（机械设计及理论专业论文）特征技术在注塑件及其模具设计中的应用研究.pdf

摘要 本文综述了特征技术的产生和研究现状，对特征造型的特点、应用价值， 特征的定义、分类、特征之间的组合关系、组合操作及特征识别、基于特征的 设计等内容进行了深入研究。在分析了特征识别和基于特征的设计两种建模方 法优缺点的基础上，提出特征识别和基于特征的设计相结合的思想。探讨了应 用于特征建模的面向对象技术的基本概念和原理。研究了特征技术与面向对象 技术集成应用于产品建模的方法，使得特征技术与面向对象技术有机地结合起 来。在详细研究了注塑件具体形状特点和设计要求的基础上一总结归纳了一些 典型的注塑件工艺结构，提出了注塑件的形状特征分类方案。l 阐述了基于程序 设计的静态定义特征类和基于特征抽象的动态定义特征类的方法。以猎豹汽车 仪表盘这一典型复杂注塑件为例，研究总结了复杂注塑件三维参数化特征模型 的定义和建立方法，建立了复杂的猎豹汽车仪表盘三维参数化特征模型，并由 此采用基于特征抽象的动态定义特征类方法，建立了注塑件的一些典型特征的 特征库，供注塑件设计时调用。对模具设计过程进行了研究与分析，把特征技 术、关联约束技术与装配模型结合起来，提出了在模具设计过程中，先建立一 个基于特征和关联约束技术的装配模型，该模型将零件之间的装配关系记录下 来，一旦某一零件更改之后，与之相关联的零件或装配形式就可以根据事先所 记录的约束关系自动修改。它为模具设计人员提供了表达设计构思和反复修改 设计方案的有效手段，从而可提高设计结果的合理性和c a d 系统设计效率。 本文还阐述了自顶向下c a d 、参考模型等概念，论述了模具装配模型的层次结 构和装配关系，分析了模具自顶向下设计过程的实现方法。 论文的后面部分运 用面向对象的程序设计方法，结合课题要求研究了专用于注塑件及其模具的辅 助设计系统f 3 p 玎v d s 的设计及实现方法。 关键词：特征设y特征谀期注塑件注塑模具 装配模型参考模型面向对象 自项【句下设计 o、一p，? a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l eo ft h ef e a t u r e st e c h n o l o g y , w h i c hh a se x e r t e d g l ? e a ti n f l u e n c eo n t h ed e s c r i p t i o no f i n t e g r a t e dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e la n d o t h e r e n g i n e e r i n go c c a s i o n s i ta l s od o e sd e e pr e s e a r c hi n t h ed e f i n i t i o n ，c l a s s f i c a t i o n ， o p e r a t i o n o ft h ef e a t u r ea n dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n g f e a t u r e s i t c o m p a r e st h e a p p r o a c ho fd e s i g nb yf e a t u r ew i t hf e a t u r er e c o g n i t i o n i nt h el i g h t o f a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so f t h e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h et w oa p p r o a c h e sb ec o m b i n e dt o y i e l das y s t e mt h a ti sm o r ep o w e r f u lt h a na n y o n eo ft h e mu s e da l o n ei nt h ef e a t u r e m o d e l i n go fp r o d u c t s t h e i li t s t u d i e st h ep r i n c i p l ea n dc o n c e p to fo b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n gm e t h o d ，b r i n g sf o r w a r dt h a tt h i sm e t h o ds h o u l db eu s e dt o g e t h e rw i t h f e a t u r e st e c h n o l o g yi nt h ef e a t u r em o d e l i n go f p r o d u c t s i ta l s od i s c u s s e sa n dg e n e r a l i z e st h ef e a t u r em o d e l i n gm e t h o do