第四章特征造型

第四章特征造型第一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五第四章特征造型4.1特征定义4.2特征分类4.3基于特征的零件信息模型4.4特征造型系统实现模式4.5特征造型的关键技术4.6特征技术的发展第二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五简介特征造型是近二十年来发展起来的一种新的造型方法，它是CAD第三次技术（参数化技术）革命的里程碑。特征(Feature)一词的出现，最早是在一九七八年MIT的GossardD.C.所指导的SoltesJ.W的学士论文“AFeature-BasedRepresentationofPartsforCAD”中。第三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五4.1特征定义从加工角度看，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征；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；从设计角度看，特征又分为设计、分析和设计评价等。第四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五实例设计特征第五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五实例分析特征第六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五实例工艺规程设计特征第七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五实例数控加工特征第八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征定义特征的认识不同，至今尚无统一的特征定义，Shah指出一个特征所至少需要满足以下几个条件中的一个：零件的物理组成部分；可以映射到某一个具体的形状；有工程意义；有可以预知的属性。第九页，共四十二页，编辑于2023年，星期五一些组织机构对特征的定义

第十页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征定义通用定义：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，通过它们我们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。更为严格的定义也被使用：特征就是一个包含工程含义或意义的几何原型外形。特征在此已不是普通的体素，而是一种封装了各种属性（attribute）和功能（function）的对象。第十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征的作用在CAD系统引入“特征”后，能够起到以下三方面的作用：①表示设计意图；②简化传统CAD系统中繁琐的造型过程；③从高层次上对具体的几何元素如点、线、面进行封装。第十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五4.2特征分类

从产品整个生命周期来看，可分为：设计特征、分析特征、加工特征、公差及检测特征、装配特征等；(STEP产品模型)从产品功能上，可分为：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征；从复杂程度上讲，可分为：基本特征、组合特征、复合特征。第十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征分类从工程应用的角度

1．形状特征(FormFeature)2．装配特征(AssemblyFeature)3．精度特征(PrecisionFeature)4．材料特征(MaterialFeature)5．分析特征(AnalysisFeature)6．补充特征(AdditionalFeature)第十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五1．形状特征形状特征用于描述某个有一定工程意义的几何形状信息，是产品信息模型中最主要的特征信息之一。它是其他非几何信息如精度特征、材料特征等的载体。非几何信息作为属性或约束附加在形状特征的组成要素上。形状特征又分为主特征和辅特征。主特征用于构造零件的主体形状结构；辅特征则用于对主特征的局部进行修饰，它依附在主特征之上。辅特征又有正负之分，正特征向零件加材料，用来描述如凸台、筋板等形状实体；负特征向零件减材料，用来描述孔、槽之类的形状。在辅特征中还包括修饰特征，用来表示印记和螺纹等。第十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五2．装配特征装配特征用于表达零件的装配关系，以及在装配过程中所需的信息，包括位置关系、公差配合、功能关系、动力学关系等，有时也包括在装配过程中生成的形状特征，如配钻等。第十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五3．精度特征精度特征用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或误差，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。精度特征又可细分为形状公差特征、位置公差特征、表面粗糙度等。第十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五4．材料特征材料特征用于描述材料的类型、性能和热处理等信息，如强度和延展性等力学特性、导热性和导电性等物理化学特性、以及材料热处理方式与条件(如整体热处理、表面热处理等)。第十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五5．分析特征分析特征用于表达零件在性能分析时所使用的信息，如有限元网格划分、梁特征和板特征等。也称技术特征。第十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期五6．补充特征补充特征用于表达一些与上述特征无关的产品信息，如用于描述零件设计的GT(成组技术)码等管理信息的特征，也可称之为管理特征。第二十页，共四十二页，编辑于2023年，星期五一般把形状特征与装配特征叫做造型特征，因为它们是实际构造出产品外形的特征。其他的特征称为面向过程的特征，因为它们并不实际参与产品几何形状的构造，而属于那些与生产环境有关的特征。第二十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征分类图

第二十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五4.3基于特征的零件信息模型

第二十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五4.4特征造型系统实现模式

(1)特征交互定义(2)特征自动识别(3)基于特征的设计第二十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征创建方法第二十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征交互定义早期的造型系统。设计人员先用造型系统完成几何造型，然后再进入特征定义系统，通过交互式的定义操作将特征信息附加到已有的几何模型之上。这种方法实现简单。有很多缺陷：①交互操作繁琐，效率低；②特征信息与几何模型无必然联系，零件形状发生改变，定义在其上的特征需重新定义。第二十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征自动识别设计人员首先进行几何设计，然后通过一个特定领域的特征自动识别系统从几何模型中识别或抽取特征。部分解决了实体造型系统与系统间信息交换的不匹配问题，提高了设计的自动化程度。有一定的局限性：①对简单形状特征的识别比较有效，当产品比较复杂时，特征识别就显得很困难，甚至无效；②特征识别使形状特征在形状上得到了一定程度的表达，但形状特征之间的关系仍无表达。第二十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五基于特征的设计目前特征造型系统最高实现方式。在这种方式下，系统采用具有特定应用含义的特征，为用户提供更高层次的符合实际工程设计过程的设计概念和方法，因而使设计效率和设计质量大大提高。此外，在设计过程中还可方便地进行设计特征的合法性检查、特征相关性检查，并可组织更复杂的特征。第二十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五基于特征的设计特征的描述

