机械CAD特征建模技术研究最终版.docx
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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①班级-学号-姓名：
机械3班-26号-余浩源
组员②班级-学号-姓名：
机械3班-27号-冼浩华
组员③班级-学号-姓名：
机械3班-28号-陈焕新
组员④班级-学号-姓名：
机械3班-29号-范尚奎
组员⑤班级-学号-姓名：
机械3班-30号-王昊
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
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。
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
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。
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：
①体特征：
构造零件主体形状特征，如凸台、孔、圆柱、矩形体等。
②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。
③分布特征：
如圆周均布孔、阵列分布孔等。
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
*Pt
E—枚举数据类型I—整型数据类型R—实型数据类型*Pt—指针
3.3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
R
S—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
S
S—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
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特征建模方法。
特征设计作为主要的设计工具，侧重于对设计的支持，如提供参数化、变量化等设计手段，方便设计的修改以及对设计意图的记录。
特征识别为下游应用系统提供智能化信息接口，可从产品CAD几何模型中抽取面向下游应用的产品形状信息。
由于一般特征建模系统直提供一些常见的形状特征，而用户在产品设计中经常需要一些与企业产品和加工工艺密切联系的新特征，这就要求特征造型系统能够提供用户特征开发工具，允许用户根据自身需要建立满足自身要求的特征库。
目前，商品化CAD/CAM系统通常为用户同时提供了几何造型和特征设计的手段。
设计人员可以直接利用造型系统中的各类参数化特征和常规的几何造型工具，更加灵活、方便地表达设计意图，提高了设计的效率。
常见的特征建模方法
a）特征交互定义b）特征自动识别c）特征设计
6不同应用领域特征的映射
根据工程应用的侧重点不同，可将特征分为以下几个领域：
6.1设计特征域
用于产品设计的特征，包括零件的形状特征、精度特征、材料特征阿赫管理特征等。
设计特征是特征映射的基础。
6.2分析特征域
对产品力学性能、动态特性、可制造性进行分析时所需要的信息，如有限元分析网格自动划分所需要的产品几何信息和拓扑信息，系统仿真需要的几何约束信息等。
6.3工艺特征域
指与工艺信息相关联的特征形状要素及其工程语义，如公差、材料、表面粗超度和工艺处理要求等。
6.4制造特征域
在机械加工领域，制造特征描述零件毛坯去除的部分，表征余制造相关的形状和技术属性，其特征集主要包括孔、槽、凹陷等。
在工艺规划时，将利用这些特征生成零件制造工艺规程。
6.5装配特征域
指零件装配所需要的关于装配类型、装配方向、装配次序和配合关系等信息
由于特征具有对视域的依赖性，随着视域的不同将导致对产品特征模型的不同理解，所选用的造型特征也可能不一样。
如图a，从设计视域考虑可认为是由于块体和筋特征组成的，可在块体上通过附加两块筋特征进行造型，如图b；
而从机械制造加工角度考虑，则是由毛坯和槽特征组成，是由毛坯基体上挖除一个槽特征得到的，如图c
不同视域对模型理解的差异
a）零件b）设计视域特征模型c）制造视域特征模型
特征的多视域性阻碍了各应用系统之间的信息集成。
为了使后续的计算机辅助作业过程能直接利用CAD产品信息，就必须将设计特征转化为各种后续应用领域所需要的特征。
例如设计特征向制造特征的映射，有三种转换途径：
设计特征向制造特征的转换
①直接映射：
若设计特征与加工特征相一致，无需转换，直接映射。
②共轭映射：
若设计特征与加工特征无明显一致性，但功能密切相关，可进行共轭映射，如将凸特征转化凹特征。
直接映射共轭映射
③特征识别：
对领域知识有较强依赖性特征，且没有任何明显对应关系，须用特征识别方法（特征面邻接图）确定制造特征。
7UG系统的特征建模技术示例
应用UG系统以某一支架零件造型为例，说明特征建模技术在产品设计过程的应用。
支架零件的特征造型
1.支架底座的构造
矩形截面草图拉伸成支架底座
2.构建支撑板特征
绘制草图拉伸为支撑板
3.构建圆柱及孔特征
绘制圆草图拉伸为圆柱特征构建孔特征
4.构建加强筋特征
加强筋草图拉伸为加强筋
5.构建沉孔及圆角特征
沉头孔特征圆角特征
8机械CAD建模技术研究的发展方向和趋势
8.1模型理论的研究：
由于传统的几何模型、特征模型已不能满足现代制造技术的要求。
从而提出了面向产品生命周期的关系型产品模型的概念。
这一概念的提出，是为了解决信息在设计、制造和检验及装配等环节的共享问题，完整地描述产品在概念设计——装配设计——零件设计全过程中的各种属性和相互关系，实现产品生命周期中的内部描述信息和外部过程信息的集成。
在产品模型的研究上，当前拉出的非流形模型的研究就是一个典型，目前我国也在研究非流形模型用于CAD系统中。
另外，基于STEP的CAD技术的研究也是为了建立较好的产品模型。
8.2集成化技术的研究：
要实现设计、制造到管理，产品生命周期的全过程的无缝集成，都是CAD技术研究的内容之一，其基础是PDM以及灵活的外部接口，良好的开放性，功能增大的开发语言等。
8.3自顶向下的设计技术：
目前流行的CAD系统只能支持自下而上的设计方法，即先设计零件然后搭积木式地进行装配设计。
而新的设计需求要求CAD系统还要支持自顶向下（Top-down）的设计方法，并且也可混合使用这两种设计方法。
9机械CAD建模技术存在的主要不足
1.不少的企业对CAD特征建模的认识还仅仅停留在绘图阶段,从而使CAD产生的效益尚未得到充分发挥。
2.CAD/CAM软件应用人员参差不齐,不能让CAD软件得到的高效率应用。
3.在引进CAD特征建模技术时存在着盲目性倾向。
4.引进的CAD特征建模系统的二次开发跟不上,致使引进软件的效率不能完全发挥。
5.国内CAD特征建模技术水平还处于高技术集成和向产业化、商品化过渡的时期,自主开发的CAD特征建模系统商品化程度不够高,功能和稳定方面与国外先进软件还有很大差距。
10结语
经过几十年的发展,我国机械CAD/CAM有了长足的发展,机械CAD/CAM技术已经被广泛应用于我国企业。
我国研制机械CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。
在政府的大力支持下先后出现了一批先进的机械CAD/CAM示范企业,高校和企业也培养了一大批机械CAD/CAM软件开发及应用人才。
但总的来说,我国目前机械CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。
机械CAD/CAM技术水平还处于向高技术集成和向产业化商品化过渡的时期,研制的软件在可靠性和稳定性方面与国外工业发达国家的软件尚有一些差距。
但是我们不但要看清我们的劣势,也要看到我们的优势。
与国外软件相比我们的优势是:
了解本国市场,便于提供技术支持,相对价格便宜等。
另外,我们有政府的大力支持,各大高校也为CAD软件的开发培养了大批的人才。
在这些前提下,我国机械CAD/CAM产业不仅要紧跟时代潮流,跟踪国际最新动态,遵守各种国际规范,形成自己独特的优势,更要立足国内,结合国情,面向国内经济建设的需要,开发出有自己特色,符合中国人习惯的CAD/CAM软件。
参考文献
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