f c o m p l i c a t e d p l a s t i cp r o d u c t ss u c ha sa u t o m o b i l ei n s t r u m e n tp a n e lo f l i e b a o ad e t a i l e df e a t u r e c l a s s f i c a t i o no fp l a s t i c p r o d u c t s i s p r e s e n t e d a f t e r g i v i n g f u n h e r s t u d y o ft h e c h a r a c t e ra n dd e s i g nr e q u i r e m e n to ft h e mt h e ni t a p p l i e st h em e t h o do ff e a t u r e a b s t r a c t b a s e dd y n a m i cd e f i n i t i o nt oe s t a b l i s hf e a t u r el i b r a r yw h i c hw i l lb eu s e di n t h ep l a s t i cp r o d u c t sd e s i g n m sp a p e rs h o w sg r e a t e m p h a s i so nt h er e s e a r c ho f p l a s t i ci n j e c t i o n m o l dd e s i g n , p u t sf o r w a r dt h a tf e a t u r e s t e c h n o l o g ys h o u l db e c o m b i n e dw i t hr e l a t i o n - c o n s t r a i n e dt e c h n o l o g ya n da s s e m b l em o d e ld u r i n gt h e d e s i g np r o c e d u r e af e a t u r e - b a s e da n dr e l a t i o n c o n s t r a i n e da s s e m b l em o d e lw h i c h d e s c r i b e st h ed a t as t m c t u l - eo fi n j e c t i o nm o l di sc o n s t r u c t e d t h ea s s e m b l em o d e l h a sb e e nu s e di nd e t a i ld e s i g no f i n j e c t i o nm o l do f t h ea u t o m o b i l ei n s t r u m e n tp a n e l a n di sq u i t eu s e f u lf o rt h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i ca n dr e l a t e dm o d i f i c a t i o no f d e s i g n a c c o r d i n g t ot h er e l a t i o n s h i pa n dc o n s t r a i n t sa m o n ga l lo f t h ed a n so f t h ep r o d u c ti t h a sb e e np r o v e do fh i g he f f i c i e n c yf o rc a d s y s t e ma n dh a sb r o u g h ta b o u tm o r e r e a s o n a b l ed e s i g nr e s u l t si nt h i sp a p e r , i ta l s oi n t r o d u c e st h ec o n c e p to fr e f e f e n c e m o d e la n d e x p o u n d s t h er e a l i z a t i o nm e t h o do f t o p d o w n c a d u s i n g o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g m e t h o d ，b a s e d o n p r o e n g i n e e r s o f t w a r e ，t h e d e v e l o p m e n to f as p e c i a lc a d s y s t e mf b p 蚴s ( f e a t u r e b a s e dp l a s t i cp a r ta n d i n j e c t i o nm o l dd e s i g ns y s t e m ) i sd e t a i l e d l ys t a t e di nt h ee n do