【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能等與零件描述相關(guān)的信息集的綜合描述，是反映零件特點(diǎn)的可按一定的規(guī)則分類(lèi)的產(chǎn)品描述信息。特征是產(chǎn)品信息的集合，不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀，而且反映特定的工程語(yǔ)義，所以兼有形狀和功能兩種屬性。從其名稱(chēng)和語(yǔ)義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、創(chuàng)造技術(shù)、公差要求，適宜在設(shè)計(jì)、分析和制造中使用。特征的分類(lèi)方法有很多，主要有按產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的性質(zhì)分類(lèi)，按幾何形狀分類(lèi)，按功能分類(lèi)，按制造方法分類(lèi)等。各方面的信息有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成了基于特征的零件信息模型，如圖57所示。零件形狀特征精度特征管理特征性能分析特征材料特征裝配特征屬性1屬性n屬性1屬性n幾何元素幾何級(jí)圖57 基于特征的零件信息模型級(jí)……零件級(jí)屬性級(jí)特征級(jí)2)基于特征的模型生成方法 基于特征的建模方法中對(duì)于特征的描述是關(guān)鍵，特征描述應(yīng)該包含幾何形狀的表示和相關(guān)的處理機(jī)制以及特征高層語(yǔ)義信息。目前主要探討機(jī)構(gòu)形狀特征，其常用描述方法主要有基于Brep的方法、基于CSG的方法、基于混合CSG/Brep的方法等三種方法。其中混合CSG/Brep的方法是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中表示特征的較好方法，這是因?yàn)樗瑫r(shí)兼有CSG模型及Brep模型的優(yōu)點(diǎn)，CSG模型易于對(duì)高層元素操作，Brep模型易于與低層元素(點(diǎn)、線(xiàn)、面)附加尺寸、公差和其它屬性?；谔卣鞯哪Ｐ蜕煞绞街饕幸韵氯N：特征定義特征模型幾何模型設(shè)計(jì)員工作計(jì)劃員圖58 交互式特征定義幾何建模器1)交互式特征定義(Interactive Feature Definition) 如圖58 所示，交互式特征定義總是在一個(gè)以定義的幾何模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，以人機(jī)交互的方式輔助識(shí)別特征，這種方式首先建立產(chǎn)品的幾何模型，然后由用戶(hù)直接通過(guò)圖形來(lái)提取定義特征所需的幾何要素，輸入工藝信息，建立零件或產(chǎn)品描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。交互式特征定義的原理利用Brep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以很好地實(shí)現(xiàn)，但是效率低，且?guī)缀涡畔⑴c非幾何信息是分離的，產(chǎn)品的數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)共享。利用這種方法其結(jié)果取決于用戶(hù)的正確選擇，如果選擇了錯(cuò)誤的元素或選擇的元素?cái)?shù)量不恰當(dāng)，就不可能對(duì)元素進(jìn)行定義，必須重新進(jìn)行選擇。因此，使用人員必須掌握系統(tǒng)和現(xiàn)行的匹配模型方面的精確知識(shí)。特征識(shí)別實(shí)體模型實(shí)體建模器特征分選特征圖59 自動(dòng)特征識(shí)別2)自動(dòng)的特征識(shí)別(Feature Recognition) 在建立幾何模型后，通過(guò)啟動(dòng)專(zhuān)門(mén)的程序，利用實(shí)體建模信息，自動(dòng)地處理幾何數(shù)據(jù)庫(kù)，識(shí)別特征，搜索并提取特征信息，產(chǎn)生特征模型，如圖59所示。特征識(shí)別方法主要有匹配、邊面延伸、體分解以及CSG識(shí)別等。這種方式應(yīng)用面廣，但識(shí)別能力有限，且提取特征信息很困難，應(yīng)用的零件范圍狹小。特征識(shí)別通常只對(duì)簡(jiǎn)單形狀有效，難以處理復(fù)雜情況，處理結(jié)果也未必與原意圖相符，有很大的局限性。自動(dòng)的特征識(shí)別是通過(guò)利用一個(gè)幾何建模器自動(dòng)的生成加工計(jì)劃的第一步。與在銑削加工時(shí)直接從建模器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)求得工件的合適區(qū)域的加工區(qū)識(shí)別方法不同，特征識(shí)別的任務(wù)是尋找一個(gè)幾何模型的范圍，這個(gè)范圍應(yīng)與先前定義的一般特征相符合?？傊?，存在一個(gè)成熟的構(gòu)件模型是先決條件，一個(gè)特征識(shí)別系統(tǒng)的任務(wù)主要有以下幾方面：①按照與預(yù)定義模型的拓?fù)?幾何一致性原則搜尋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；②從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中分離和抽取已被識(shí)別的特征；③求得特征參數(shù)(例如孔徑和槽深)；④完備幾何特征模型；⑤把簡(jiǎn)單的幾何特征組合成高價(jià)值的特征。特征識(shí)別還有一系列其它的問(wèn)題，比如在難以區(qū)別特征的語(yǔ)義方面；還有，用于完整識(shí)別在其中所含有特征的幾何模型必須由預(yù)定義的特征組成。特征識(shí)別在應(yīng)用復(fù)雜的、用戶(hù)定義的特征時(shí)會(huì)引起問(wèn)題。特征識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)在于在不同的應(yīng)用領(lǐng)域之間轉(zhuǎn)換時(shí)其原理上具有多面性。