机械制造中的CADch

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1、教案：CAD/CAM-2008第6章 特征造型技术6.1特征造型特征造型是实体造型方法的一个新发展。特征造型是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息。为建立产品的集成信息模型服务。特征包括了产品的定义信息、与产品设计和制造有关的技术。其中既有形状信息，又有非形状信息。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产。6.1.1特征的定义和分类实体几何造型方法是在一种较低层次上进行建模的方法。主要建立在点、线、面和基本体素这些层次上。而特征造型是一种高层次上的几何抽象和语义描述，因而在零件设计上为设计人员提供了一种快速建模的能力。特征造型具有明显的工程化含义。在高级

2、抽象层次上的几何单位就是特征。它不仅面向几何造型，而且面向加工。造型时以特征为操作对象，工艺设计时以特征为基本单位，加工时还是以特征为基础形成刀位文件。特征目前尚无统一的定义，各个组织从不同的角度给出有不同的定义，如： l 特征是单个特性。如：平的表面、圆柱面、台肩、螺纹、轮廓等。（ISO129）l 特征是显示识别产品形状特点的实体集。使产品能够在高层次概念的基础上进行交换。如孔、法兰、螺纹等。（PDDI，美国空军）l 工件形状特征定义：在工件的表面，棱边或转角上形成的特定几何轮廓。用来修饰工件外貌或者有助于工件的给定功能。（CAM国际）一般有如下的定义说法：“任何既有形式又有功能属性的有名实

3、体”；“产品信息的集合”，“与零件描述相关的信息循环模式”等。这些定义从特征几何的形式上描述了特征的定义。将非几何信息与几何实体结合起来，并提供与加工有关的额外信息，可以对特征进行分类：形状特征、材料特征、精度特征、装配特征、分析特征等。（1）形状特征(Form feature)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。形状持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，

4、正特征向零件加材科，用来描述如凸台、筋扳等形状实体；负特征向零件威材料用来描述孔、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，包括简化表达、模型替换、包装等等，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）材料特征用于描述材料的类型与性能以及热处理等信息。如材料性能(机械特性、物理特性、化学特性、导电特性等)和材料处理工艺。（5）分析特征用于表达零件在性

5、能分析时所使用的信息，如有限元网格划分等。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。图6-1 特征的分类图6-2 沉头孔特征的定义6.1.2基于特征的零件模型 集成化CAD/CAM系统需要一个统一完整的零件信息模型。它应包括零件的设计、工艺规划和加工编程等各阶段的产品数据。在零件的描述方面，不仅包括几何信息，如形状实体、拓扑几何，还包括形状特征信息和尺寸公差信息及其他零件总体信息。面向CAD/CAM系统的产品模型应包括以下5方面的数据类型：几何数据建立零件的基本几何元素。拓扑数据将几何元素联接成零件的规则。形状特征数据零件模型上具有特定功能和几何形状语义的某如孔

6、、梢、台阶等。精度数据零件设计与制造所容许的误差。技术数据包括材料、零件号、工艺规程、分类编码等零件上的非几何属性6.1.3特征模型的建立方法以特征来表示零件的方式即为零件的特征模型。由于特征的定义常依赖于应用，因而对不同的应用就有不同的特征模型。例如有设计特征模型制造特征模型形状特征模型等。在几何造型环境下建立特征模型主要有三种方法。第一种方法是特征识别。首先建立一个几何模型，然后用程序处理这个几何模型，自动地发现并提取特征。第二种方法是基于特征的设计。直接用特征来定义零件的几何结构，几何模型可以由特征生成。第三种方法是混合特征建模方法，即特征设计与识别的集成建模方法。（1）特征识别许多应用

7、程序，象工艺规划、NC编程、成组技术编码等所要求的输入信息除了直接的几何构造信息外，还要求有特征方面的信息。特征识别就是从几何模型中抽象出形状特征来，并将其存储在独立的数据库中形成特征模型。它将几何模型的某部分与预定义的特征型相比较，进而识别出相匹配的特征实例。特征识别常包含以下几个过程：(1)搜寻特征库，以匹配拓扑/几何模式；(2)自数据库中提取已识别的特征； (3)确定特征参数(如，孔直径，槽深度等)；(4)完成特征的几何模型(边/面延展，封闭等)；(5)将简单的特征组合，以获得高层特征。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、自CSG树中识别特征等等。对实

8、体模型来说，特征识别技术可以从B-Rep模型的面、边、点信息中提取特征。因为B-Rep模型是基于图的，所以这种特征识别方法也称做基于图的特征识别。其优点在于仅需边界模型的拓扑信息。从CSG模型中提取特征则较为复杂。因为CSG树并不唯一，零件模型由不同的设计者产生，便可能产生不同的CSG树。为了解决这一问题，一种方法就是将CSG树重新组建生成唯一的计算机可理解的树。这样，识别机制可以处理树的结点(体素)。另一种方法就是将CSG转换成DSG(Desductive Solid Geometry)树进行特征识别。在基于特征的造型系统中，零件是由特征组成的，因此零件的造型过程就是不断地生成特征的过程。其

