第五章特征建模.ppt

1、第五章 特征建模5.1 概述 20世纪80年代以来，为了满足CIMS技术发展的需要，人们一直在研究更完整的描述设计对象的实体建模技术，这种技术对几何模型的定义不仅限于名义形状的描述，还应包括规定的公差、表面处理以及其它制造信息和类似的几何处理。这种包含制造等信息的建模方法被成为特征建模。基于特征的建模技术被称为特征造型技术（Feature Technology）。特征建模技术属于几何建模技术的下一代发展，它克服了几何建模技术的缺陷，是一种理想的产品模型。15.1.1传统几何造型中存在的问题传统几何造型中存在的问题 几何建模在对几何形体的描述中只包含了几何信息，在工程应用中存在以下问题：1、不完

2、备的数据库 仅用来定义几何形体，而难以将有关零件的粗糙度、公差、材料、表面特征等信息存入数据库，而这些信息是定义零件的重要部分。2、抽象层次不一致 用低层次的实体，如点、线、面或含有立体基和布尔算子的二叉树来表示零件，从而难以从模型的数据库中识别出零件的工艺信息。3、设计环境欠佳，有待改善25.1.25.1.2特征造型系统应该具备的功能特征造型系统应该具备的功能 1、具有参数化设计功能，用以提高系统的修改性能；2、基于特征设计的思想 几何建模系统从一开始就要求进行详细的设计，所有的面、边、点以及拓扑信息都要有，要求得过分细致，而没有注意概念设计。此外基于特征的设计，从一开始就将一些工艺信息，如

3、公差、光洁度、槽等构建在自己的模型中，CAPP和CAM系统只需从中提取，而不用重建，方便了系统的信息集成和共享。3、采用通用的数据库交换标准 采用新的数据库传输标准，产品模型数据交换标准STEP，它具有形状特征、尺寸公差、工艺信息等信息代码，保证了所传输的数据的全面性和准确性。35.2 特征造型的概念5.2.1 特征的定义 特征是具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体，它对应零件上的一个或多个功能，能够被固定的加工方法加工成型。特征是一组与零件描述相关的信息集合，其中描述可以是出于设计或制造、检测、管理等目的。在不同环境下，存在着不同的信息集合。所以特征又可以被看成是环境下某种功能的反映

4、。基于特征的产品建模是指通过计算机模型化处理，将工程图纸所表达的产品信息抽象为特征的有机集合，使特征作为产品定义的基本单元。该模型不仅能够支持各种工程应用活动所需的产品定义数据，而且能够提供符合人们思维的高层次工程描述术语，并反映设计师的设计、制造意图。以特征作为建模基本元素来描述产品的方法叫做基于特征的建模技术，它以特征、属性、子属性或基元作为基本元素来替代几何元素体，如面、线和点来描述设计对象。455.2.25.2.2特征的分类特征的分类 特征造型特征是指那些实际构造零件的特征；面向过程的特征是指那些与生产制造环境有关的特征，它并不实际参与几何形状的构造。造型特征又进一步分为基本特征和二次

5、特征。基本特征指的是构成零件主要形状的设计用基本特征，并以参数化形式存存储在特征库中，是通过特征的一些属性参数来表示整个数据库实体的隐式表达法，它用最少的信息来定义形状特征，是一种简明的表达方法。由于采用参数化，而不是将形状信息组织进行数据结构中，所以更易为后续应用所控制和操作。二次特征则是指用来修改基本特征的特征，它有正负之分。正特征用来描述凸台、筋板等，负特征则用来描述孔、槽之类的形体。对于每一个二次特征，其工艺参数的形状公差、尺寸公差、粗糙度等可由相应的属性加以描述。67 1、形状特征（form features）用于描述某一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信息之一

6、。形状特征是其它非几何信息的载体，非几何特征信息作为属性或约束附加在形状特征组成的要素上。形状特征的多级抽象表达为精度特征、材料等特征的表达提供了可能。形状特征又分为主形状特征和辅助形状特征。主形状特征用于构造零件的总体形状结构，而辅助形状特征则用于对主特征的局部进行修饰。8 2、精度特征（Precysion features）用于描述几何形状和尺寸许可变动量或误差。3、材料特征（material features）用于描述材料的类型与性能及热处理信息。4、装配特征（Assembly features）用于表达零件在装配过程中需要使用的信息。5、性能分析特征（Analysis features