只要建模器數(shù)據(jù)本身的交換能夠得到保證，特征識(shí)別可以使得隨后的應(yīng)用與模型生成的類(lèi)型無(wú)關(guān)，并因此也與所應(yīng)用的設(shè)計(jì)系統(tǒng)無(wú)關(guān)。特征造型器幾何造型器特征模型幾何模型應(yīng)用系統(tǒng)圖510 基于特征的設(shè)計(jì)表示圖用戶(hù)3)基于特征的設(shè)計(jì)(Design by Feature) 如圖510所示，利用特征進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，預(yù)先將大量的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶(hù)自定義的特征存儲(chǔ)進(jìn)特征庫(kù)，在設(shè)計(jì)階段就調(diào)出特征庫(kù)中的特征，將之作為基本建模單元進(jìn)行建模，再逐步輸入幾何信息、工藝信息建立起零件的特征數(shù)據(jù)模型，并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)。由于這種方法適用范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，因此，得到了廣泛的應(yīng)用。在基于特征的設(shè)計(jì)過(guò)程中，特征已經(jīng)融通在設(shè)計(jì)過(guò)程中，因此，在特征中含有的幾何的、拓?fù)涞暮驼Z(yǔ)義的信息保持在產(chǎn)品模型中。由此，盡管在后續(xù)安排的加工和過(guò)程計(jì)劃系統(tǒng)中仍需進(jìn)行特征識(shí)別，卻不需唯一地通過(guò)建模器內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而是可以在特征數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)施。只要數(shù)據(jù)庫(kù)保證必要的一致性，通過(guò)特征的支持幫助，設(shè)計(jì)人員可以得到遠(yuǎn)比在一種簡(jiǎn)單的幾何和拓?fù)浯_定時(shí)更多的建模自由空間。基于特征的設(shè)計(jì)更多的是通過(guò)設(shè)計(jì)模型的一致性來(lái)支持設(shè)計(jì)人員，通過(guò)與特征聯(lián)系的語(yǔ)義可以確定信息、文件功能的關(guān)系并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，并可以在進(jìn)一步的處理系統(tǒng)中得到利用，使設(shè)計(jì)人員有更多的使用空間及給出嚴(yán)格的格式化工作方式。采用特征時(shí)的一個(gè)關(guān)系重大的問(wèn)題是在每種情況下的特征干擾問(wèn)題，它可能產(chǎn)生不合適數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的后果，導(dǎo)致模型的不—致性。這個(gè)問(wèn)題一般可以通過(guò)對(duì)相應(yīng)規(guī)范和強(qiáng)制條件的動(dòng)態(tài)審查來(lái)避免。如果違反了建模時(shí)的規(guī)范，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與相應(yīng)的問(wèn)題處理有關(guān)聯(lián)的通告，把強(qiáng)制性條件直接分配給特征，這樣就可以對(duì)每項(xiàng)措施進(jìn)行檢驗(yàn)。然而，執(zhí)行這樣的算法和設(shè)計(jì)所必需的規(guī)范是困難的，至今尚沒(méi)有完整實(shí)現(xiàn)上述功能的商用系統(tǒng)，這是在產(chǎn)品和過(guò)程建模模型系統(tǒng)方面需要加強(qiáng)研究的課題。 (5) 基于特征的參數(shù)化建模 基于特征的參數(shù)化建模是將特征造型技術(shù)與參數(shù)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種設(shè)計(jì)方式(自頂向下或自底而上等)和設(shè)計(jì)形式(初始設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)和變異設(shè)計(jì)等)的支持的一種建模方法。基于特征的參數(shù)化建模主要過(guò)程如下： 1)基于約束的特征描述；2)特征結(jié)構(gòu)圖元參數(shù)化建模；3)特征之間的約束建模。基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，最主要的是基于約束的特征描述，主要包括以下內(nèi)容： 1)將產(chǎn)品描述為幾何形狀特征的集合；2)將形狀特征分解為具有一定幾何體素的特征結(jié)構(gòu)圖元，結(jié)構(gòu)圖元一般可以是由線(xiàn)段、圓、圓弧、樣條曲線(xiàn)等組成的特征框模型；3)根據(jù)幾何體素及位置關(guān)系進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)圖元的幾何構(gòu)成及其位置。在CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，產(chǎn)品的主特征和輔助特征均要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，特征結(jié)構(gòu)圖元參數(shù)化一般為—個(gè)主特征和部分輔助特征參數(shù)化。參數(shù)化定義過(guò)程可以描述如下：1)首先選擇并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)特征的幾何體素，使用參數(shù)完整表達(dá)幾何形狀的結(jié)構(gòu)模型；2)指定足夠的測(cè)量實(shí)體，如組成實(shí)體的點(diǎn)、線(xiàn)、圓弧、倒角等測(cè)量基準(zhǔn)；3)建立定形尺寸，即各個(gè)標(biāo)注的尺寸單元；4)建立定位尺寸，以定位點(diǎn)為基準(zhǔn)，確定各個(gè)特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置；5)確定尺寸約束和位置約束，建立約束方程，并對(duì)約束方程進(jìn)行求解。