《CADCAM技术》第5章

第5章特征造型与装配建模技术5.1特征造型技术20世纪80年代CAD/CAM技术得到了长足发展。从最初的二维绘图、线框模型、曲面模型，发展到实体模型，这些模型提供了三维形体的几何信息和拓扑信息，因此称之为产品的几何建模。而产品的几何建模不足以提供产品整个生命周期中所需要的全部信息。例如计算机辅助工艺过程规划（CAPP），不仅需要被加工零件的几何信息和拓扑信息，还需要提供加工过程中涉及的工艺信息。为提高生产组织的集成化和自动化程度，促使CAD、CAE、CAPP和CAM进一步集成化，产品的几何模型必须向产品模型发展。产品模型不仅包含产品的几何信息和拓扑信息，还包含产品的非几何信息，如材料的密度、质量信息，热处理方面的信息以及加工工艺信息等。产品模型为后续的CAX提供了产品的完整的原始信息，是CAD、CAE、CAPP和CAM等过程的集成介质。而特征建模技术的研究是建立产品模型的一个重要途径。产品特征可分为形状特征、尺寸公差特征和技术特征等。为使读者从概念上理解特征建模，在此主要讨论与实体造型有密切关系的形状特征。5.1.1形状特征的概念形状特征指的是反映产品零件几何形状特点的、可按一定原则加以分类的产品描述信息。将特征引入几何造型系统的目的是增加几何实体的工程意义，为各种工程应用提供更丰富的信息。从严格意义上讲，目前对形状特征还没有统一的定义，各种定义之间仍存在一定的差异。在STEP标准中，形状特征是指符合一定原型，并与特定应用有关的几何形状，即形状特征同时包括参数化标准的几何形状信息和相应的应用领域的信息。特征可用于设计、工艺规程、NC数据生成、检测等领域。不同的领域对特征的理解也有所差异，如设计人员感兴趣的是使用形状特征进行设计，而制造人员感兴趣的是基于特征的制造，设计特征和制造特征并不存在着一一对应的关系，而是取决于其应用的领域。5.1.2特征建模过程特征建模是一个过程，是将构成零件的特征依次加到形体上，后续特征依附于前面的特征，前面特征的变化将影响后续特征的变化。为了正确记录特征建模的历程，采用了“特征□第5章特征造型与装配建模技术/131树”的方法（又称为历程树方法），将特征建模的历程一一记录下来。开始特征为基本特征，又称之为树的根特征。从基本特征开始，逐步增加零件的附加特征（树的枝特征），在附加特征上又可以附加其他特征（树的细枝特征），依次类推，随着零件的复杂程度不同，特征树的复杂程度也不同。一个复杂的零件是由许许多多的附加特征构成的，这样，特征树就由许多枝特征，细枝特征，甚至更细的枝特征构成，最后形成了一棵枝繁叶茂的大树。如图5-1（a）、图5-1（b）所示轴承座及其特征树。（a）轴承座（b）特征树图5-1轴承座及其特征树通过特征树，可以非常清楚地了解已建零件的建模过程，也为后续模型修改编辑带来了方便，即可以通过特征树对零件模型进行方便的管理。CAD系统一般都提供专门窗口，称之为特征树浏览器，在特征树浏览器中允许用户进行如下操作:（1）选择特征利用特征树浏览器来帮助选择特征，这尤其在复杂模型中更为有用，因为复杂模型的特征较多，在图形窗口中较难分辨和拾取。可以用鼠标在特征树浏览器中选择特征。为了选择多个特征，可按住Shift键，选择多个特征。或将鼠标移至空白区域并单击鼠标左键，释放所选择的特征。（2）删除特征选择要删除的特征，然后删除该特征。在删除特征时，从属于该特征的其他特征同时被删除，因此在进行特征删除操作时要倍加小心。（3）重新命名特征在构造特征时系统会自动对特征进行命名，也可以修改该特征名，比如给特征取一些有特点的名称，以便于阅读。（4）移动特征可以直接在特征树中移动某特征，改变特征在特征树中的位置，从而改变特征的先后顺序。132/CAD/CAM应用技术□注:①改变特征的先后顺序有时会改变零件的结构;②子特征不能拖放到父特征之前的位置，例如倒角特征必须在被倒角特征的后面。