f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：d e s i g nb yf e a t u r e f e a t u r er e c o g n i t i o n p l a s t i cp r o d u c t i n j e c t i o nm o l d a s s e m b l em o d e l r e f e r e n c em o d e l o b j e c t o r i e n t e dt o p - d o w nd e s i g n 第一章概述 本章论述了特征技术的产生、概念、主要研究内容及其应用，重点阐述了特征的定义、 分类，特征识别和基于特征的设计等特征建模方法。在分析了两种特征建模方法优缺点的 基础上，提出特征识别和基于特征的设计相结台的思想探讨了应用于特征建模的面向对 象技术的基本概念和原理最后介绍了本文的课题来源，并对本文的研究重点作了归纳。 1 特征技术综述 1 1 特征技术产生的背景【1 】【3 】【8 】【9 】【1 0 】【1 l 】 1 1 1 特征技术产生前几何造型的发展概况 自5 0 年代后期c a d 技术起步以来，经过几十年的发展，几何造型先后经历了二维线 框造型、三维线框造型、曲面造型、实体造型及当前的特征造型等几个发展阶段。c a d 技 术以二维线框绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年代末期以后作为c a d 技术的一个 分支而相对独立平稳地发展。早期应用较为广泛的是c a d a m 软件，近十年占据市场主导 地位的是a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 。6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框 式系统这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能表达几何数据间的拓扑 关系。进入7 0 年代正值飞机和汽车工业的蓬勃发展，此闻在飞机和汽车制造中遇到了 大量的自由曲面问题当时只能采用多截面视图、多纬线图的方式来近似表达所设计的自 由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后制作出来的样品与设计者 所想象的有很大的差异，甚至完全不同。此时法国人e e b e z i e r 构造了一种以逼近为基础 的参数式曲线，完成了曲线和曲面的设计系统u n i s u r f 同时，法国达索飞机制造公司 的开发者们在二维绘图c a d a m 系统的基础上开发出以表面模型描述的自由曲面建模方 法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。有了表面模型，计算机辅助制造( c 舢订) 的问题 可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它 特性如：质量、重心、惯性矩等。1 9 7 9 年，s d r c 公司发布了世界上第一个完全基于实体 造型技术的大型软件i - d e a s ，由于实体造型能够精确表达零件的大部分属性，在理论上有 助于统一c a d 、c a m 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性，代表着当时c a d 技术 的发展方向。 1 1 2 特征技术的产生 特征技术是c a d c a m 技术发展中的一个新里程碑，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、自动化程度的历史进程中孕育成 长起来的。现代设计制造系统的发展趋势是集成化、智麓化目的是达到高度的自动化。 实现上述目标的基础是给系统的各个环节提供能够共享的产品定义。当时的c a d c a m 系 统因不能用一个完整的产品模型来支持各应用活动。在设计、制造及检验的各个环节中 使用者需要重复地输入和识别一些信息，定义一些模型，以满足各工程应用子系统的具体 需要。各子系统的概念信息也必须依靠人工识别和综合处理，从而导致产品自动设计和制 造中信息处理的中断，人为干预量大，数据大量重复处理的后果其主要原因是作为当时 c a d 系统的核心实体造型存在下列不足： 1 1 产品定义信息不完备。 实体造型主要用来定义产品公称几何形状，而许多反映设计意图和工艺要求的信息如 公差、材料性质等难以在数据库中一起表达。由于工艺信息的表达既与高级的形状特征有 关，又与低级的点、线、面等几何要素有关，而实体造型难以提供这些信息 2 ) 数据的抽象层次低。 实体造型只能以低级的几何拓扑信息来描述几何形状，而工程师进行思想交流，以及 c i m s 智能化处理过程中涉及的信息往往是高层的概念实体，如键槽、中心孔等。 3 ) 支持产品设计的环境较差。 传统的几何造型不利于进行创造性设计，不能方便地修改设计模型。这是因为它对产 品几何的定义和处理是面向最终结果，而不是面向过程我们知道设计是个反复优化的 改进求解过程，系统应当适应动态修改的工作过程。实际设计工作往往是派生型设计，尤 其希望系统提供变参数功能。 