針對(duì)某一類(lèi)產(chǎn)品的部分輔助特征還應(yīng)單獨(dú)定義，如軸類(lèi)零件，其中的鍵槽、中心孔就應(yīng)作為輔助特征單獨(dú)定義，以滿(mǎn)足特殊主特征的需要。輔助特征實(shí)現(xiàn)參數(shù)化主要是將輔助特征用計(jì)算方程和邏輯方程表達(dá)，參數(shù)可以是邏輯謂詞或計(jì)算關(guān)系式的變量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，特征之間的約束建模主要包括下列三個(gè)方面：1)針對(duì)不同類(lèi)型的產(chǎn)品，建立產(chǎn)品的形狀特征分解簡(jiǎn)圖；2)分析構(gòu)成此類(lèi)產(chǎn)品的各個(gè)特征之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，并用二叉樹(shù)表示特征模型之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系；3)分析構(gòu)成此類(lèi)產(chǎn)品的各個(gè)特征之間的約束關(guān)系，顯式地指定以完全滿(mǎn)足產(chǎn)品建模所需確定的約束，這些約束主要是特征的空間位置關(guān)系、公差、裝配結(jié)構(gòu)等幾何約束。(6) 環(huán)境建模虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心，是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)人機(jī)交互的交互環(huán)境。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建包括實(shí)景虛化與虛景實(shí)化兩個(gè)方面。實(shí)景虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維感知信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界，主要包括虛擬景物模型構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位、視覺(jué)跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使得真實(shí)感虛擬環(huán)境生成、虛擬環(huán)境對(duì)用戶(hù)實(shí)時(shí)交互信息的檢測(cè)與獲取成為可能；虛景實(shí)化是通過(guò)各種高性能計(jì)算和仿真技術(shù)使計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中的景物或客體能夠產(chǎn)生各種逼真的感官刺激，并以盡可能自然的方式反饋給用戶(hù)，主要包括具有真實(shí)感的視覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)感知、力覺(jué)和觸覺(jué)感知等技術(shù)，例如HMD、立體眼鏡、大屏幕投影等立體顯示技術(shù)，三維立體聲音技術(shù)，力反饋手套、力反饋操縱桿等。當(dāng)前的虛擬環(huán)境建模方法一般分為以下三類(lèi)：1)基于幾何造型(Geometrybased VE) 基于幾何造型方法通常利用造型軟件(如3DSMAX、AutoCAD等)手工搭建模型；或者通過(guò)對(duì)三維物體表面直接測(cè)量，獲得離散的三維數(shù)據(jù)，然后將這些三維數(shù)據(jù)進(jìn)行三角剖分，得到景物的多邊形描述。虛擬環(huán)境由各類(lèi)三維幾何體合成，在虛擬環(huán)境中漫游是根據(jù)觀(guān)察點(diǎn)及其觀(guān)察方向通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)繪制三維幾何體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2)基于圖像繪制(Imagebased VE) 基于圖像繪制方法利用全景圖集合來(lái)構(gòu)建虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中漫游相當(dāng)于選擇不同的全景圖。全景圖可用計(jì)算機(jī)生成，也可用全景相機(jī)拍攝或用普通相機(jī)拍攝后再加以鑲嵌。這種方法制作簡(jiǎn)單，場(chǎng)景逼真自然，能實(shí)時(shí)地顯示構(gòu)建的環(huán)境。3)基于幾何造型和圖像繪制的混合方法(Hybrid VE) 這種方法通過(guò)組合上述兩種建模方法的優(yōu)點(diǎn)而開(kāi)發(fā)出更為優(yōu)化的虛擬環(huán)境?；旌戏椒ɡ没趫D像繪制的虛擬環(huán)境建模的快速、低價(jià)、方便的優(yōu)點(diǎn)，營(yíng)造主體場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上能融合計(jì)算機(jī)繪制的幾何三維模型，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式交互。虛擬設(shè)計(jì)必須是根據(jù)產(chǎn)品與零件的功能、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞和動(dòng)平衡等的設(shè)計(jì)，決定產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)、造型和尺寸，即基于知識(shí)的虛擬設(shè)計(jì)。反之，只有基于知識(shí)的虛擬設(shè)計(jì)才能符合真實(shí)制造的要求，能更深入地發(fā)展虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，使虛擬制造各階段的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)、繼承、可重用和共享。