机械CAD特征建模技术研究最终版

CAD/CAM 及 其 应 用 结 课 大 作 业组员班级-学号-姓名： 机械 3班-26 号-余浩源 组员班级-学号-姓名： 机械 3班-27 号-冼浩华 组员班级-学号-姓名： 机械 3班-28 号-陈焕新 组员班级-学号-姓名： 机械 3班-29 号-范尚奎 组员班级-学号-姓名： 机械 3班-30 号-王昊 CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 1 -页机械 CAD特征建模技术研究摘要：机械 CAD/CAM 特征建模技术作为一种新兴的建模方法，弥补了实体建模多方面的不足，是实现 CAD/CAM 集成化和智能化的关键技术。本文介绍了 CAD 特征建模技术的分类和方法，特征间的关系和不同应用域特征的映射，最后以 UG 系统的特征建模技术为实例，较全面地向读者展示 CAD 特征建模技术相关知识及未来发展方向和趋势。关键词：特征建模、分类、特征关系、方法、UG、发展趋势1 引言特征建模技术是先进制造技术的发展要求，建立一个共享的零件特征模型是CAD/CAPP/CAM集成系统的关键技术之一。特征建模系统能提供后续 CAM系统所需的零件几何信息和工艺信息，实现各个 CAX系统之间的信息共享与交换。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备面向制造的加工和工艺信息，由于特征模型在表达零件的形状结构以及制造特性上具有优越性，使CAD、CAPP、CAM 等系统共享统一的产品模型成为可能。为满足设计到制造各个环节的信息统一要求，建立统一的产品信息模型，推出了特征建模系统，机械 CAD特征建模技术弥补了实体建模产品定义不完整、数据的抽象层次低、支持产品设计、制造的程度较差等方面的不足，它在实体模型基础上抽取了结构特征要素，对设计对象进行更为丰富的描述和操作，易于理解和使用，为后续作业过程提供充分的工程和工艺信息，是实现 CAD/CAM集成化和智能化的关键技术。特征建模技术发展很快，ISO 颁布的 PDES/STEP 标准已将部分特征信息（形状特征、公差特征）引入产品信息模型。2 特征建模概述所谓特征是从工程对象中概括和抽象后所得到的具有工程语义的功能要素。特征建模即通过特征及其集合来定义、描述实体模型的方法和过程，是建立在实体建模基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制造过程进行设计的建模方法，不仅包含与生产有关的非几何信息，而且描述这些信息之间关系 。2.1 特征的定义CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 2 -页目前对于 CAD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。最初的特征定义仅包含了几何意义，即主要是它的形状特征，但实际上特征应该包含更多、更广泛的含义和信息。由于特征源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，因此对特征的认识也不尽相同，至尽尚无统一的特征定义。目前较为通用的定义是1992年 Brown所给出的：特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属性，通过它们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。随着特征技术由工艺规划向设计、检验和工程分析方面的拓展，特征定义趋向于更一般化，如：用于描述零件和装配体的语义组，它将功能、设计和制造信息组合在一起；一个几何形状或形体要素，它至少具有一种 CIM功能；产品信息的载体，它可以在设计和制造或者其他工程任务之间辅助设计或进行通讯；任何用于设计、工程分析和制造的推理的客观对象等。总之，特征是产品信息的集合，它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状，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。2.2 特征建模的特点 1.特征建模技术使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功能要素，产品设计工作在更高的层次上展开，特征的引用直接体现设计意图。2.特征建模技术可以建立在二维或三维平台上，同时针对某些专业应用领域的需要，建立特征库就可实现特征建模技术，快速生成需要的形体。3.