9、基本步骤是首先生成基特征，然后附加子特征直到完成所需要的形状。具体以Pro/Engineer为例，在以后各章详细说明。（2）基于特征的设计基于特征的设计，简称特征设计。特征从一开始就加入产品模型中，特征型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。 下面讨论两种主要的基于特征的设计方法。特征分割造型法：零件模型是通过毛坯材料与特征的布尔运算创建的。利用移去毛坯材料的操作，将毛坯模型转变为最终的零件模型，设计和加工规划可以同时生成。商品化系统Pro/Engineer支持这种系统。Pro/Engineer系统中，毛坯可以是由平移扫掠或者旋转扫掠而成的任意形状。特征合成法

10、系统允许设计人员通过增加或减少特征进行设计。首先通过一定的规划和过程预定义一般特征，建立一般特征库，然后对一般特征实例化，并对特征实例进行修改拷贝删除生成实体模型，导出特定的参数值等操作，建立产品模型。（3）特征设计与识别的集成建模方法零件的特征模型可以以两种不同的方法创建：基于特征的设计和特征识别。使用这两种方法的问题是它们通常工作在一个顺序工程的环境中。利用第一种方法，特征模型是在设计阶段创建的。这样，设计人员所得到的信息就会立即包含在模型中。但是，用户在面向一个特定的应用之前就需要特征的定义。这种方式用于设计的特征集是有限的，而且生成的特征模型是严格地依赖于某一个应用场合的，它不能在不同

11、的应用场合之间共享。在特征识别方法中，特征是从零件的几何模型中提取的。设计人员可以较自由地利用几何体素定义物体形状但已知的功能信息就丢失了。几何描述可以适应不同的场合然而仅可以识别出数据库中已存储的特征。由此看来，基于特征的设计以及特征识别方法如果单独使用或者以严格的顺序方式使用并不能完美地支持产品零件特征模型的构建。在并行工程环境中进行有效的基于特征的建模方法似乎应当是以上两种方法的结合。基于集成方法的系统应该提供以下功能：利用特征和几何体素生成产品的特征模型、创建特定应用的特征类别、在不同的应用场合之间对特征集进行映射。这样，用户可以直接使用特征设计零件的一部分，同时还可以使用底层的实体造

12、型器设计零件的其他部分。目前，虽然在特征识别和基于特征的设计方面研究人员已经做了许多工作但是关于两者的集成系统的研究尝试却很少。可以预计特征设计与识别的集成建模方法是特征技术发展的一个新趋势它可以以灵活高效的方式为设计人员提供一种更完美的特征建模方法。6.2特征造型的特点特征造型方法是将特征技术应用到几何造型中的一种方法，是传统几何造型技术的发展。与前几代的几何造型方法相比，有以下特点：(1) 在特征模型中除去反映零件几何的形状特征之外还定义了面向设计和制造的非几何信息，如材料信息、热处理和表面处理信息、零件形位公差和表面粗糙度信息，以及加工时使用的机床刀具工艺等信息。 特征本身作为相对独立的

13、单元具有较高的灵活性和可传输性，引入变量设计和参数设计之后，特征更显示出极好的柔性。特征可以满足CAD/CAPP/CAM一体化对零件模型功能极高的期望。(2) 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，如定位孔、键槽等。特征的引用直接体现设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样更容易修改。设计人员可以将更多精力用在创造性构思上。(3) 过去的CAD技术从二维绘图起步，经历了线框曲面和实体造型发展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力；而特征造型则是为更好表达产品的完整技术和生产管理信息，建立产品的集成信息模型服务。目

14、的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型，替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备等环节可以并行展开，信息流畅通。6.3 Pro/E中的特征造型Pro/E是典型的特征造型系统，其特征造型方法和思路目前已经被大多数三维CAD系统所采用。6.3.1 Pro/E的特征在基于特征的造型系统中，特征是构造零件的基本单元。特征包括以下几个方面：(1)实体特征(Solid Feature)；实体特征是指直接构造实体的特征。具体分类随后介绍。(2)曲面特征(Surface Feature)：主要指用于曲面造型的各种曲面。(3)参考特征(Datum Feature

15、)：在实体造型中起参考定位作用的基准点、线和面等。(4)修饰特征(Cosmetic)：如喷印、螺纹等。(5)用户定义的特征(UDF)：这类特征由用户自定义或者来自特征库。(6)钣金(Sheet Metal)：钣金加工特有的特征。 其中实体特征包括：(1)基本扫描持征(Protrusion) 直线扫描(Extrude) 回转扫描(Revolve)(2)高级扫描特征 路径扫描(Sweep) 混合扫描(Blend)(3)槽特征(Slot)(4)切削特征(cut)(5)孔特征(Hole) 直孔(Straight hole) 草绘孔(Sketch hole)(6)轴铀特征(shaft)(7)过渡特征 倒