因此，必须开发取代现有实体造型的支撑系统，为c a d c a m 系统提供完备的和多层 次的产品信息。这些信息能在无人干预的条件下为设计、分析、制造所接受，且能在各应 用子系统间自动变换，使c a d c a m 集成，以至c i m s 的实现走向现实，由此应运而生特 征技术。特征溉念的首次提出可以追溯到1 9 7 8 年，至8 0 年代后期，这一概念及其技术为 人们广泛接受，从而特征造型成为主流。在这一发展过程当中，还伴随着参数化、变量化 等技术的发展。当今的一些商用c a d 系统如p r o e n g i n e a 、i - d e a s 、a u t o c a d 等均已经包 含了部分特征的功能和特性，具有参数化或变量化特征设计功能，并进一步发展成为基于 特征的造型系统。 1 2 特征造型的特点和作用 特征造型与以前的几何造型相比较有以下的特点和作用： 1 ) 特征造型着重表达产品的完整技术和生产管理信息在最终产品上保留各功能形素的 原始定义和相互依赖关系以便建立和使用统一的集成产品信息模型，替代传统设计 中的成套图纸和技术文档使得产品设计和生产准备各环节得以并行展开，信息流畅 通。线框造型、曲面造型和实体造型着重完善产品几何描述问题，而忽视产品工程意 义，使设计和制造信息不连贯。 2 ) 特征造型使得产品设计在更高层次上进行，操作对象不再是实体造型所采用的线条和 体素而是产品的功能形素如螺纹孔、定位孔、键槽、凸台和耳板等特征的引用 直接体现了设计意图使得产品模型易于理解和便于组织生产设计的图样更容易修 改，节省产品设计时间。 3 ) 特征中的几何和非几何信息将产品设计意图贯彻到后续环节并及时得到意见反馈，加 2 强了产品设计、分析、工艺准备、加工制造和检验等各部门的联系，有助于推动产品 设计、工艺设计的规范化、标准化和系列化，使得产品设计及早考虑到制造要求和装 配要求，保证产品结构有更好的工艺性，为开发新一代的基于统一产品信息模型的 c a d c a p p c a m 集成系统创造前提 4 ) 它将推动各行业实践经验的归纳和总结，从中提炼出更多的规律性知识，以丰富各领 域专家的规则库和知识库，促进智能c a d 系统和制造系统的逐步实现 1 3 特征的定义和分类 1 3 1 特征的定义 客观事物都是由事物本身的特性及其相互关系构成一般地讲，特征是客观事物特点 的征象或标志。目前人们对于c a d 中特征的定义尚没有达到完全统一在研究特征技术 的过程中，国内外学者从不同的侧面、不同的角度，根据需要给特征赋予了不同的含义， 如c a m i 7 1 系统的定义为：形成于工件表面、边或角上的几何结构，用以修改工件的外部 特性；从而达到某种功能。这是从加工的角度来定义的j j s h a r i 提出：特征是一个形 状，对于这类形状，工程设计人员可以附加一些工程信息随着特征技术的进一步发展， 特征定义趋向于更一般化。下面是一些特征定义的罗列：从设计的观点看，特征是由几何 和拓扑元紊组成的形状特性。从制造的观点看，特征表示与制造相关的形状和技术属性。 从构造c a d c a p p c a m 集成产品信息模型的目的出发，及从并行工程来看特征是人们 对产品及其一组零件的描述相关的信息集合。在c a d c a m 的不同阶段，对数据的组合和 处理方法也不同。在设计阶段，设计者从功能的角度看产品，而在制造阶段工艺人员从 生产的角度看产品。由于观察的角度不同，对产品数据的理解也不同。因此，在 c a d ，c a p p c 舢集成过程中共享或交换的应该是信息据此，又及本文所涉及的范围， 作者将特征定义为： 特征是对一个或多个设计、制造活动有意义的几何形体或实体，并由此构成的一个零 件的形状和其它属性的信息集 因此，特征不仅具有按一定拓扑关系组成的特定的形状，而且反映特定的工程语义， 适宜在设计、分析和制造中使用。我们应该将特征理解为一个专业术语，它兼有形状和功 能两种属性，从它的名称和语义足以联想其特定的几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图 表示方法、制造技术和公差要求等。特别是在产品并行开发过程中特征作为c i m s 中 c a d c a p p c a m 问传递产品模型信息的媒介，利用特征建模技术，完成产品的定义和设 计能够使各c a x 应用系统可以直接从零件模型中抽取所需信息。目前，特征技术被公 认为是解决c a d ，c a p p c p 州集成的主要途径和发展方向 1 3 2 特征的分类 由于按一定规则对特征进行归类能给特征表达、操作等带来诸多好处，所以各种特征 的分类方法相继闯世。jjs h a h t l l i 川等人按产品定义数据的性质将产品信息分为5 大类广 义特征即：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征。p r a aa n dw i l s o n 1 l i ”1 为c a m i 系统提出了一个按形状和构造特点对性状特征分类的模式，现以被p d e s 作为 形状特征信息模型f h m 的组成部分，如图1 1 所示 图1 1p d e s s t e p 特征分类 l e e t l l 【1 - q 等人将特征分为设计特征和制造特征l u b y 。】