CAD技术基础第四章特征造型.ppt
CAD技术基础,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,简介,特征造型是基于特征的造型方法。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Gossard D.C.所指导的Soltes J.W的学士论文“A Feature-Based Representation of Parts for CAD”中。,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。,实例,设计特征,实例,分析特征,实例,工艺规程设计特征,实例,数控加工特征,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。,一些组织机构对特征的定义,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。特征是指描述产品信息的集合，也是设计或制造零、部件的基本几何体。纯几何的实体与曲面是比较抽象的，将特征的概念引入的目的是增加实体几何的工程意义。,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：表示设计意图；简化传统CAD系统中繁琐的造型过程；从高层次上对具体的几何元素如点、线、面进行封装。,与前一代的几何造型系统的区别,1)过去的CAD技术从二维绘图起步、经历了三维线框、曲面和实体造型等发展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力。而特征造型则是着眼于更好地表达完整的产品技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。它的目的是通过建立面向产品制造全过程的统一产品模型，替代传统的产品设计方法以及技术文档，使得个工程项目或机电产品的设计和生产准备各个环节可以并行展开，信息流畅通。2)它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，像螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解，设计的图样更容易修改，设计人员可以将更多精力放在创造性构思上。3)它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统奠定基础。,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。,特征分类,从工程应用的角度 1形状特征(Form Feature)2装配特征(Assembly Feature)3精度特征(Precision Feature)4材料特征(Material Feature)5分析特征(Analysis Feature)6补充特征(Additional Feature),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。,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。,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。,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)。,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。,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。,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。,特征分类图,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,(1)特征交互定义(2)特征自动识别(3)基于特征的设计,特征创建方法,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：交互操作繁琐，效率低；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。,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：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；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。,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。,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B-rep特征引用FDG参数与约束CBG特征操作,基于特征的产品描述,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。,基于特征的参数化造型结构,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,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；,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B-rep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。,4.6 特征技术的发展,基于知识的工程(KBE,Knowledge Based Engineering)行为建模(BM,Behavior Modeling),KBE,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的特点：(1)KBE不仅是一个知识的处理过程，包含知识的继承、繁衍、集成和管理，而且是产品创新设计的重要使能技术。(2)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。(3)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。,UG/KF,UG提供了知识驱动自动化（Knowledge Driven Automation）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(Knowledge Fusion，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。,CATIA V5知识工程Knowledgeware,在CATIA V5知识工程Knowledge ware包含以下7个分模块。1.Knowledge Advisor：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.Knowledge Expert：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.Product Engineering 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.Product Knowledge Template 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.Business Process Knowledge 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.Product Function 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.Product Functional Definition 产品功能定义提供了创建图形模板、定义行为组、创建系统、创建变量、零部件产品链接、编辑相关功能元件、图形排列以及变量系统管理等功能。,ProE行为建模（BMX）,在要考虑多个设计目标时（如怎样在减小材料壁厚的同时保持产品强度），手工求解优化值可能是非常烦琐和费时的。即使是这样，我们也不能肯定获得的就是最佳设计，原因是根本没有如此之多的时间来计算所有可能合适的不同设计。BMX 利用设计研究功能能够自动完成此过程。要执行设计研究，只需定义工程目标，然后定义设计中的哪些方面是可变的，BMX 就会自动执行无数的设计迭代，最终得出最佳解决方案。Pro/E行为建模将设计自动化的程度从简单的几何创建提升到整个设计过程。用户要做的只是挑选最佳设计，然后继续执行下一项任务。,主要优点 通过研究大量能满足设计标准的方案，改善了创新；清楚了解设计变更的影响，避免不相一致的情况发生；通过优化设计来满足多个目标（如在减轻产品重量的同时保持其强度），降低了产品成本；通过自动迭代设计来满足设计要求，节省了时间；通过使用来自外部工具的结果来直接驱动设计（无需手工输入），减少了错误。,谢谢!,
