示形体的有效性、正则性。 2 ) 基于c s g 的方法 基于c s g 的特征表达方法将特征定义为体积元素，体积元素通过布尔操作构 1 0 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 造零件。一个复杂形体可用二叉树来描述，树的叶结点为基本体素，而中间结点为 正则集合运算，树根表示该复杂形体，该二叉树称为c s g 树，如图2 6 所示。 从c s g 树的语义可以看出，每一个非变换叶子的子树，表示对体素叶子所代表 的集合执行几何变换或正则集合运算后所产生的新的集合。 恩2 6 c s g 表示法 r i 9 2 6c s gr e p r e s e n t a t i o n 使用c s g 表示方法简捷、有效、易于编辑和操作体素，并提供c s g 和特征体 素之间有意义的联系，而且二叉树可用于特征模型的构造。但该方法也存在自身的 不足： 产生和修改形体的操作种类有限，基于集合运算对形体的局部操作不易实 现： 由于形体的边界几何元素( 点、线、面) 是隐含地表示在c s g 中，故显示 与绘制c s g 表示的形体需要较长的时间。 3 ) 基于混合c s g b - r e p 的方法 由于c s g 和b r e p 表示方法都各有优缺点，因此，汲取二者优点的混合表示方 法便产生了。混合模式是在c s g 基础上的逻辑扩展，起主导作用的是c s g 结构， 结合b r e p 的优点，可以完整地表达物体的几何、拓扑信息，便于构造产品模型， 使造型技术大大前进了一步，如图2 7 所示。混合c s g b r e p 方法是设计系统中表 示特征的较好方法，这是因为它同时兼有c s g 模型及b r e p 模型的优点：c s g 模 型易于对高层元素操作，b r e p 模型易于与低层元素( 点、线、面) 附加尺寸、公差和 其他属性。 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 图2 7 混合表不法 f i 醇7c o m b i n a t i v er e p r e s e n t a t i o n 2 5 2 特征表达。7 2 ” 特征系统中的表示按其抽象程度又可分为两种，隐式表达和显达表达。 在上节我们介绍常用c s g 树或b - r e p 来表达三维型体的几何与拓扑信息，在特 征表达中采用c s g 树或b z r e p 表达形状特征的方式称为显式表达。显式表达是通过 一组几何基元来表示所需的形状特征，几何元素一般选择面，这样一个形状特征可 以被定义为一组相关面的集合，f = f 其中f 为特征，f 。为特征面。如图2 8 所示。 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 够垮 图2 8 显式表达 f i 9 2 8e v i d e n te x p r e s s i o n 显式表示的特点： 需列出定义一个形状特征所需的元素； 可生成特征面，面集上即可建立依赖关系，设计尺寸和公差： 隐式表示是通过对特征的抽象，以特征的必要参数来表示形状特征，如图2 9 即与某一特征表示直接对应的是该形状特征的基本参数，如尺寸、位置、方向等， 而不是表明该形状特征的组成面或体素。 图2 9 隐式表达 f i 9 2 9i m p l i e de x p r e s s i o n 隐式表示特点： 需给出特征的参数化定义，参数化定义包括形状参数、结构参数和定位参 数的定义等。 采用特征集表示方法，对后续应用来说更直观。 特征参数为隐式参数，当它们发生变化时，由隐式自动转化为显式。 从特征的几何信息抽象层次来看，显式特征表达是特征几何信息的低级抽象， 隐式表达是特征几何信息的高级抽象。一方面隐式表达采用了一组可用于转变几何 模型的参数，不涉及形状的几何结构元素，因而这种表达更适合于参数化的模型设 计，便于模型的存放及数据交换。另外，通过对形状特征的层次分类，运用对象方 法在各类特征之间建立特征属性的继承，从而方便特征库的建立和用户自定义特征 的描述。而另一方面，显式表达为后续的c a p p c a m 服务。 2 5 3 特征树o ” 特征树的根结点为基本形状特征，记录该特征的类型、标识、特征属性值、特 征定位信息和它的子树表( 即附加特征表) 。其余结点则为附加形状特征，记录该特 征类型、父结点( 即父特征) 、特征标识、特征属性值、特征定位信息和其子树表。 特征树与c s g 树的区别在于：在实体模型的c s g 树结构中，兄弟结点之间的关 系十分重要，改变它们的顺序，可能会导致c s g 树失去意义；而特征描述树中兄弟 。罗静 e e 重庆大学硕士学伉论文2 特征技术 结点的顺序关系不重要，可以修改其次序，而结果仍然有意义，其重要的是父结点 之间的关系。 特征树和特征关系图的区别在于：特征关系图只是从几何拓扑角度研究特征间 的关系；而特征树是从功能语义上表达特征关系，如图2 1 0 。 a ) 特征类型：拉伸类 特征标识：i d = l 特征属性：截面线尺寸，拉伸高度 特征定位信息：按截面线定位 子树表：2 ，3 4 特征类型：拉伸类 特征标识：l d = 2 父结点：l 特征属性：截面线尺寸，拉 仲高度 特征定位信息：按截面线定 位于1 的表面 子树表；5 特征类型：通孔类 特征标识：i d = 5 父结点：1 特征属性：孔径，深度 特征定位信息：按孔轴定位 于2 的表面 子树表：无 特征类型：通孔类 特征标识：i d = 3 父结点：i 特征属性二孔衽深度 特征定位信息：按孔轴定 位于1 的表面 子树表：无， 特征类型：槽类 特征标识：i d a 4 父结点：1 特征属性：截面尺寸，深度 特征定位信息：按截面对称 线定位于j 的表面 子树表；无 b ) 圈2 1 0 特征关系树 f i 9 2 1 0f e a t u r er e l a t i o nt r e e 在特征树结构中，除了特征的各种信息外，还需要具有四个特征指针，如图2 1 1 ： 兄弟指针和父指针。