【l 刀将特征分为两类：宏特征( m a c r o f e a t u r e s ) 与微特征( c o - r e a t u r e $ ) 。宏特征是指诸如箱体、u 形管、l 形支架等几何形体。 微特征是在宏特征上增加的细节构件如孔和筋板等。l a a k k o 和m a n t y l a 1 ”7 】借助计算机 编程中的面向对象技术，把特征分为特征类和特征实例特征类是包含几何信息的模板， 而特征实例则是包含指定工程信息的特征类的个体。特征实例和特征类之间有分类和继承 的关系一个特征模型就是许多特征实例的组合。h o f f m a a n f 和j o a na r i n y o t ”j 在可编辑特 征( e d i t a b l ef e a t u r e ) 的基础上提出了特征的三种基本划分：生成特征、修改特征和基准 特征。生成特征是指由二维平面图，也即所谓的二维扫描截面( s k e t c hs e c t i o n ) ，按照指定 的属性和约束生成的三维几何实体。而修改特征则定义成对点和线等进行局部的改动，如 倒角、圆弧过渡等。基准特征包括构造点、构造线和构造面，用以提供特征设计的基准和 方位。 根据上节笔者对特征的定义，对于不同的应用场合和产品类型，出于设计、制造、检 测甚至管理等目的存在着不同的信息集合即特征。本人在学习期间参与研究和完成了 ( ( 猎豹汽车整车车身结构c a d c a e 分析建模系统) ) 课题，认真分析了猎豹汽车车身各 部件零件图纸认为零件图纸主要表达了如下六个方面的信息，即存在六大类特征f 1 2 】 1 7 1 1 8 1 ： 1 ) 管理特征：用于描述零件的管理信息，如标题栏里的设计者、日期、批量、g t 码、零 件号等。 2 ) 材料特征：用于描述材料的组成成分与条件，如性能，规范和材料处理方式等。 3 ) 技术特征：用于描述零件的功能、性能和作用如性能参数、受力方式等。 4 ) 精度特征：几何形状和尺寸的许可变动量或误差，如几何公差、形位公差、尺寸公差、 表面粗糙度等。 5 ) 装配特征：用于描述零件在装配过程中需使用的所有信息。 6 ) 形状特征：用于描述有一定工程意义的几何形状信息是非几何特征的载体。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。形状特征又可分为主形状特 征和辅助形状特征简称主特征和辅特征。主特征用于构造零件的主体形状结构，辅 4 特征用于对主特征的局部修改。本文结合课题实际，提出了汽车仪表盘等复杂注塑件 的形状特征细分方法 s 1 3 3 特征间的关系 一个零件上的特征往往不是孤立的，而是存在着某些联系，这些联系称为特征间的关 系为了描述特征之间关系的方便，本文根据面向对象的方法引入了特征类与特征对象的 概念特征类是对特征的所有相同性质或属性的抽象概括，特征对象是特征类的一个的实 例。特征类与特征类之间，特征对象与特征对象之间，特征类与特征对象之间有以下几种 联系【3 】： a a j o ( a ni n s t a n c eo f ) 联系：是指某一特征对象与它所属的特征类的联系。 b c o n t ( c o n n e c tt o ) 联系：c o n t 联系反映了主形状特征对象之间空间位置的邻接关 系。 c r e f ( r e f e r e n c e ) 联系：描述特征类之间作为关联属性而相互引用的关系，引用联系 主要存在于形状特征对精度特征、材料特征等的引用，此时形状特征是其它被引用的 非形状特征的载体。 d i s t ( i ss u b o r d i n a t e dt o ) 联系：描述特征对象间的附属联系，当一个辅特征从属于一 个主特征或另一个辅特征时，则该辅特征与该主特征或另一个辅特征间是i s t 联系。 1 4 基于特征的产品信息模型 在分析了特征的定义、分类及关系的基础上，人们提出了比较统一的基于特征的产品 信息模型，如图1 2 所示。该模型从总体上分为三层：零件层，特征层和几何， 石扑屡。零 件层是关于零件子模型的索引，主要反映了零件的总体信息。特征层包括了一系列的特征 模型。几何拓扑层是关于零件的纯几何信息。该模型所表达的信息比面向几何的产品信息 模型更全面，并和基于知识的产品信息模型结合起来发展成为p d e s s t e p 标准中的集 成产品信息模型，如图1 3 所示。正如前面所述，特征造型弥补了传统几何造型的不足， 它能全面地描述零件信息，使得以后的各应用子系统能直接从零件模型中获取所需信息 1 ：惜辈雕魍1 霉件屡 圆 裔 火f | 只 迫罗| 迫掣砂特龌 jr e fi r e fi r e f | 几何与拓朴结构j 几何层 圈1 2 薹子持证的零件信息捷型总体结拘 1 5 特征的表示方法 目前，常用的特征表示方法主要有以下三种： 1 ) 基于b r e p 的方法 在b - r e p ( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 方法中，特征被定义为一个零件的相互联系的面 应用层 逻辑层 物理层 图1 3 集成产品信息模型 6 的集合即面集。这些特征也被称为面特征b - r e p 模型是基于图的，所有的几何，拓扑信息 显式地表达在面边顶点图中。