為此，必須建立合適的設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型?；谥R(shí)的虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程中要用到各種標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)時(shí)要用到各種材料參數(shù)、圖表集等制作成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行調(diào)用。每個(gè)零件的模型實(shí)際上是一個(gè)小的專(zhuān)家系統(tǒng)，根據(jù)不同零件設(shè)計(jì)要求，其結(jié)果是形成反映零件的尺寸、特征、形狀、功能、行為、意圖等屬性的數(shù)據(jù)，其特征包括方位特征、形狀特征、精度特征和技術(shù)管理特征等。圖511為元模型的結(jié)構(gòu)。(1) 元模型及基于知識(shí)的元模型建模1)元模型的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的元模型為系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，對(duì)應(yīng)機(jī)械零件的模型。區(qū)別于一般CAD的直接幾何造型方法，元模型的建模是先采用人工設(shè)計(jì)零件時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式、循環(huán)修改、有限元法、邊界元法、分布參數(shù)、實(shí)驗(yàn)推理等知識(shí)，對(duì)零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動(dòng)平衡等設(shè)計(jì)，從而確定零件的材料、幾何形狀特征和尺寸數(shù)據(jù)，然后用計(jì)算出的數(shù)據(jù)選擇合適的計(jì)算機(jī)坐標(biāo)，利用圖形學(xué)的不同算法，如多邊形的頂點(diǎn)法、各種曲面曲線(xiàn)的樣條法、OpenGL函數(shù)庫(kù)法等形成零件的幾何造型，并加適當(dāng)?shù)墓庹眨箤?shí)際尺寸與計(jì)算機(jī)坐標(biāo)尺寸有一個(gè)映射，再根據(jù)材料參數(shù)進(jìn)行表面紋理映射和渲染，從而得到零件在計(jì)算機(jī)上的元模型。元模型零件N強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)則庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)材料參數(shù)剛度設(shè)計(jì)……疲勞設(shè)計(jì)……剛度設(shè)計(jì)…疲勞設(shè)計(jì)…零件2…強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)則庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)材料參數(shù)剛度設(shè)計(jì)……疲勞設(shè)計(jì)……剛度設(shè)計(jì)…疲勞設(shè)計(jì)…零件1圖511　元模型的結(jié)構(gòu)2)元模型的建模 一個(gè)基于知識(shí)的元模型的建模可由來(lái)描述，其中，為零件類(lèi)的名稱(chēng)符號(hào)集合，例如可設(shè)齒輪類(lèi)為集合，軸類(lèi)為集合等，表示零件子類(lèi)集合；Ｔ是受力分析，其結(jié)果是得到所設(shè)計(jì)零件的載荷，；為輸入集，是設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的常數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、材料參數(shù)、工作環(huán)境等數(shù)據(jù)和圖表參數(shù)等；為設(shè)計(jì)種類(lèi)的集合，這里是某種設(shè)計(jì)，可以為空，即有些零件的設(shè)計(jì)不是每種設(shè)計(jì)都要求的，但不全為空，例如假定為強(qiáng)度設(shè)計(jì)，為剛度設(shè)計(jì)，為疲勞設(shè)計(jì)等，可表示為，又是某種設(shè)計(jì)的不同公式或不同對(duì)應(yīng)規(guī)律。通過(guò)個(gè)設(shè)計(jì)，可求出某零件的一組特征、形狀、尺寸、功能、行為、意圖等參數(shù)；是元模型，即，為元模型的各種屬性，由一些幾何物理特征參數(shù)、材質(zhì)、光照等來(lái)描述；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，也就是一個(gè)映射。(2) 機(jī)構(gòu)模型及建模方法1)機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu) 機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖512。對(duì)于機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)，要將現(xiàn)有的實(shí)際機(jī)構(gòu)分類(lèi)分級(jí)，不同機(jī)構(gòu)可能有不同的類(lèi)、級(jí)、層，然后由零件構(gòu)造機(jī)構(gòu)，又由子機(jī)構(gòu)構(gòu)造父機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)。機(jī)構(gòu)模型呈樹(shù)形，元模型作為葉節(jié)點(diǎn)，機(jī)構(gòu)模型要調(diào)用零件元模型的數(shù)據(jù)，父機(jī)構(gòu)要用到子機(jī)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)，再上層的爺節(jié)