父指针指向父结点，对主要特征而言，父结点是该特征所在的 方位，对辅助特征来说，父结点代表的是本特征所依附的主要特征；子指针指向本 4 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 特征结构结点的子树树根，该树根表示附加在本特征上的一个辅助特征：兄、弟指 针分别指向本特征结点的同类( 或同级) 特征前、后结点。各个指针以符合二叉树 的构造特性而取值或置“空”。 图2 1 1 特征指针 f i 醇11f e a t u r ep o i n t e r 2 5 4 特征表达的数据结构 特征除包括几何拓扑信息外，还包括一些非几何的属性信息，如公差、粗糙度、 材料等。同时由于特征定位的需要，特征的数据结构还应包括用于特征自身定位和 相对定位的基准面、基准线( 轴) 和定位面的信息。另外，由于零件和部件是由多个 特征组成的，多个特征之间还存在着多种关系和约束，因而特征约束信息应包括于 特征的数据结构中。 特征数据结构表达为 s t r u c tf e a t u r e i r ai d ； i n tp r oi d ； i n t b a s e o r n o t ； i n t c u t i n _ s u r f a c e _ id ； c h a rf e a tn a m e ； f e a t _ t y p e t y p e ； m u l l i s t + t o p o ； l o c a t i o n l o c a t o n ； p r o _ p a r a m e t e r + f e a r _ p a r a m e t e r s ； v o i d 4 d e t a i l e d _ f e a t u r e ； s t r u c tf e a t u r e + n e x t ； ) 2 6 零件信息模型m 1 所谓零件信息模型就是将描述零件的所有信息有机地组合成一个整体，用以支 持不同应用领域的信息需求。根据特征模型和特征联系的定义，建立基于特征的零 件信息模型分层结构。总体上，零件信息模型分为三层：零件层、特征层和几何层， 如图2 1 2 。 重庆火学硕士学位论文2 特征技术 图2 1 2 零件信息模型 f i 9 2 1 2p a r ti n f o r m a t i o nm o d e l 零件层：主要反映零件总体信息，是关于零件子模型的索引指针或地址； 主要包括管理信息，如零件名、零件号、g t 码、设计者等；材料信息，如 材料名、材料组合、材料性能等。 特征层：包含特征各子模型组合及其各个模型间的相互关系，并形成特征 图或树结构。包括特征尺寸、特征约束以及特征语义信息。 几何层：主要反映零件的点、线、面的几何拓扑信息。 2 7 特征技术方法与原理 获取特征技术的方法目前有下面三种： 2 7 1 交互式特征定义 这种方法如图2 1 3 所示忙”，首先由设计人员利用现有的c a d 系统设计产品的 几何模型，然后由工艺人员利用特征定义系统，在屏幕上用光标交互检取有关几何 元素定义工艺所需特征。这种方法要利用边界模型进行，可靠易行。 鼢员齿篓量箍 图2 1 3 交互式特征定义 f i 9 2 1 3a l t e r n a t ef e a t u r ed e f i n a t i o n 重庆大学硕士学位论文2 特征技术 2 7 2 特征自动识别 特征识别如果是为数控加工提供信息，这种情况没有必要具体识别出是什么样 的特征，而只需识别出是加工区域即可。所以特征识别可分成加工区域识别和特征 识别两情况。特征自动识别工作过程大致如图2 1 4 所示。 幽2 1 4 特征自动识别 f i 9 2 1 4 f e a t u r ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n 1 ) 加工区域识别这一类加工区域一般集中在2 蟛维的铣削上，识别出边界的 里和外后，就可方便地生成数控加工走刀路线。加工区域识别技术大致分为切面技 术、几何推理法等。 2 ) 特征识别这种方法与前不同，它要在几何模型中搜索出与在库中事先定义 好的类特征相匹配的方法来标识特征。这种方法的大致步骤如下： 在库中搜索与模型的拓扑几何相匹配的类特征： 提取已识别的特征； 确定特征的参数，完成特征的几何模型； 组合简单的特征以获取高层特征。 特征识别方法繁多，难以统一分类，简要说明如下： a 匹配法：依据实体模型的几何拓扑的不同类型对类特征进行归类，然后设计 出查找算法用来确定在几何模型中出现哪些特征。由于实体模型的数据结构一般是 图结构，所以常用图匹配算法来进行特征识别。在图的匹配算法中有一整套丰富的 特征描述属性，如面的数量、面的连通性、边面分类、凸边、凹边、圆角过渡等。 b 几何体生长法：在许多特征提取算法中，已识别的特征是通过加减去一块 对应于特征的体积形式而获得的。由于识别出的特征不总是一个封闭体，这样需要 增加新的面使特征体封闭，所以称作e n t i t yg r o w i n g 。在图2 1 5 中，实体经过减方 体特征操作后，就需要生成面f 1 、f 2 、f 3 来使实体封闭。 c 基于图的方法：由于零件b r e p 模型的数据结构实质上是一种图机构，所以 该方