【摘　要】　通過對(duì)機(jī)械產(chǎn)品特征造型設(shè)計(jì)過程的分析，建立了基于特征的產(chǎn)品信息模型，研究了以參數(shù)化造型技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品特征的方法，論述了特征造型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能，闡明了應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品特征設(shè)計(jì)的方法和步驟。
　　【關(guān)鍵詞】　實(shí)體造型　特征造型
　　1　特征建模方法
　　機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)多因素、多環(huán)節(jié)循環(huán)復(fù)雜的決策過程，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，人們?cè)诓粩嗟貙で笠愿咝录夹g(shù)為支持平臺(tái)的現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。基于特征造型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是隨著CAD/CAM一體化要求而產(chǎn)生的，是建立在實(shí)體造型方法基礎(chǔ)之上，更適合于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。它在原理和方法上與實(shí)體造型既有密切聯(lián)系，又有以下不同。
　　(1)三維線框、曲面和實(shí)體造型著重完善產(chǎn)品幾何描述問題，而忽視產(chǎn)品工程意義，使設(shè)計(jì)和制造信息不連貫。特征造型則著重表達(dá)產(chǎn)品的完整技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，在最終產(chǎn)品上保留各功能形素的原始定義和相互依賴關(guān)系，以便用統(tǒng)一產(chǎn)品模型替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的成套圖紙和技術(shù)文檔，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)準(zhǔn)備各環(huán)節(jié)得以并行展開。
　　(2)在產(chǎn)品特征模型中引用基準(zhǔn)點(diǎn)，中心線，局部坐標(biāo)系等單元，突出面(如配合面、支撐面、定位面和基準(zhǔn)面等)的作用，這些面不同于一般幾何面，必須易于檢索其定型和定位尺寸。這要求允許在三維物體之外存在孤立的點(diǎn)、線和面，引入非流形和非規(guī)則集合，擴(kuò)展歐拉操作范圍。
　　(3)特征造型產(chǎn)品設(shè)計(jì)在更高層次上進(jìn)行，操作對(duì)象不再是實(shí)體造型采用的原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能形素，如螺紋孔、定位孔、鍵槽、凸臺(tái)和耳板等，這需要采用局部操作和尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并要求使用新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和新的特征組合算法。特征的引用直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，使得產(chǎn)品模型易于理解，節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間。
　　(4)特征中的幾何和非幾何信息將產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖貫徹到各后續(xù)環(huán)節(jié)并及時(shí)得到意見反饋，加強(qiáng)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各部門的聯(lián)系，有助于推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。
　　可見基于特征造型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)的核心，為設(shè)計(jì)、制造及生產(chǎn)管理提供服務(wù)，為智能CAD系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)的逐步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造條件。因此，對(duì)基于特征的機(jī)械產(chǎn)品造型課題的研究是十分必要的。
　　2　特征模型信息描述
　　從CIMS和虛擬設(shè)計(jì)角度出發(fā)，特征分類如圖1所示。
　　零件模型的生成不是依賴于體素拼合，而是突出了各種面的作用，如基準(zhǔn)面、工作面和連接面等，需要處理和記錄不同特征間的繼承、鄰接、從屬和引用聯(lián)系。根據(jù)特征間的聯(lián)系，將特征類的實(shí)例定義為對(duì)象，得圖2所示的面向特征聯(lián)系圖。
　　在特征的屬性集中包括三方面的屬性：①參數(shù)屬性，描述特征形狀構(gòu)成及其它非幾何信息的定義屬性；②約束屬性，描述特征成員本身的約束及特征成員之間的約束關(guān)系屬性；③關(guān)聯(lián)屬性，描述本特征與其它特征之間、形狀特征與低層幾何元素或其它非幾何信息描述之間的相互約束或相互引用關(guān)系的屬性。
　　根據(jù)特征和特征聯(lián)系的定義，建立基于特征零件信息模型的分層結(jié)構(gòu)，分為零件層、特征層和幾何層三層。將零件的幾何信息按層次展開，以便于根據(jù)不同的需要提取信息。零件層主要反映零件總體信息，為關(guān)于零件子模型的索引指針或地址；特征層包含特征各子模型的組合及其各個(gè)模型間的相互關(guān)系，并形成特征圖或樹結(jié)構(gòu)，特征層是零件信息模型的核心，各特征子模型間的聯(lián)系反映出特征間的語(yǔ)義關(guān)系，使特征成為構(gòu)造零件的基本單元，具有高層次工程含義。B-REP結(jié)構(gòu)表達(dá)的幾何/拓?fù)湫畔⑹钦麄€(gè)模型的基礎(chǔ)，也是零件圖繪制、有限元分析、裝配分析等應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)注的對(duì)象。
　　3　參數(shù)化特征造型方法
　　綜合運(yùn)用參數(shù)化特征造型的變量幾何法和基于生成歷程法這兩種造型方法實(shí)現(xiàn)特征的構(gòu)造和編輯。
　　將幾何模型定義成一系列特征點(diǎn)，并以特征坐標(biāo)為變量形成一個(gè)非線性的約束方程組，確定對(duì)元素長(zhǎng)度、半徑和相交角度限制等尺寸約束條件，設(shè)定限制元素的方位或相對(duì)位置關(guān)系等幾何約束條件。當(dāng)約束發(fā)生變化時(shí)，利用迭代方法求解方程組求得一系列新特征點(diǎn)，從而生成新的幾何模型。借助一些簡(jiǎn)單模型進(jìn)行多次運(yùn)算生成三維幾何模型，記錄模型生成過程中的所有信息，將記錄的定量信息作為變量化參數(shù)，當(dāng)賦予參數(shù)不同的值時(shí)，更新模型生成歷程，得到不同大小或形狀的幾何模型。模型可以很復(fù)雜，常用于三維實(shí)體的參數(shù)化建模。由于三維模型是由其它簡(jiǎn)單的所謂子模型經(jīng)多次運(yùn)算生成的，模型生成歷程呈一樹狀，樹葉表示基本子模型，支結(jié)點(diǎn)表示運(yùn)算生成的中間模型，樹根則代表模型本身。
　　基于模型的生成歷程進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，可被參數(shù)化的對(duì)象是歷程樹中所包含的基本模型數(shù)據(jù)和各種運(yùn)算參數(shù)。參數(shù)化的尺寸及施加的各類約束保留在模型生成歷程中，可參數(shù)化的基本模型數(shù)據(jù)是各種體素特征尺寸和平面圖形的幾何尺寸，中間模型或最終模型是運(yùn)算生成的，所以歷程樹中這類模型內(nèi)包含了各類運(yùn)算參數(shù)，參數(shù)形式與布爾運(yùn)算、掃描變換、倒圓與倒