7、）用于表达零件在性能分析时所使用的信息。6、附加特征（additional features）用于表达一些与上述特征无关的零件的其他信息，如GT码等，有时也称为管理信息。95.2.35.2.3特征的映射特征的映射 1、特征集和特征空间 1）特征集的定义（features set）特征集是由某些具有某种共同特点的特征个体所组成的集体。其中 为特征集，为特征集中的一个个体，为整数集。2）特征空间的定义 特征空间是由n个线性无关的特征集的笛卡尔积构成的。设 为特征集，且：则：为特征集的n维欧氏空间，简称特征空间。10特征建模系统对应的特征集合可归纳为：形状特征集 ：精度特征集 ：材料特征集 ：装配特

8、征集 ：性能分析特征集 ：附加特征集因此，相应的特征建模系统的特征空间为一个6维特征空间。11 2、特征集的映射 1）设计级形状特征集到制造级形状特征的映射（即函数关系）对于设计和制造（包括检测）这两个阶段，特征空间的定义是有差别的，这主要表现在形状特征集的定义不同。对于设计阶段，形状特征集的应用是基于实体的，而在制造（包括检测）阶段，形状特征集的应用是基于表面的。因此就存在设计级和制造级两类特征空间，且有：从工程意义上来看，设计级形状特征集和制造级形状特征集的映射关系实际上指出了形状特征的分解、识别等关系，进而阐述了形状特征在CAD/CAPP/CAM中的不同应用。12 2）设计级特征空间上的

9、类点集变元的框架描述 （1）类点集及类点集变元的定义 设计级特征空间常量点 表示一个填充有具体参数的特征，而该特征可归结成以形状特征的某个子集为基础的各特征子集的组合中的一个个体。实际上这种特征子集的组合是定义在设计级特征空间的类点集，即：设计级特征空间上的类点集 表示第 类的特征子集的组合，且该类点集中个体在结构组成是相同的，类点集的这种结构型式可以用类点集变元 来表示，而 可以采用框架来描述。13 （2）框架的定义 框架是关于一个典型实体的通用数据结构，一个框架由若干个槽组成，每个槽的值用来描述框架所表示的实体的各个组成部分的各种属性。每个槽的值又可以由一个或多个侧面组成，各侧面从各方面来

10、描述特征。每个侧面又可有一个或多个侧面值，每个侧面值可以是一个值或一个概念的陈述。对应的形状特征的框架则可 以一般地表示为：=：=|：=|：=|。：=|。：=|。：=|:=|:=|。14 （3）设计级特征空间类点集变元的框架描述 设计级特征空间上类点集变元对应着描述该变元的一个框架结构。因此，设计级特征空间的某维坐标可用框架结构中的一个或多个槽及相应的若干个侧面或子框架结构来表示。3、零件结构与设计级特征空间的关系 零件的结构形式是由设计级特征空间内若干个类点集变元所组成的。它只有填充了具体参数后才能获得具体零件的几何信息。15 5.2.4基于特征的几何建模系统的组成基于特征的几何建模系统的组

11、成 基于特征的几何建模系统是利用“零件是由完成某项功能及与具体的加工方法相连的形状特征级组成”这一思想来实现产品的设计工作的。形状等特征集对设计和制造工程师都具备特定含义。正因为形状等特征级含有多种信息（几何、工艺等），使得设计工程师在采用基于特征的几何系统来设计产品时，能在概念设计阶段就用其实现设计意图。同时，形状等特征所包含的制造信息又使制造工程师对其应用变得直接化了，从而为完成高层次上的CAD/CAPP/CAM集成开拓了新的途径。基于特征的几何建模系统一般由三部分组成：建模部分、特征数据库部分、人机交互界面部分。16基于特征的几何建模系统的组成 17 1、静态特征数据库 一个完整的静态特