16、圆特征(Round) 倒角特征(Chamfer)(8)颈特征(Neck)(9)法兰特征(Flange)(10)筋特征(Ribs) 平面加强筋 旋转面加强筋(11)壳特征(Shell)(12)管特征(Pipe)(13)扭曲特征(Tweek) 斜面(Draft)， 局部拱起(Local push)； 圆宫顶(Redius dome)； 耳(Ear)； 环形弯曲(Toroidal bend) 脊柱弯曲(Spinad bend)6.3.2特征树 在Pro/E中，所有的零件都是特征的集合，一个零件就有一个特征树，这个特征树记录了组成零件的所有特征的类型及其相互的关系。其中最早建立的特征叫做基特征(Bas

17、e)，其他的都是子特征。基特征可以是零件的主特征也可以是虚体特征。这里要注意主特征、辅特征是从功能角度区分的两类特征。基特征和子特征是从特征树的角度区分的特征，它们之间是有区别的。虚体特征在最终的产品模型上没有体现，它的作用是作为构造形状特征时重要的参考，和钳工在零件上划线所起的作用相似。特征树中有两种基本关系：邻接关系和父子关系。邻接关系表示两个特征是并列的，它们依附于共同的父特征；父子关系表示两个特征之间存在依附关系，一个特征依附在另一个特征之上。被依附的特征叫做父特征。修改父特征会对子特征有影响。如果删除父特征，则子特征也将被删除。在进行零件造型时，要特别注意特征树的结构关系，分清楚零件

18、的特征结构，以利于后面的修改。6.3.3零件参数化特征造型的基本过程(1)规划零件从总体上考虑零件是由哪些特征组合成的，找出反映该零件最基本特征的特征。一个零件最重要的特征是基本特征，也就是最先构造的那个特征。在构造好基本特征之后，才能创建其它各种特征。这些后建特征或与基本特征相累加，或与基本特征相剪切，或与基本特征相交叉而组成形体不一的各种零件造型。(2 )创建基本特征建立基本特征，首先绘制出该特征的截面轮廓二维草图，对其施加约束以满足设计要求，最后，将其转换成三维实体特征。(3 )创建其它附加特征包含可叠加在基本特征中或从基本特征中剪切下来的附加特征；孔、倒角、圆角等局部特征；以及工作平面

19、、工作轴、工作点等构造特征。构造特征并不是零件组成部分，但借助它可为实体特征定位。(4)修改参数化特征通过改变一个或多个特征的形状或位置约束，并对零件进行刷新处理，则所修改的特征及与之相关的所有特征将一同被修改。(5)生成工程图纸系统采用树状结构来记录设计过程中的每一特征及与之相关的特征，将各种参数保存在数据库中，而且可利用这些数据，在零件设计过程中，同时生成工程图纸，并可对零件模型和视图进行双向关联性的修改。由以上过程可知，参数化特征造型在系统中的使用仍处于初级阶段。只利用了部分信息特征，如形状特征等。离真正实现在产品定义中包含产品的所有特征，体现产品定义应包含的所有设计信息、几何形状信息、

20、工艺信息，工程信息还有一定距离。6.3.4零件参数化特征造型的实例图6-3 示例零件模型1建立新的零件 按工具栏建立新文件的图标 输入零件名称：part2，取消Use default template的勾选记号，然后按OK New File Options对话框中选Empty，然后按OK2由前视图建立Protrusion特征，做出零件的圆柱体 Feature Create Solid ProtrusionExtrude Solid Done 绘制2D剖面 输入特征的深度：17.5 OK3由上视图建立Protrusion特征，做出零件右侧的实体 首先建立一个通过圆柱体中心线的基准平面按图标 Th

21、rough 选基准平面通过的线：圆柱体中心线 Done 产生基准平面DTM1 以Extrude建立Protrusion特征（图6-5）Create Solid Protrusion ExtrudeSolidDone One SideDone 以下列方式做一个临时基准面，以做为2D剖面的绘图平面：Make Datum Offset（ 选DTM1为Offset的参考面 Enter Value 输入.7.5/2的Offset值 Done） 选Okay以指定特征成长方向朝上 Bottom 选Bottom参考平面：圆柱体正面（图6-4） 绘制2D剖面 BlindDone 输入特征之深度：2.5 OK 按

22、图标，再选Default（图6-5）图6-4 设置参考平面图6-5 添加Protrusion特征4.以Round特征在圆柱体及右侧实体交接处建立圆角Create Solid Round Simple | Done Constant | Edge Chain | Done 选取欲导圆角的边线：图6-6所示的1个边 Done 输入圆角半径值：1.3 OK图6-6 添加Round特征5.以Hole特征在圆柱体正面建立圆孔Create Solid Hole 出现HOLE对话框 输入孔径：5，按键盘的Enter 输入孔深：6，按键盘的Enter 选取钻孔平面：圆柱体正面 Placement Type字段选择Coaxial 选极坐标之旋转轴：轴A_1 按HOLE对话框的练习完成图6-7所示的零件几何造型。图6-7 零件造型练习