【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 特征、組合形狀特征以至最終產(chǎn)品模型。特征的幾何表示在元素層，由2D形狀沿2D導(dǎo)線圖掃動(dòng)形成。將2D圖形定義成幾何約束系統(tǒng)，并指定掃描類型，形成參數(shù)化的特征體素。在特征層，特征體素通過正則布爾運(yùn)算形成簡(jiǎn)單形狀特征，可作為參數(shù)化特征造型的基本單元。形體層中，簡(jiǎn)單形狀特征通過特征布爾運(yùn)算和幾何約束（尺寸/聯(lián)結(jié)關(guān)系），以記錄特征的幾何約束模型；特征層與形體層主要記錄特征的組合過程與特征之間的約束關(guān)系，主要采用CSG模式。幾何約束貫穿了從特征描述到特征組合的全過程。三維實(shí)體模型中的幾何約束對(duì)象，除了基本的拓?fù)湓孛?、邊、點(diǎn)，還有基本形狀特征、組合形狀特征等。三維幾何對(duì)象中包含的幾何約束關(guān)系如圖34所示。根據(jù)參數(shù)化特征造型的需要，對(duì)傳統(tǒng)的BRep模型、CSG模型進(jìn)行擴(kuò)充。進(jìn)的邊界示法采用基于面的面鄰接圖法（FAG，F(xiàn)ace Adjacency Graph）與結(jié)構(gòu)化面鄰接圖法(SFAG，Structural FaceAdjacency Graph）表示三個(gè)不同層次的顯式幾何形狀。在元素層，鄰接圖（FAG）表示了組成形狀特征的基本幾何元素如面、邊、頂點(diǎn)及其幾何約束關(guān)系；特征層與形體曾，以結(jié)構(gòu)化面鄰接圖（SFAG）表示了組成產(chǎn)品的形狀特征（FAG）之間的組合關(guān)系、層次關(guān)系以及形狀特征的參考面、參考邊、參考點(diǎn)之間的幾何約束關(guān)系。對(duì)于元素層的簡(jiǎn)單形狀特征，以FAG圖來表示定義特征邊界的幾何要素之間的幾何約束關(guān)系。FAG模型是基于面的模型，它將面看成特征實(shí)體邊界的定義要素，而點(diǎn)、邊以及環(huán)則處理成派生幾何元素。特征S的邊界表示BS可以看作一個(gè)三元組：BS=（VS，ES，F(xiàn)S），其中，VS={頂點(diǎn)集合}，ES={邊集合}，F(xiàn)S={面集合}。特征S的面鄰接圖可以描述為：FAG=（N，A，H）其中，N對(duì)應(yīng)形狀特征的面集合FS，每個(gè)面成員在FAG圖中對(duì)應(yīng)著唯一的面結(jié)點(diǎn)n ∈N；A對(duì)應(yīng)特征的邊的集合ES，每個(gè)邊成員在FAG圖中對(duì)應(yīng)著唯一的弧，表示兩個(gè)面與邊的拓?fù)潢P(guān)系；H對(duì)應(yīng)特征的點(diǎn)的集合VS，每個(gè)點(diǎn)成員在FAG圖中對(duì)應(yīng)著唯一的點(diǎn)結(jié)點(diǎn)n ∈N，點(diǎn)結(jié)點(diǎn)與面結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系用超弧表示。80年代初研究的特征造型（Feature－Based Modeling）是以實(shí)體模型為基礎(chǔ)，用具有一定設(shè)計(jì)或加工功能的特征作為造型的基本單元建立零部件的幾何模型。目前尚無統(tǒng)一的特征分類方法，一般來說有形狀特征、材料特征、精度特征、工藝特征等。形狀特征有不同的分類方法，可以將各種槽、凹坑、凸臺(tái)、孔、殼、壁等作為形狀特征，也可以從某類零件出發(fā)，用統(tǒng)計(jì)歸納及成組技術(shù)的思想制定一套規(guī)范化的特征圖庫(kù)，并以形狀特征為載體，加上精度、工藝、材料等信息進(jìn)行造型。這樣的優(yōu)點(diǎn)是能以工程師所熟悉的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此比傳統(tǒng)的實(shí)體造型有更好的設(shè)計(jì)效率；更為重要的是由此所建立的幾何模型不僅包括幾何信息，還包括工藝加工等信息，形成真正符合數(shù)據(jù)交換規(guī)范的產(chǎn)品信息模型，從而實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM/CAPP的真正集成。 特征的定義特征的定義是在造型設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期內(nèi)信息完整描述的載體，是一種信息表示方法，包括幾何信息和非幾何信息。特征的定義由于應(yīng)用的不同而有差異，但是特征的性質(zhì)和作用是基本一致的。首先，特征是低層的幾何元素與零部件間聯(lián)系的橋梁，特征將構(gòu)成特征的幾何元素有機(jī)地結(jié)合起來，形成能夠表達(dá)特定功能或含義的形狀結(jié)構(gòu)，以體現(xiàn)面向應(yīng)用的形狀信息。此外，特征的組成元素可以作為尺寸、公差、表面粗糙度等加工信息的相關(guān)載體，使得工藝信息能完整地借助特征而得到表達(dá)?；谔卣鞯漠a(chǎn)品模型不僅能支持各種應(yīng)用所需的產(chǎn)品定義信息，而且能夠提供符合人們思維的高層次工程描述術(shù)語，并反映設(shè)計(jì)和制造的意圖，從而克服現(xiàn)行CAD／CAM系統(tǒng)中產(chǎn)品信息定義不完備性和低層數(shù)據(jù)抽象性的不足。