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面向CAD/CAPP集成的特征造型技术研究 |
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作者：蔡长韬 殷国富 胡晓兵 倪亚辉 |
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特征技术是当前研究的热点，虽然对特征的定义众说纷纭，但对特征的性质和作用的提法是基本一致的，并且，特征技术是实现并行工程最有希望的途径这一点已成共识。并行工程要求设计人员从一设计开始就要同步考虑产品生命周期(从概念形成到产品报废)中的所有因素，包括质量、成本、进度与用户需求等。如果没有一个支持并行工程的产品模型，并行工程是难以进行的。
目前，产品信息建模的方法大多采用基于特征的方法，许多商用CAD系统是基于特征造型的系统，但这些特征造型系统存在以下缺点：(1)产品信息关联性差，系统主要提供点、线、面的几何和拓扑信息，有的系统虽然有粗糙度和尺寸公差等信息，但这些信息在数据库中与几何体或形状特征之间缺乏必要的联系；(2)产品信息不全，产品数据中缺乏制造、装配和评价等后续过程的相关信息，产品数据应包括产品生命周期的全部信息；(3)特征定义的一致性差，导致特征识别的难度大；(4)特征设计操作繁琐，设计效率低。由于CAD是设计后续过程(如工艺设计、制造和装配等)的信息源，同时还需接受后续过程的评价反馈信息，若CAD系统所提供的信息不完整，其后续过程的CAPP、CAM等就很难获取所需的加工工艺信息，更难以实现CAD/CAPP/CAM的集成。因此，特征造型技术有待于进一步研究，使CAD系统能为后续过程提供更完备的信息，实现CAD与后续过程的信息集成和并行运行。
1特征造型的基本形式
1.1特征造型基本概念
特征造型能提供产品定义的高层描述，使产品设计在更高层次上进行，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，直接体现了设计意图，使建立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容易修改，有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工检验等各部门之间的联系，更好地将产品设计意图贯彻到后续过程，并及时得到反馈意见。
特征造型必然要面向产品并行设计，并且作为并行设计系统体系结构的核心模块。一个理想的特征造型系统应具有如下功能：
(1)方便设计过程系统应该是交互式的，具有定义特征类属描述，并将其存入特征库：系统必须提供几何和拓扑的参数化机理，所定义的约束必须能保证特征的有效性。
(2)为产品并行设计提供集成化产品信息模型并行设计的理论和应用确定了产品模型的核心地位，人们希望在产品生命周期各应用领域之间有一种共同的语言作为信息交换与共享的理论与方法基础。这就要求能对产品模型进行不同层次的多级抽象，建立完备的产品信息模型。
(3)支持产品设计过程特征造型系统除了能支持传统的设计过程，如：参数设计、变量设计和基于知识的设计等，还能实现产品设计的新方法，如：面向制造的设计(DFM)、面向装配的设计(DFA)等。
1.2特征造型方法
特征造型是以特征库中的特征或用户定义特征的实例为基本单元，建立产品特征模型，从而完成产品设计。特征造型的基本方法如下。
(1)利用特征描述树法该方法主要依据零件基本形状特征及其相互关系来实现从基本形状到复杂形状的转换。
零件特征关系树
特征关系树是由特征体素及其联系构成的，提供了物体形状的总体描述。它将物体分解成低级元素，这种分解有利于公差的表达，并给产品模型增加了一定程度的智能，给用户提供了符合人们思维形式的高级环境。
基本形状到复杂形状的转换设计时利用特征库中的特征及特征操作库中的增加、修改、删除等操作产生和编辑设计形体，同时自动产生零件的基本表示。但特征库中的特征是有限的，很难表达所有可能的各种形状体素。因此系统允许用户按照一定的规则自定义特征，并加入到特征库中。由于特征与产品模型、引用联系以及抽象水平有关，因此必须产生一种特征转换系统，从数据库中提取各应用环境所需要的信息，送给有关活动进行设计，利用特征描述树能将设计得到的基本表示转换成各应用系统所需的表示，从而实现产品信息交换与共享。
(2)特征基本模型到应用模型的映射
