第4章特征建模技术

特征技术的目标在于设计与制造的共享，应该说在这个方面，特征技术只建立了一种实 现的基础，要完全自动地将设计模型转换为制造实现的输入还很困难，需要开发相应的程序。
特征技术的运用对于 CAD 软件本身却有另外一番意义，特征作为具有工程背景的几何 单元，它的组合已经超越了传统布尔运算的减加并差，而是延伸为一种特征类型、参数和建 立时序三者共同决定产品形态的高级组合方式。
方法。通过对属性的描述，记录相应的功能信息、制造信息以及特征间的相互关联，其特点 是参数化、尺寸驱动、系统各特征完全关联。
综上所述，特征建模作为集成系统的核心，不仅可以使设计人员以一种全新的设计方法 和设计思想进行产品开发，极大地提高设计效率，同时特征作为产品生命周期中各个阶段的 信息的载体，为整个设计制造中的各个环节提供了统一的产品信息模型，使产品设计、工艺 设计、夹具设计等阶段的信息提取更方便、灵活、一致，避免了信息的重复输入。因此，特 征建模被公认为是实现 CAD/CAPP/CAM 集成化的最有效的途径。
孔类
通孔 不通孔
直孔、锥孔、埋头孔等 盲直孔、盲锥孔、盲螺纹孔等
通槽
T型、V型、燕尾槽、圆弧槽等等
槽类
不通槽
键槽等
产
品 特
下陷类
矩形凹陷、弧形凹陷、环形凹陷等
征
台阶类
矩形台阶、内外圆台阶、斜台阶等
边过渡
倒圆、倒角
图4-2 形状特征的分类
二、特征信息的表达 特征信息包括几何信息和非几何信息。几何信息以显式方式表示，以面为基础，通过关 系型表格记录几何要素的面、环、顶点等信息，为设计中几何数据的直接提取提供方便。非 几何信息是制造中所用的工艺信息，包括表面粗糙度、公差、尺寸精度等，采用隐式的描述
4.2 特征建模
4.2.1 参数化设计软件中的特征
三维参数设计软件作为一个通用软件，由于要适应机械设计的各种不同的应用，而不同 应用中的特征可能完全不同，所以这些软件中的特征均以形状特征为主，融入了一些与设计 功能有关的特征种类。
一、狭义特征的定义 如图 4-3 所示，在利用参数化软件设计支架三维模型时，一个三维模型实际上是由一系 列几何体、按照一定顺序、通过合并或切割等操作而逐渐形成的。也就是说，一个复杂的三 维模型实际上是由一些相对简单的几何体通过一定方式组合而成。这种组成三维模型的几何 体被称为狭义特征（或形状特征），而利用一系列特征的有序组合形成三维模型的方法称为 基于特征的三维建模。本章后面内容关于“特征”的概念，是指诸如拉伸体、旋转体、孔、 倒圆体、倒角体等形状特征。 根据上述建模思想，任何三维模型都可视为一系列特征的有序组合，即三维模型是一 系列特征的组合体，可表示为： 三维模型 = { 特征 1 组合 1 特征 2 组合 2 ……特征 n 组合 n }
精度模型用来表达零件的精度信息，包括尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度。 材料特征包括材料的种类、性能、热处理要求等。
特征建模的框架结构如图 4-1 所示。其中，形状特征、精度特征、材料特征分别对应各 自的特征库，从中获取特征描述信息。产品数据库建立在这些特征库的基础上，系统与数据 库之间实现双向交流，建模之后的产品信息送入产品数据库，并随着造型的过程而不断修改， 而造型过程所需的参数从库中查询。
用户界面
材料特征 特 征 建 模
形状特征 几何拓扑
精度特征
实
体
内部接口
建
模
材料库 材料数据
形状库 形状数据
精度库 精度数据
工
产品库
程
数
据
பைடு நூலகம்
库
产品数据
图4-1 特征建模的框架结构
三、广义特征建模系统的功能 根据特征建模的框架结构可以看出，特征建模系统的功能有以下几个方面： （1）预定义特征，建立特征库； （2）特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计； （3）为特征附加注释，为用户列举参考特征； （4）支持自定义特征以及管理、操作特征库； （5）特征的消隐、移动； （6）零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。
四、广义特征的特点 广义特征建模的特点主要有以下几个方面： （1）特征建模使产品的 CAD 设计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，起点在比较高的功能模型上。特征不仅直接体现设计意图，也直接对应加工方法。 （2）特征建模以计算机能够理解的和能够处理的统一产品模型代替传统的产品、工艺、 夹具等设计各个环节的连接，使产品设计与后续的各环节并行展开，实现真正的 CAD/CAPP/CAM 的集成，且支持并行工程。 （3）利于实现产品设计、制造方法标准化、系列化、规范化，使产品在设计时就考虑 加工、制造要求，保证产品有较好的工艺性，可制造性，有利于降低产品的成本。
4.1.2 特征的分类与表达