►几何形状的表示；

►相关的处理机制；

►特征高层语意信息。面向对象的特征表示特征标示ID特征类型Brep特征引用FDG参数与约束CBG特征操作第二十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期五基于特征的产品描述

第三十页，共四十二页，编辑于2023年，星期五基于特征的参数化设计产品的描述是形状特征的集合，产品的描述包含特征构成的描述和参数化变量的描述。约束通常可分为几何约束和工程约束两大类。几何约束包括结构约束(也称拓扑约束)和尺寸约束。第三十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五基于特征的参数化造型结构第三十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五4.5特征造型的关键技术几何表达/显示布尔操作几何约束求解特征编码第三十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五几何约束求解数值代数方法；符号代数方法；推理方法；图论方法；第三十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五特征编码技术特征编码技术（基础）：从AutoCAD二维造型，到ACIS实体造型核心，没有进行特征编码会出现的问题。指针的直接引用是不能够解决这个问题的，因为指针的直接引用毕竟是暂态的，因此是不稳定和不可靠的。特征编码思路：基于Brep表示法，体——面——线——点，研究拓扑实体的命名规则，以确保零件在重构时，被引用的拓扑实体能够被识别出来。特征编码的主要功能：拓扑实体编码、传播、记录和解码。第三十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五4.6特征技术的发展基于知识的工程(KBE)行为建模(BM)第三十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五KBE由于KBE技术的开放性，迄今为止，尚无一种公认、完备的定义。KBE的基本内涵是面向工程，以提高市场竞争力为目标，通过工程产品知识的继承、繁衍、集成和管理，建立工程产品的分布式开放设计环境，并获得创新能力的工程设计方法。由此可见，KBE的特点在于：

KBE不仅是一个知识的处理过程，包含知识放继承、繁衍、集成和管理，而且产品创新设计的重要使能技术。

KBE不仅能够表示多种形式的知识，而且能够处理多应用领域的知识，因而是集成化的大规模知识处理环境。

KBE是面向工程产品全生命周期的系统集成，是一种开放的体系结构，对不同领域具有不同的解决方案。第三十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五UG/KFUG提供了知识驱动自动化（KnowledgeDrivenAutomation）解决方案，将KBE

系统与CAx软件系统完全集成。KDA是一个能够记录、重复使用工程知识并用来驱动、建立、选择和装配相应的几何模型的系统。这套解决方案包括UG/KF(KnowledgeFusion，知识融合)和一系列过程向导。UG中采用创成（Generative）和吸纳机制（Adoption）将知识与CAx系统融合。特别是吸纳机制解决了从现有的成熟产品与实践中总结和反求知识的问题。使用Adoption可以为一个已存在的UG对象建立规则，使这个UG对象与规则相关。因为用KF语言建立复杂造型过于繁琐，所以可以用交互方式进行几何建模。对象建立后，使用Adoption，系统自动生成相应的规则，这个对象的参数定义为规则的属性。规则通过属性来控制对象。

第三十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五CATIAV5知识工程Knowledgeware在CATIAV5知识工程Knowledgeware包含以下7个分模块。1.KnowledgeAdvisor：知识顾问

提供了捕捉工程知识作为嵌入特征、客户化重构、参数利用、公式利用、规则利用、强力拷贝、定义关系以及反应特征等功能。2.KnowledgeExpert：知识专家

提供了检测规则、规则导入、全局分析检测、客户化检测报表、专家语言系统、规则编辑器、超限特征高亮以及对象条件库等功能。3.ProductEngineering

Optimizer：产品工程优化器提供了定义优化过程、定义几何约束、最值寻优、实验方法设计、实验工具设计、生成优化报表以及利用关系定义参数变化范围等功能。4.ProductKnowledgeTemplate

产品知识模板提供了设计数据表格化分类、用户特征定义目录、特征搜寻、零件设计模板、装配设计模板、创成式脚本语言以及交互式设计模板等功能。5.BusinessProcessKnowledge

Template：业务流程知识模板提供了工作环境创建、技术目标创建、行为创建、行为综合、行为链接、问题检测工具、创成式零件设计表格以及技术条件特征添加等功能。6.ProductFunction

Optimization：产品功能优化提供了精确描述产品功能系统、可视化产品功能系统、产品功能系统识别、产品功能系统简化、产品解决方案以及输入输出技术优化文件等功能。7.ProductFunctionalDefinition

产品功能定义提供了创建图