12、征数据实际上是设计级特征空间上所有类点集变元所构成的集合。实际上，作为一个开放式的基于特征的几何建模系统，在设计静态数据库时，必须具备有“产生一个框架结构以描述一个设计级空间上的类点集变元”这样的功能。从集合论的角度，该功能可以定义为一种映射关系。创建一个框架用来表示一个设计级空间的变元是基于特征的几何建模系统的基本操作之一。2、动态特征数据库级建模函数 动态特征数据库实际上是由已填值后的框架所组成的几何。基于特征的几何建模过程实际上就是实现将静态数据库的哑元框架变换成动态数据库的填值框架。而建模函数就是用来完成这种哑实结合所需基本操作的。3、零件的建模过程及定义 使用基于特征的几何建模系统来

13、建立一个零件模型的过程可描述为：（1）在静态特征数据库内激活一个特征框架；（2）建立各已激活框架之间的关联关系；（3）进行框架填值；（4）进行线框图显示；（5）将已填值的被激活框架存入动态数据库中；（6）循环，直至生成零件。185.3 特征造型系统的建模方法5.3.1概述 在特征造型系统的初期，人们除了着重研究特征的定义之外，对它的建模方法的研究也是十分活跃的。在建立系统之前，首先要考虑到用于工程设计和应用的几何造型系统必须具备以下功能：（1）应具有支持所有与零件有关的基本信息；（2）设计的产品不同，所需的特征也不同，不同领域的需求不一样，有必要建立一个能支持各领域定义各自特征的系统；（3）产

14、品定义系统（即特征建模系统）必须为用户提供一个良好的设计、修改环境。设计者能够分别定义和引用形状、精度、材料等特征，并且能够定义各特征之间的内部关系；（4）特征之间的关系也是与应用领域相关的，因此，应建立一个特征映射系统，用于实现设计数据库到具体应用数据库的转换。这个映射系统必须非常灵活以支持任一应用领域的数据库。目前特征造型技术在国内外都还处于起步阶段，特征造型设计方法也在不断被研究和创新。至今，人们已提出了三种特征建模方法：即人工辅助特征识别、特征自动识别和基于特征的设计。19 1、人工辅助特征识别 首先建立产品的几何模型，然后由用户通过直接拾取图形来定义几何特征所需的几何元素，并将特征参

15、数或精度特征、技术特征作为属性添加到特征模型中。2、特征自动识别 从现有的三维实体模型中识别出所需要的特征，即在用户建立完几何模型后，启动特定的程序来自动处理几何数据库，并从B-rep或CSG模型中提取特征。特征造型作为使CAD系统成为CIM环境下一个有机体的关键技术，因此人们往往采用现有的CAD系统作为底层来建立基于特征的建模系统。这种方案的特点是不用放弃原有的实体造型资源，避免浪费，并可以缩短开发周期，新增的特征功能对用户来说可以视为是一种高级命令。通过提取特征文件解决CAD向CAPP及其它系统提供信息和数据的问题，因而使CAD系统真正成为CIM环境下的最重要的信息获取环节。目前所研制的特

16、征识别方法仅对简单形状特征有效。20 特征识别方法 21 3、基于特征的设计 与传统的造型系统相比，基于特征的设计使设计者能按特征来建立模型，而不是事后来识别特征。特征设计是以特征库中的特征或用户定义的特征实例为基本单元来建立产品模型的。基于特征的设计方法目前有多种型式：（1）利用特征描述树 （2）特征模型到实体模型的映射法 （3）基于特征的设计22 与传统的造型系统相比，基于特征的设计使设计者能按特征来建立模型，而不是事后来识别特征。特征设计是以特征库中的特征或用户定义的特征实例为基本单元来建立产品模型的。基于特征的设计方法目前有多种型式：1）利用特征描述树 特征关系树 继承联系、邻接联系、从属联系、引用联系 基本形状到复杂形状的转换 2）特征基本模型到实体模型的映射 直接映射：原特征与像特征之间一一对应 共軛映射：后者可由前者通过推理得到 投影映射：后者是由前者中提取的信息后得到的原像特征 组合映射：由一些相关原像特征组合得到的新像 23特征联系类型 24 3）基于特征设计的策略 由于加工的环境、生产规模、产品的相似程度、标准化和系列化方面的差异，基于特征的设计方法在运用时主要有三