一、形状特征的分类 特征的分类依赖相应的应用领域。在零件设计及制造领域中依据的标准是每一类特征是 进行零件设计时的功能单元，同时在制造过程中，其加工方法和手段基本一致。在设计时， 设计人员可以采用熟悉的功能单元构造零件；在制造时，通过对特征的分析，采取相应的方 法和有关数据进行工艺设计和 NC 程序的编制。特征的分类如图 4-2 所示。
选择草图绘制平面 绘制底座截面草图 形成草图特征
特 征 名：底座截面 特征参数：底座长、宽
对草图进行拉伸变换 形成拉伸体特征
特征名：底座 特征参数：底座高度 选择底座背面为草绘平面 绘制竖板截面草图
特 征 名：竖板截面 特征参数：形状尺寸
拉伸变换 形成拉伸体特征
特征名：竖板 特征参数：竖板厚度
绘制筋截面形状 构造筋特征
特 征 名：加强筋 特征参数：筋厚度
构造孔特征
特 征 名：圆孔倒角 特征参数：倒角角度
倒距
构造倒角特征
特 征 名：连接倒圆 特征参数：倒圆半径
构造倒圆角特征
特 征 名：底座倒圆 特征参数：倒圆半径
构造倒圆角特征
特 征 名：安装孔阵列 特征参数：阵列两个
方向的孔距
构造孔阵列特征
特 征 名：安装孔 特征参数：安装孔径
4.1 特征概述
4.1.1 广义特征的定义
一、广义特征的定义 特征的研究来自于从零件几何模型中提取零件的几何形状，以便应用于自动工艺编程、 成组技术编码和数控编程。 特征作为产品开发中各种信息的载体，包含了几何形状及相应的语义，将其定义为“一 组具有确定的约束关系的几何实体，它同时包含某种特定的功能语义信息”。特征可以表达 为：
定位尺寸
图4-3 基于特征的三维建模过程
二、特征的分类 不同 CAD 系统提供的特征类型不完全相同。常见特征类型主要包括草图特征、拉伸特 征、旋转特征、倒圆特征、倒角特征、薄壳特征、拔模特征等。 通常，特征可以分为以下几类。 1. 辅助特征 辅助特征用于建立其他特征时的定位，又称基准特征或参考特征，主要有基准面、基 准轴、基准点和局部坐标系等。 2. 基本特征 基本特征又称为体素（Primitive），是参与运算的原始特征，而不是运算的结果。很多 CAD 系统中都提供了一定数量的体素，常见体素有长方体、圆柱体、球体、圆锥体等。只 要给出体素的关键尺寸(如长方体的长、宽、高)，便可直接调用体素模型，而不必通过运算 生成。 3. 草图特征 草图是一种特殊的基本特征，它虽然不能从系统直接调用，但可以通过草图功能直接 绘制，并作为拉伸、旋转、放样等特征生成的基础。由于体素类型有限，而草图又可以具有 复杂的形状和灵活多变的约束，所以很多三维模型的建立都是从草图开始，草图在基于特征 的三维建模方法中起着十分重要的作用。实际上，体素也可以通过草图形成，所以目前 Pro/E 仅提供草图特征，而未提供体素。 4. 二次特征 二次特征又称附加特征，是指在已有特征的基础上通过运算形成的特征。如拉伸特征 是通过草图拉伸变化生成的，孔特征是在三维特征上切割圆柱体特征形成的。因此在二次特 征中包括了更多的数据类型，包括定义数据、运算数据和相对位置参数。常见二次特征有倒 圆、倒角、筋、孔、阵列等。 5. 自定义特征 为提高特殊模型的建模效率和编辑的灵活性，用户可以将一些常用的形状定义为特征， 这类特征称为自定义特征。CAD 系统一般提供特征自定义功能，用户可根据实际需要扩充 系统的特征模型库。
第 4 章 特征建模技术
特征建模技术是当今三维 CAD 的主流技术，利用特征建立模型既具有工程意义，又便 于后期的调整。关于特征技术有很多提法，掌握特征技术的基本概念有助于更好地把握 CAD 软件的内在特点。
特征（Feature）来源于制造工程应用，CAD 模型是企业产品开发生产的基本数据依据， 要在产品全生命周期实现信息共享，CAD 模型必须具备广泛的工程语义信息，这就是特征 技术的根本渊源。
草图
拉伸变换
旋转变换
图4-4 扫描变换
2. 布尔并运算 “并”运算是求两个三维特征定义空间的并集，并以并集作为新的特征，如图 4-5 所示。 并运算是两个特征的材料相加，但公共部分只取其中之一。
并运算
特征 1
特征 2
运算结果
图4-5 特征的并运算
3. 布尔差运算 “差”运算是在一个特征的定义空间中减去另一个特征的定义空间，并以差集作为新 的特征，如图 4-6 所示。
产品特征 = 形状特征 ＋ 语义信息 其中，产品特征是具有一定属性的几何实体，包括特征属性数据、特征功能和特征间的关系。 形状特征是与几何实体相联系的显式表达，具有确定的内部约束和描述参数，且同语义信息 相关联。语义信息表达了特征的某些属性，依据不同的应用，可以赋予特征不同的语义信息， 主要有设计、制造、质量检查和仿真等语义信息。
早期的 CAD 系统中采用基本体素的布尔运算以及倒圆等编辑方式形成零件外形的设计 方法过于抽象，其模型无法映射到下游的工程实现中，即设计与制造之间缺乏对应性，这必 然造成信息共享的困难。
特征建模技术针对这种情况应运而生，它采用具有工程意义的拉伸、制孔、倒圆、倒角 等作为建模的基础单元，在设计与制造之间建立一种共同的信息规范和交流的桥梁。