特征除了具有一定的幾何信息以外，還包括在設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和制造過程中需要的技術(shù)、功能等信息，即特征給各種數(shù)據(jù)賦予了一定的含義。特征建模所需處理的數(shù)據(jù)及其間關(guān)系紛繁復(fù)雜，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型繁多，既包括反映產(chǎn)品形狀幾何拓?fù)湫畔⒌膸缀文Ｐ停钟蟹从吃O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)功能的設(shè)計(jì)模型，還需處理具有加工特點(diǎn)和裝配特性的制造模型，既要存儲(chǔ)靜態(tài)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等信息，又要涉及動(dòng)態(tài)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程信息。特征定義的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：(1)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中提供一套預(yù)先定義好的形狀特征，稱為特征的前置定義（Predefinition of Features），或叫做基于特征的設(shè)計(jì)。(2)首先進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)，然后從幾何模型中識(shí)別或抽取形狀特征，稱為特征的后置定義（PostDefinition of Features），或叫做特征識(shí)別（特征抽?。?。特征識(shí)別為現(xiàn)有幾何造型系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了方法，部分解決了實(shí)體造型系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)之間信息交換的不匹配問題，然而仍有一定的局限性，具體表現(xiàn)在：(1)對(duì)簡(jiǎn)單形狀特征的識(shí)別比較有效，當(dāng)產(chǎn)品比較復(fù)雜時(shí)，特征識(shí)別就顯得非常困難，甚至無法實(shí)現(xiàn)。(2)特征識(shí)別使形狀特征在形狀上得到了一定程度的表達(dá)，但形狀特征之間的關(guān)系仍無法表達(dá)。 特征的分類從特征建模的角度出發(fā)可以將特征分為以下6類:(1)形狀特征有一定拓?fù)潢P(guān)系的一組幾何元素所構(gòu)成的一個(gè)特定形狀。它具有特定的功能及其特定的加工方法集。形狀特征可以分為基本形狀特征和附加形狀特征?；拘螤钐卣骺梢詥为?dú)存在，即基本形狀特征可不與其它特征發(fā)生聯(lián)系。而附加形狀特征則不能單獨(dú)存在，它必須與基本形狀特征或其它附加形狀特征發(fā)生聯(lián)系，對(duì)它們進(jìn)行修改。一個(gè)零件可以由一個(gè)基本形狀特征和若干個(gè)附加形狀特征來描述?；拘螤钐卣髋c附加形狀特征又可以進(jìn)一步細(xì)分為許多子類，形成一個(gè)特征分類的樹形結(jié)構(gòu)，稱為特征樹。(2)精度特征用于表達(dá)零件各要素尺寸公差、形狀公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。需要特別指出的是，一般形位公差除公差項(xiàng)目名、公差值、基準(zhǔn)外，還應(yīng)包含公差檢測(cè)原則（如包容原則、最大實(shí)體原則等）。精度特征是形成零件質(zhì)量指標(biāo)的主要依據(jù)。(3)管理特征用于描述零件的管理信息。(4)技術(shù)特征用于描述零件的性能、功能等相關(guān)信息。說明外觀要求、搬運(yùn)要求等圖紙上無法標(biāo)注的要求，零件運(yùn)行過程中工況條件（常規(guī)、極限），載荷與約束條件，為CAE提供模擬信息，為性能實(shí)驗(yàn)、分析計(jì)算、優(yōu)化、有限元前處理提供條件。(5)材料特征用于描述零件材料的類型、理化指標(biāo)、表面處理及熱處理等特殊要求的信息集合。(6)裝配特征用于表達(dá)零件在裝配過程中所需用的信息，如與其他零件之間的配合、配作等關(guān)系，裝配尺寸鏈信息、父項(xiàng)子項(xiàng)的信息。以上特征是根據(jù)產(chǎn)品的對(duì)象定義的，是支持產(chǎn)品生命周期多個(gè)階段的通用特征，不同階段之間的信息傳遞主要是通過基本特征這個(gè)信息載體來實(shí)現(xiàn)的?；咎卣鲗?duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域具有不同視圖、不同投影與繼承，是特征模型支持下游操作和模型本身不斷完善的途徑。各個(gè)分系統(tǒng)結(jié)合各自不同信息，形成了各自的應(yīng)用特征，如工藝特征、制造特征、檢測(cè)特征。