b r e p 表示特征的方法受到许多研究者的喜欢，这是因为可 以得到充足的信息，以及它是基于图的表示方法( 许多特征识别系统是基于图表示的) b r e p 模型可以与属性值( 表面粗糙度，材料等) 、尺寸、和公差联系在一起，可以为工艺 规划设计、n c 刀具路径生成输入数据。b r e p 方法的缺点是它与特征体素和体积特征没有 直接联系，特征操作如删除特征难以进行 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如锥、柱、球、环、方块等，体积 元素通过布尔操作构造零件。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。对于特征提取，c s g 模型的主要问题是其表示 的不唯一性，以及缺少对低层的构形元素的显式表达。然而，给c s g 模型赋值，推导出 其相应的边界表示，就可以克服这些问题。 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 表示方法都有优缺点，因此，吸取二者优点的混合表示方法便产生 了。混合c s g b - r c p 的方法是设计系统中表示特征的较好的方法，这是因为它同时兼有 c s g 模型及b g 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 模型易于附加尺寸、 公差及其它属性于低层元素上。集成制造技术的发展，对混合模型提出了愈来愈高的要求， 现在出现了如下的趋势：将c s g 模型看作是数学模型，主要用于解决工程中的数值计算 问题；而将b - r c p 模型看作是拓扑模型，用于正确描述物体边界上的面、环、边、点的关 系。使得形状定义、边界数据定义建立起统一的几何和拓扑表达式，从而形成一个完整的 数学模型。这将使特征造型技术大大前进一步。 近年来，面向对象建模技术也用于特征表达，有关特征的知识被聚集于称之为对象的 信息单元，操作对象的知识可以是参数形式，产生式规则，过程与函数等。s h e n e l 】1 3 捷出 了参数化的，可供用户自定义特征的面向对象的特征表达模式，s h a n t l 】【3 1 提出了面向对象 的层次化特征类库的概念，并将特征的几何信息和非几何信息统- - n 同一对象体中。 1 6 特征模型的建立方法3 j n l 1 2 0 1 f 2 2 】【列【3 3 】 以特征来表示的零件即为零件的特征模型。由于特征的定义常依赖于应用，因而对不 同的应用就有不同的特征模型，例如有设计特征模型，制造特征模型，形状特征模型等 在几何造型环境下建立特征模型主要有两种方法。一种是特征识别，即首先建立一个几何 模型- 然后用程序处理这个几何模型自动地发现并提取特征。另一种方法是基于特征的 设计e q 直接用特征来定义零件的几何结构，几何模型可以由特征生成。图1 4 为两种方 法的示意图。近年来又产生了一种混合特征建模方法，即基于特征的设计与特征识别的 集成建模方法。 1 ) 特征识别 许多应用程序象工艺规划、n c 编程、成组技术编码等所要求的输入信息包含几何 构造和特征两方面。现已开发出各种技术方法，可以直接从几何模型数据库中获得这些输 7 入信息。特征识别分为特征的不完整识别和完整识别前者又称为机械加工区域识别后 者则简称为特征识别。机械加工区域识别大多集中在二维或二维半零件的铣削，所采用的 算法大致有以下3 类： a 凸壳算法 将去除的体积分解为切削体积，特征与凸壳之间的差通过循环计算判断直至差值达到 许可精度，也就是直到特征体与其凸壳充分接近，然后该物体就能表达为凸体积的序列， 这一算法的缺点是它很可能使得去除的体积并不对应于单一的机械加工操作，即一个畸形 的形状特征。 扎圆堑q 丝至! 兰雪特征 b 用 产品数据库 图1 4 特征建模方法示意图：a 特征识别b 基于特征的设计 b 单元分解法 单元分解法的基本原理是将零件分解为一系列可识别的加工单元，由于难保证精加工 刀具路径的精确度所以单元分解技术主要用于生成糨加工方案。 c 几何推理法 几何推理法的基本过程是设计特定的推理算法确定加工操作。 与机械加工区域识别不同，特征识别是将几何模型与一些预先定义好的特征型 ( g e n e t i cf e a t l l r e ) 进行比较，确定相匹配的特征实体一般由以下步骤组成i 搜索产品几 何数据库，匹配特征几何，拓扑类型讧从数据库中提取已识别出的特征实体i i 确定特定 的描述参数如孔径、腔深等。i v 构造特征几何模型如边、面的闭合与增加v 组合简单特 征以获取高级特征。 特征识别的方法有上述提到的基于体积的方法和基于表面的方法，识别的对象有c s g 模型b - r e p 模型。由于所采用的技术问的重合交叉，敲很难将特征识别划分出一个明了 的类别，这些识别方法通常由以下4 种技术不同组合而成：匹配、实体增长、体积分解、 识别c s g 树。其中匹配是特征识别算法的核心技术一般分为句法模式匹配和图结构匹 配。图结构匹配又可进一步分为纯图匹配与增强邻接图匹配实体增长主要用于b - r e p 数 据模型识别，特征由封闭的面构成一个有限的体首先识别已存在于b r e p 中的面然后 添加必要的新面以形成封闭的形体。一般有边延伸面延伸，半空间延伸三种方法。体分 解的目的是标识从原料上切除的材料并将它们分解成不同加工操作对应的加工制造单 元。