特征建模技术有利于推动行业内的产品设计和工艺方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、制造要求，有利于降低产品的成本。4.特征建模技术提供了基于产品、制造环境、开发者意志等诸方面的综合信息，是产品的设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间具有了共同语言，可更好将产品的设计意图贯彻到各后续环节，促进智能 CAD系统和智能制造系统的开发，特征建模技术也是基于统一产品信息模型的 CAD/CAM/CAPP集成系统的基础条件。CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 3 -页5.特征建模技术着眼于更好、更完整地表达产品全生命周期的技术和生产组织、计划管理等多阶段的信息，着眼于建立 CAD系统与 CAX系统、MRP 系统与 ERP系统的集成化产品信息平台。2.3 特征建模的功能 预定义特征，并建立特征库，实现基于特征的零件设计； 支持用户自定义特征，完成特征库的管理操作； 对已有的特征可进行删除和移动操作； 零件设计中能提取和跟踪有关几何属性。2.4 特征建模系统构成体系 IST 零件 形状特征模型 几何/拓扑材料特征模型 精度特征模型 管理特征模型 技术特征模型 IST IST IST IST IST IST-从属关系 几何层特征层 REF REF REF-引用关系 REF 零件层 零件信息模型3 特征建模分类目前特征的分类还没有统一的体制。一般来说，特征可分为造型特征和面向过程的特征。造型特征（又称为形状特征）是指那些实际构造出零件的特征，而面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的构造。面向过程的特征可细分为：精度特征、材料特征、管理特征、技术要求特征和装配特征等。3.1 形状特征建模形状特征模型形状特征是描述零件或产品的最主要的特征，主要包括几何信息、拓扑信息。CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 4 -页圆孔 锥孔 平键槽 弧形槽 T形槽 挡圈槽形 状 特 征形 状 特 征主 特 征主 特 征 辅 特 征辅 特 征简 单 主 特 征 宏 特 征 简 单 辅 特 征 复 制 特 征 组 合 特 征圆柱体 圆锥体 长方体 轮毂 轮幅 盘 孔 螺纹 槽 花键 周向均布孔阵列孔 轮缘 同轴孔 中心孔圆 柱齿 轮轮 缘 V 带轮 轮缘圆孔 锥孔 平键槽 弧形槽 形槽 挡圈槽形 状 特 征形 状 特 征主 特 征主 特 征 辅 特 征辅 特 征简 单 主 特 征 宏 特 征 简 单 辅 特 征 复 制 特 征 组 合 特 征圆柱体 圆锥体 长方体 轮毂 轮幅 盘 孔 螺纹 槽 花键 周向均布孔阵列孔 轮缘 同轴孔 中心孔圆 柱齿 轮轮 缘 带轮 轮缘零件形状特征的分类 主特征用来构造零件的基本几何形体，根据特征形状复杂程度分为简单主特征和宏特征。 宏特征，指具有相对固定的结构形状和加工方法的形状特征，其几何形状比较复杂，而又不便于进一步细分为其它形状特征的组合。 依附于主特征上的几何形状特征主特征的局部修饰，反映零件几何形状的细微结构。组合特征由简单辅特征组合而成。 复制特征由同类型辅特征按一定规律在空间不同位置上复制而成。 在 STEP 标准中，形状特征被分为体特征、过渡特征和分布特征：体特征：构造零件主体形状特征，如凸台、孔、圆柱、矩形体等。过渡特征：如倒角、圆角、退刀槽、键槽等，一般附属于主特征之上。分布特征：如圆周均布孔、阵列分布孔等。CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 5 -页从几何形状角度，又有：通道：与已存在的形状特征两端相交的被减体。凹陷：与已存在的形状特征一端相交的被减体。凸起：与已存在的形状特征一端相交的附加体。某些形状特征a）通道 b）凹陷 c）凸起此外，在特征建模系统中一般还定义有拉伸特征、旋转特征、扫描特征、混成特征、孔特征、倒角特征、抽壳特征等形状特征，以及基准工作面、基准工作轴、基准点等辅助特征。3.2 精度特征模型用于表达零件各要素尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。一般形位公差除公差项目名、公差值、基准外，还应包含公差检测原则（如包容原则、最大实体原则等）。精度特征是形成零件质量指标的主要依据。