所以應(yīng)用特征是面向具體應(yīng)用領(lǐng)域或具體應(yīng)用系統(tǒng)的專用特征，它滿足具體系統(tǒng)的操作要求，同時(shí)它的信息是可以從基本特征中導(dǎo)出的。 特征造型的實(shí)現(xiàn)特征建模的方式有三種：(1)人工輔助特征標(biāo)識(shí)。首先建立產(chǎn)品的幾何模型，而后用戶直接通過圖形檢取定義特征幾何所需要的幾何要素，并將特征參數(shù)或精度特征、技術(shù)特征詳細(xì)作為屬性添加到特征模型中。(2)自動(dòng)特征識(shí)別。用戶在建立幾何模型后，通過啟動(dòng)特定程序自動(dòng)的處理幾何數(shù)據(jù)庫(kù)，找到并提取特征。(3)基于特征的設(shè)計(jì)所示。以特征庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)的特征或用戶自定義特征的實(shí)例為基本單元建立特征模型，從而完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。將參數(shù)化設(shè)計(jì)的思想用到特征造型技術(shù)中，用尺寸驅(qū)動(dòng)或變量設(shè)計(jì)的方法定義特征并進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)的操作，這樣就形成了參數(shù)化特征造型。由于特征均采用參數(shù)化定義，因此對(duì)形狀、尺寸、公差、表面粗糙度等均可隨時(shí)修改，最終達(dá)到修改零件的目的。參數(shù)化特征造型的基本思想是用幾何約束說明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而設(shè)計(jì)出一套形狀或功能相似的設(shè)計(jì)方案。在此思想指導(dǎo)下，參數(shù)化特征造型的技術(shù)路線有2條：一是記錄特征造型的整個(gè)過程，修改尺寸即修改造型過程的某一數(shù)據(jù)；二是基于變分幾何的約束方程數(shù)值計(jì)算方法?；谝陨?條技術(shù)路線，現(xiàn)行的參數(shù)化特征造型方法主要有三大類[6]：首先是Sunde等人提出的面向人工智能的表示方法，該方法用一階邏輯謂詞描述幾何形體的約束關(guān)系，進(jìn)而借助推理機(jī)確定圖形元素（點(diǎn)、線、面）的關(guān)系進(jìn)行造型。面向人工智能的參數(shù)化特征造型方法運(yùn)用符號(hào)化的表達(dá)方式表示各種類型的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)對(duì)語義的表達(dá)更為直接。但由于目前還不能很好地處理約束一致性問題，以及存貯空間消耗大，對(duì)數(shù)值計(jì)算和圖形交互的支持能力弱等不足，因而該方法主要用于構(gòu)造二維圖形和簡(jiǎn)單的三維形體。第二類方法是以Emmerik為代表提出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法，它是在傳統(tǒng)的幾何模型信息上加入幾何約束信息，采用CSG樹和幾何樹構(gòu)造三維形體，適用于構(gòu)造拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生改變的形體參數(shù)化。該方法的局限性在于：適用的幾何約束范圍較小，且問題的解決需建立在成熟的算法基礎(chǔ)上。第三類是變分幾何的參數(shù)化造型方法，它由Gossard提出。該方法比較成熟，能較好地處理不同類型的約束關(guān)系及約束一致性問題。目前成熟的CAD/CAM系統(tǒng)多采用第一類和第三類方法。根據(jù)上述參數(shù)化特征造型理論，本課題基于UG平臺(tái)的微波器件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是：利用設(shè)計(jì)變量與編程技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)原理是以三維參數(shù)化特征造型技術(shù)生成的模型為基礎(chǔ)，用設(shè)計(jì)變量作為參數(shù)化程序與三維模型的聯(lián)系紐帶。主要設(shè)計(jì)思路為：(1)建立三維零件模版。先對(duì)零件進(jìn)行分類，用反映該類零件所有特征的復(fù)合零件作為三維零件模版，然后根據(jù)復(fù)合零件用人機(jī)交互的形式直接在UG環(huán)境中建立模型，確定和創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量；(2)設(shè)計(jì)參數(shù)化程度。從已構(gòu)建的零件模版中獲取設(shè)計(jì)變量，采用圖形用戶界面對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行查詢和修改，最后生成新的三維模型。為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，首先要對(duì)微波器件的典型特征有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，并對(duì)其進(jìn)行分類，這也是建立零件庫(kù)所必須進(jìn)行的前期分析工作