一般而言，由加工操作切除的体积可以由毛坯与最终的布尔差得到。无论采用什么方 法，特征识别仍有如下局限性：1 对简单形状的识别比较有效，当产品形状复杂时，特征 识别的实现比较困难。2 特征识别方法虽然可表达形状特征，但特征之间的相互关系定义 仍是一个悬而未决的问题。 2 ) 基于特征的设计 在基于特征的设计方法中，特征从一开始就力求融合在产品模型中，并试图提供更丰 富的产品信息，与后续过程实现信息共享与集成定义的特征原型被用户放入一个库中， 即用户自定义特征库u d f l ( u s e rd e f i n e df e a t u r el i b r a r y ) 通过定义尺寸，位置参数和各 种属性值，可以建立特征实例。下面讨论三种主要的基于特征的设计方法。 a 特征分割造型 零件模型是通过毛坯材料与特征的布尔运算创建的利用移去毛坯材料的操作，将毛 坯模型转变为最终的零件模型，设计和加工规划可以同时生成毛坯模型可以是一个方形 块，也可以是由各种扫掠方法生成的形状，如p r o e n g i n e e r 系统中，毛坯可以是由平移扫 掠或者旋转扫掠而成的任意形状。 b 特征合成法 系统允许设计人员通过加或减特征进行设计。首先通过一定的规划和过程预定义一般 特征，建立一般特征库然后对一般特征实例化并对特征实例进行修改、拷贝、删除等， 生成实体模型，导出特定的参数值等操作建立产品模型。 c 基于特征的设计与特征识别的集成建模方法 在基于特征的设计方法中，特征模型是在设计阶段创建的设计人员所得到的信息立 即包含在模型中。可是用户在面向一个特定的应用之前，就需要定义各种特征，这种方式 用于设计的特征集是有限的，而且生成的特征模型是严格地依赖于某一个应用场合的，它 不能在不同的应用场合共享。在特征识别方法中，特征是从零件的几何模型中提取的，设 计人员可以较自由地利用几何体紊定义物体形状，但已知的功能信息就丢失了。几何描述 可以适应不同的场合，然而仅可以识别出数据库中己存储的特征。由此看来，基于特征的 设计及特征识别方法，如果单独使用或者以严格的顺序方式使用，并不能完善地支持产品 零件特征模型的构建。在并行工程环境中，进行有效的基于特征的建模方法似乎应当是以 上两种方法的结合，即基于特征的设计与特征识别的集成建模方法基于集成的系统应该 提供以下功能：利用特征和几何体紊生成产品的特征模型，创建特定应用的特征类，在不 同的应用场合之间对特征类进行映射。这样用户可以直接使用特征设计零件的一部分， 同时还可以使用底层的实体造型器设计零件的其它部分基于特征的设计与特征识别的 集成建模方法将会在第五章汽车仪表盘模具设计中得到应用和具体阐述。 1 7 特征映射 特征识别和基于特征的设计虽然解决了基于特征的信息建模问题，但特征是与具体应 用相关的，因此存在一个表达空间的转换问题即特征映射特征映射是指产品从某特征 表达空间向另一个表达空间的转换，往往指从产品的设计特征表达空间向其它应用系统如 c a p p 、c a m 等的特征表达空间的转换。如果某个设计特征正好是制造特征，那么从设计 特征表达空间的转换就是一对一的简单映射另外，根据实际情况，可能存在的映射模型 还有对等映射，投影映射，共轭映射等。目前特征映射还不能理想地应用于特征设计中， 有关特征映射的研究有待更深入研究。 2 面向对象技术综述 2 1 面向对象技术的产生 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d , 简记为0 o ) 技术是近年来广泛使用的一种系统分析与模 型描述的有效方法随着计算机的普及应用，人们越来越希望能更直接与计算机进行交互， 而不需要经过专门学习和长时间训练后才能使用它。这一强烈愿望使得软件设计人员的负 担越来越重，也为计算机领域自身的发展提出了新的要求利用传统的程序设计思想无法 满足这一要求，人们就开始寻求一种更能反映人类解决问题的自然的方法，面向对象技术 正是在这样的情况下产生的。近年来，面向对象分析，面向对象设计得到了迅速发展，并 开始实际应用。除了程序设计和信息系统的开发以外，面向对象的作用还涉及更加广泛的 领域，如人工智能技术、图形用户接口、以及正在快速发展的c a d c a m 技术、计算机集 成制造系统( c i m s ) 、交互式系统模拟、网络技术等。 2 2 面向对象的概念和特点 在面向对象技术中，有以下的一些基本概念和特点： 1 ) 对象 在面向对象的系统中，对象是基本的运行时的实体，它既包括数据( 属性) 也包括作 用于数据的操作( 行为) 所以一个对象把属性和行为封装成一个整体。从程序设计者来 看，对象是一个程序模块，从用户来看，对象为他们提供了所希望的行为。在对象内的操 作通常叫作方法。对象是构成和支撑整个面向对象设计的细胞和基石。它具有下述三个特 点： a 模块独立性 从逻辑上看，一个对象是独立存在的模块。对使用者来说，只需了解它具有哪些功能， 至于它如何实现这些功能和使用哪些局部数据来完成它们，由模块内部处理。这意昧着模 块内部状态不会因外界的干扰而改变也不会波及到其它模块。 b 动态连接性 客观世界中的对象，并不是孤立地存在的，它们之间相互联系、相互作用、相互连接， 构成了各种不同的系统。在面向对象程序中，通过消息激活机制，把对象动态连接在一起。 