（5）抑制特征和非抑制特征当零件的特征非常多而且非常复杂时，可以采用抑制特征功能暂时冻结所不关心的特征，抑制特征及其从属特征暂时不参与显示、运算等，这样可简化图形的显示。当需要该特征或其从属特征时，执行非抑制特征操作，解除已抑制特征，此时，原被抑制特征重新可以参与显示和运算。（6）复制特征在零件特征树上，可以选定一个特征，并把它复制到特征树的另一个位置上。也可以把另一个零件上的特征，复制到当前零件的合适位置上。（7）编辑特征和尺寸修改所有特征都可以随时改变其形状及其大小。但在改变形状及其大小时，相应地后续特征可能也需要改变。（8）特征回放特征回放是指按照构造特征的先后顺序，逐一地把特征的造型过程连续地显示出来，这样可以形象地观察到零件模型整个造型过程。可见，特征造型技术是一种非常灵活直观的零件建模技术，许多CAD/CAM软件采用了该技术。5.1.3几何特征的种类及生成方法几何特征可根据其几何形状与其他形状特征的关系，以及用户应用的通用观点来分类。由于特征的数量极其庞大，任何系统都不可能支持所有应用领域的所有特征，因此不同的CAD/CAM系统提供了不同的特征种类，下面介绍几种典型的几何特征。1.基本形状特征基本形状特征是表达一个零件总体形状的特征。可根据二维轮廓生成三维特征，该类特征主要包括:（1）拉伸特征拉伸工具是与设计环境中的一个或多个已有的二维图素一起使用的。拉伸工具可用于通过定义各种参数把选定的二维图素拉伸成三维造型。拉伸的方式多种多样，有单向拉伸、双向拉伸、从一个面拉伸到另一个面等。有的系统还提供了在拉伸的过程中加入一个拉伸角度，以形成带锥度的拉伸特征。拉伸特征是一种常用的特征。（2）旋转特征将二维轮廓绕某一旋转轴旋转，形成旋转特征。旋转时可绕旋转轴旋转360°，也可小于360°，也可以旋转到某一个指定的平面或曲面，也可以沿双向对称旋转，或从一个面旋转到另一个面。旋转特征也是一种最常用的特征。（3）扫描特征将二维轮廓沿某一运动轨迹移动一定距离后，生成扫描特征。当应用扫描设计时，用户除了需生成截面外，还需指定一条导向曲线。导向曲线可以被定义为一条直线、一系列直线、一条B样条曲线或一条弧线。□第5章特征造型与装配建模技术/133旋转设计而成的图素有的一端表面较窄，而扫描设计的结果与此不同，两端表面完全一样。根据扫描截面在扫描过程中截面是否变化，扫描方式可分为等截面扫描和变截面扫描。所谓等截面扫描是指在扫描过程中，截面大小是不变的;而变截面扫描是指扫描截面在扫描过程中逐渐变化。这种方法可以生成形状复杂的实体。2.附加形状特征（1）孔特征孔的截面是圆，因此，只需要给出孔的相关尺寸，如孔的直径和深度，并指定孔所在的位置即可构造孔特征。孔的形状多种多样，有通孔、盲孔、阶梯孔、直孔、斜孔、光孔、螺纹孔等，这些特征都可以在相关的对话框中输入，生成孔特征。（2）轴特征轴的截面可以是圆，也可以是矩形或其他形状，若是圆，则可通过拉伸的方法生成轴;若是矩形，则可将矩形的某一边设为旋转轴，旋转一周也可生成轴特征。轴有光轴、螺纹轴以及阶梯轴等。（3）倒角特征当需要在零件的棱上倒角时，无须绘制倒角的截面轮廓，只需要指定倒角的棱及倒角的有关数据，如倒角长度及倒角角度;倒圆角时需输入圆角半径。（4）倒圆特征在零件棱上进行圆角过渡，也只需要指定倒圆的边及倒圆的半径。大多数系统还支持变半径倒圆的功能，所谓变半径，即同一条边上的圆角半径不是固定的，而是可以变化的，这种特征大大增强了造型能力。（5）阵列特征把已知特征按照一定的分布方式进行复制，例如周向均匀分布排列，或矩阵方式均匀排列。阵列特征方法是一种简便的特征构造方法，这种方法在构造一些重复的、均匀分布的特征时非常方便，例如在构造周向均布的螺纹孔时就可以采用阵列特征方法。（6）槽特征槽特征是在已有的形体上切掉某一部分材料后形成的。槽的造型有多种，可通过拉伸、旋转、扫描以及混合等方法生成。槽有矩形槽、燕尾槽等。（7）壳体特征壳体特征是在已有的形体上通过抽壳的方法形成的。