形状公差的数据结构 特征标识 形状公差名 公差值 公差等级 实体状态 被测几何要素I E R I E *Pt表面粗糙度的数据结构 材料获取方式 评定参数名 评定参数值 被测几何要素E E R *PtE枚举数据类型 I整型数据类型 R实型数据类型 *Pt指针 3.3 材料特征模型材料特征模型包括材料信息和热处理信息,热处理信息包括热处理方式、硬度单CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 6 -页位和硬度值的上、下限等,材料信息包括材料名称、牌号、和力学性能参数等。热处理特征模型的数据结构 热处理方式 热处理工艺名 硬度单位 最高硬度值 最低硬度值 被测几何要素E E E I I *Pt表面粗糙度的数据结构 材料名 力学性能参数 性能上限值 性能下限值S E R RS字符数据类型 E枚举数据类型 I整型数据类型 R实型数据类型 *Pt-指针 3.4 管理特征模型管理特征主要是描述零件的总体信息和标题栏信息，如零件名、零件类型、GT码、零件的轮廓尺寸(最大直径、最大长度)、质量、件数、材料名、设计者、设计日期等。管理特征模型的数据结构零件类型零件名图号 GT 码 件数 材料名 设计者 设计日期其它E S S S I S S SS字符数据类型 E枚举数据类型3.5 技术特征模型技术特征用于描述零件的性能、功能等相关信息。说明外观要求、搬运要求等无法在图纸上标注的要求，零件运行过程中工况条件（常规、极限），载荷与约束条件，为 CAE提供模拟信息，为性能实验、分析计算、优化，有限元前处理提供条件。3.6 装配特征模型装配特征用于表达零件在装配过程中所需用的信息，如与其它零件之配合、配作等关系，装配尺寸链信息、父项子项的信息。为装配工艺提供必要的信息，如组CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 7 -页成产品的零部件之间在装配中的关系可分为：层次关系：机械产品是由具有层次关系的零部件组成的系统。装配关系：包括描述实体模型几何元素之间直接关系的几何关系，比如平面贴合、点面接触相切；描述零部件之间高于几何层次的机械关系，如螺纹联接、键联接等；描述零部件之间运动关系（相对运动或传递运动），如相对转动，齿轮传动等。4 特征间的关系特征类是关于特征类型的描述，是具有相同信息性质或属性的特征概括，特征实例是对特征属性赋值后的一个特定特征，是特征类的一个成员，通常分为特征类之间、特征实例之间、特征类与特征实例之间关系。4.1继承关系：继承关系构成特征之间层次联系，继承关系称 AKO（A-Kind-of）关系，如特征与形状特征之间的关系。特征类与特征实例之间关系称为INS（Instance）关系，如某一具体的圆柱体是圆柱体特征类的一个实例，它们之间反映了 INS关系。4.2邻接关系：CONT（Connect-To）反映形状特征之间的相互位置关系。构成邻接联系的形状特征之间状态可共享，如一根阶梯轴，每相邻两个轴段之间的关系就是邻接关系，其中每个邻接面的状态可共享。 4.3从属关系：IST（Is-Subordinate-To）表示形状特征之间的依从或附属关系。从属的形状特征依赖于被从属的形状特征而存在，如倒角附属于圆柱体。4.4引用关系：REF（Reference）描述形状特征之间作为关联属性而相互引用的联系。 引用联系主要存在于形状特征对精度特征、材料特征的引用。5 特征建模的方法5.1 特征交互定义CAD/CAM 及其应用结课大作业第- 8 -页特征交互定义是方式是有设计人员先创建一个零件的几何模型，或根据已有的几何模型，通过人机交互的方式选择几何模型中的相关几何实体，进行特征定义，以此建立零件或产品的特征模型和数据结构。这种方法易于实现，但建模效率低。5.2 特征自动识别特征识别是建立在已有几何模型基础上，按照给定的模板通过一系列的算法对已有几何模型进行匹配，识别出相应的形状特征，并加以定义，以达到特征建模的目的。这种方法比较复杂，容易出错，对于复杂的零件有时甚至难以实现。许多应用程序，如工艺规划、NC 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入信息。这些方法常被看作特征识别，它将几何模型的某部分与预定义的特征相比较，进而识别出相匹配的特征例。特征识别中的关键技术主要有：匹配、构形元素(点、线、面等)生长、体积分解、从 CSG树中识别特征等等。5.3 特征设计特征设计方法是借助于特征造型系统来建立产品的特征模型。进行特征建模时，由于设计人员直接调用特征造型系统中的各类特征，在基本毛培模型上通过增加、删除、编辑修改等作业来建立产品的特征模型。在基于特征的设计方法中，特征从一开始就加入在 产品模型中，特征的定义被放入一个库中，通过定义尺寸、位置参数和各种属性值可以建立特征实例。特征设计和特征识别是当前两种最主要的