c 易维护性 由于对象的功能被隐藏，好象一层封装壳保护在对象内部。所以修改和完善功能及其 实现的细节都被局限于该对象的内部，不会涉及到外部，这就使得对象和整个系统变得非 常容易维护。 0 2 )消息 在面向对象的系统中，对象之间的联系是通过消息传递来实现的，当一个消息发送给 某个对象时，包含要求接受对象去执行某些活动的信息接受到消息的对象经过解释，然 后予以响应发送消息的对象不需要知道接受消息的对象如何对请求予以响应。消息具有 三个性质： a 同一对象可以接受不同形式的多个消息，产生不同的响应 b 相同形式的消息可以送给不同的对象，所作出的响应可以是截然不同的 c 消息的发送可以不考虑具体的接受者，对象可以响应消息，也可以不予理会，对消息 的响应并不是必须的。 对象间传递的消息主要有三种作用： ， a 可以返回对象的内部状态的消息 b 可以改变对象的内部状态的消息。 c 可以做一些特定的操作，改变系统状态的消息。 3 ) 类 类是面向对象系统中最重要的概念。面向对象程序设计中的所有操作都可归结为对 类的操作。一个类定义了一组大体上相似的对象一个类所包含的方法和数据描述一组 对象的共同行为和属性。类是客观对象的抽象，类和对象的关系可看成是抽象与具体的 关系。属于同一类的不同对象具有相同的操作集合与相同的属性集合，但具有不同的属 性值和对象名。它们是从具有相同属性与相同操作的特征对象中抽象出来的。有了类以 后，对象则是类的具体化，是类中的属性被赋予了特定的值后的实例。类可以有子类 可以有父类，从而形成层次结构。 2 3 面向对象系统的特性 面向对象系统最突出的特性就是封装性、继承性和多态性。要全面地、系统地定义和 描述实体，面向对象系统必须具备三个基本性质： l l 封装性 在面向对象程序设计中，封装是指将一个数据和与这个数据有关的操作集合放在一 起，形成一个能动的实体，即对象。用户不必知道对象行为的实现细节，只蔫根据对象提 供的外部特性接口访问对象即可封装必须具备下面几个条件： a 具有一个清楚的边界。对象的所有私有数据、内部程序细节都被固定在这个边 界内。 b 具有一个接口。这个接口描述了对象之间的相互作用、请求和响应，这个接口就是消 息。 c 对象内部实现代码受到封装壳的保护其它对象不能直接修改本对象所拥有的数据和 代码。 面向对象系统的封装性是一种信息隐藏技术它使系统设计员能够清楚地表明它们所 提供的服务界面。而用户和应用程序员则只看见对象提供的操作功能，看不到其中的数据 或操作细节。面向对象系统的封装单位为对象，即主要指对象的封装，该对象的特性是由 它所属的类说明来描述。封装性强调了对象的独立性，同时很好地处理了对象之间的相互 联系性，比较真实地描述了客观世界。 2 ) 继承性 继承性是父类和子类之间共享数据和方法的机制，反映了现实世界中的对象属性的共 性以及对象之间的层次关系。它表达的是对象类之间的相交关系，它使得某类对象可以继 承另外一类对象的特征和功能若类之间具有继承性关系，则它们之间应具有下列几个性 质： a 类间具有共享特征 b 类间具有细微的差别或新增部分 c 类间具有层次结构。 在面向对象系统中引入继承机制具有以下优点： a 能清晰地体现相关类之间的层次结构关系。 b 能减少数据的冗余度。 c 能通过增加一致性来减少模块间的接口和界面大大增加程序的易维护性。 d 继承是在一些比较一般的类的基础上构造、建立和扩充新类的最有效的手段。 3 ) 多态性 不同的对象收到同一消息可产生完全不同的结果，这一现象叫做多态。对于不同的类 我们可以给它们定义同一种操作，但对于各个类来说，这些操作是以不同方式来执行或实 现的。这样，不同的对象接受到相同的消息时就可以产生不同的动作。多态性也充分反 映了信息的可重用性及事物的个性。 2 4 面向对象设计的方法 在软件设计的领域中，随着计算机的发展，使用过不同的设计方法，起主导作用的基 本上是：结构化程序设计方法和面向对象设计方法。结构化程序设计方法强调了功能抽象 和模块化，它将解决问题的过程看作是一个处理过程面向对象设计方法模拟了人类认识 问题中较高、较广层次的过程，即分类过程，并综合了功能抽象和数据抽象，将解决问题 看作是一个分类演绎过程。面向对象设计方法是一种直观方法，它通常可归结为下述三步： a 发现对象 所有对象都有唯一的标识对象之间是可以区分的，具有共同特性的对象组成了类。 b 发现对象之间的关系 对象之间存在着许多关系，主要有两种即委托关系和继承关系。 c 发现类 类所描述的是具有相似性质的组对象这组对象具有相似的行为模式相似的关系 和语义。识别类可以用直观的方法即将现实世界中的类映射到软件解空间的类。还可以 用抽象的方法识别类，通过观察各个对象或多个类之间的共同特性，抽出新的类。 面向对象设计方法可以分为三级： 1 2 a 第一级帮助系统分析员以面向对象的方式来分析和考察应用系统，此级被称为概念级 b 第二级集中在面向对象程序设计时期的几个重要问题上，例如，集中的和分散的控制 流及类继承问题。此级被称为系统级 c 第三级考虑设计规范的产生，这些规范将被传递给实现阶段，此级被称为规范级 3 课题来源及本文的研究重点 本文研究的课题以湖南大学c a d 中心与长丰集团合作的( ( 猎豹汽车整车车身结构 c a d c a e 分析建模系统 ) 研究项目为基础，在完成了车身及部分内饰件等具有非规则自 由曲面的复杂形体的造型后，着