通过特征造型可以直接用能反映设计意图的高级语言来表达产品模型，从而将设计意图转换到低级几何中表达。基于特征的设计完成后，产品数据库不仅包含几何与拓扑信息，而且还包含产品总体信息、结构信息和尺寸公差信息。由于不同应用活动对产品特征信息的需求不同，需要用特征映射技术，按一定的映射关系进行面向应用的特征信息转换。通过特征信息建模和特征映射功能相结合，可提供良好的产品数据表达和转换机制，使CAD/CAPP集成及并行设计的实现成为现实。
(3)基于特征设计的产品建模方法
由于加工环境、生产规模、产品相似性程度不同，基于特征设计的建模方法有以下两种：面向制造的设计(DFM)和面向装配的设计(DFA)。DFM就是同时进行产品设计和工艺方案设计，这样在设计阶段就充分考虑加工要求；DFA是采用公差分析法，根据“成本—公差”曲线来优化装配公差，以装配为目标来指导零件设计以期获得最佳装配效果。
特征设计反映了设计与制造的集成化策略，它从一开始就把特征融合到产品模型中，并试图提供更丰富的产品信息，与后续过程实现信息共享与集成。
2特征造型的系统与实现方法
本文提出的特征造型系统机构，综合应用了面向制造的特征设计和特征识别技术。系统中的特征识别技术可以充分运用现有资源，采用交互式特征识别法和基于规则的自动特征识别法相结合的方法，从现有的三维实体造型系统中抽取特征信息，与输入的公差等工艺信息一起组成基于特征的信息模型，存入STEP文件中。面向制造的特征设计可以同时进行产品设计和加工工艺方案设计，能在设计阶段捕捉到除了零件几何拓扑以外的设计和制造意图的高层描述，最终形成零件特征模型，并通过特征处理的验证和再组织，存入STEP文件中。以AutoCAD13作为零件特征建模的支撑环境，构造出零件的三维实体模型，用Visual C＋＋二次开发出特征造型的系统结构，如图1所示。该系统由特征定义、特征操作与运算、特征信息设定、用户定义特征库、特征设计、特征处理、特征识别和STEP文件组成。
图1面向CAD/CAPP集成的特征造型系统的结构框图
(1)特征定义模块主要定义用户特征的尺寸和参考信息，产生用户定义特征库。
(2)特征操作与运算模块主要完成特征的各种拼合与布尔运算，并对特征的拓扑和属性进行一致性检验。
(3)特征信息设定模块主要设定特征的尺寸公差、粗糙度、几何精度等信息，可对特征增加功能、材料、硬度、热处理、设计者、设计时间等特征信息。
(4)用户定义特征库模块主要是根据用户对零件的分类，分析每一类零件的特点，从而抽取一组特征，这组特征就构成该类零件族的特征库。
(5)特征设计模块主要基于用户定义特征库进行特征设计。
(6)特征处理模块主要对零件特征模型进行验证、替换、修改，重新生成零件特征模型。
(7)特征识别模块可对零件总体信息、每个特征的信息、尺寸、几何公差、粗糙度等进行识别，为CAD的后续过程提供丰富的源信息。
(8)STEP文件模块利用STEP将各种几何模式转换成一种统一的数据表达模式，实现CAD/CAPP集成。
在汽车后桥圆锥齿轮的特征造型系统中，通过分析设计要求，确定零件基体、形状特征、装卡定位方案、特征加工途径，分析零件加工方法，利用Auto CAD13的实体造型模块，构造该零件的各类设计特征，并向基本形状加、减特征，展开设计过程。在加、减特征时，首先从特征库中选择形状特征，指定特征的定形尺寸及公差；然后指定特征的定位基准和定位尺寸与公差；最后执行布尔运算与操作，生成零件特征模型。用户只要通过系统的输入界面(下拉式菜单或对话框)，选择所需的设计特征并输入相关的特征数据，系统便能根据用户要求交互地进行尺寸修改、基准变换等特征编辑操作。例如，用户需要修改圆锥齿轮的节锥角δ，只需选择编辑菜单，这时系统弹出节锥角δ的值，重新输入δ值，系统便根据修改后的δ值，自动识别其特征类型并驱动相关应用程序，将与节锥角δ相关的尺寸(节圆直径df、节锥母线长度Lf等)作相应修改，并按修改内容生成新的圆锥齿轮模型。特征的编辑与修改过程，采用了自动特征识别法，其中简单特征(如：阶梯轴、倒角、键槽等)采用基于规则的自动特征识别法提取，而复杂特征(弧齿厚、节锥角等)采用人机交互式特征识别法提取。
3结论
本文对特征造型技术的基本形式进行了深入的分析，提出了特征造型的系统结构与实现方法。该系统应用于汽车后桥圆锥齿轮的并行设计中，取得了令人满意的效果。(end)
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(8/14/2006) |
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