抽壳可以形成等壁厚的壳，也可以形成不等壁厚的壳;通常情况下，抽壳的同时删除掉某一块壳壁，有时也可根据零件造型的需要，同时删除掉多块壳壁。附加形状特征除以上所列出的较常用的特征以外，还有切边特征、内腔特征、凸起特征、耳片特征、管特征、斜角特征以及圆顶特征等。5.2参数化设计技术正当实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。在此之前传统的CAD技术都用固定的尺寸值定义几何元素，所输入的每一个几何元素都有确定的位置，要修改这些元素很不方便。而在新产品的概念设计阶段，修改是很频繁的。这就要求CAD系134/CAD/CAM应用技术□统具有参数化设计功能，从而使产品设计图可以随着某些结构尺寸的修改而自动生成相关的图形。20世纪80年代初，针对CAD/CAM集成的需要，人们开始了对特征和特征造型的研究。由于各种特征是从具体应用中抽象、总结出来的，所以参数化设计是特征应用的一个重要前提。20世纪80年代中后期，ParametricTechnology、SDRC等公司都开发出了以特征为对象的特征造型系统Pro/Engineer和I-DEAS等，这些系统都能在一定范围内实现对特征的参数化设计。从算法上来说，这是一种很好的设想。其主要特点是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。5.2.1参数化设计1.参数化设计参数化设计一般是指设计对象的结构比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系。参数的要求比较简单，参数与设计对象的尺寸有明显的对应关系，设计结果的修改受到尺寸的驱动。生产中常用的系列化标准件就属于这一类型。如图5-2所示的封闭四边形，该几何形状由四条边l1～l4和四个夹角α1～α4表示，记该四边形的形状为s0，如图5-2（a）所示。假设每边的长度不变，只改变夹角α1的大小，如果仍然要保持该四边形的封闭性，那么图形中的所有角度和每条边的位置都将发生变化，其形状改变为s1，如图5-2（b）所示。依次类推，随着夹角的不断变化，几何形状也在不断变化，好像该几何形状被夹角α1所驱动而发生变化，如图5-2（c）所示。图5-2参数化示意图（1）又例如图5-3所示的几何图形，其中l1、l2和l3的长度尺寸保持不变，l4和l5可以变化，但是规定端点1保持在水平线上，端点2保持在垂直线上，记该图形的形状为f1，如图5-3（a）所示。假设改变l4的长度，为了满足l1、l2和l3长度尺寸保持不变的要求与端点1与端点2的几何位置要求，整个图形会重新调整，形状变为f2，如图5-3（b）所示。依次类推，随着l4的不断变化，该几何形状也在不断变化，好像几何形状被l4的长度尺寸所驱动而发生了变化，如图5-3（c）所示。图5-3参数化示意图（2）□第5章特征造型与装配建模技术/135以上图形随某参数变化而自动变化的现象，被称为几何图形的参数化。2.约束概念参数化的本质是增加约束和约束满足。仍如图5-2所示，该几何图形标有八个尺寸，但是实际上这些尺寸之间必须符合严格的关系，否则难以保证图形封闭。例如，角度α2～α4就是由四条边和角度α1严格确定的，不能随意取值。显然，四边形的形状取决于四条边长和一个夹角这五个参数，只要这五个参数确定了，该四边形的形状就确定了，因此，我们称这五个参数为封闭四边形的一组尺寸约束。改变这组尺寸约束，四边形的原有封闭状态就被破坏了，因此，必须重新调整形状，直到四边形重新封闭为止。这一过程就是使尺寸约束重新获得满足的过程，简称为约束满足。如图5-3所示几何形状的约束除了有尺寸约束之外，还有垂直和水平约束，这种几何形状的约束称为图形的几何约束，在参数变化的过程中，这种几何约束同样必须得到满足，直到获得新的几何形状。3.约束种类（1）尺寸约束给线段标注尺寸的过程就是增加尺寸约束的过程。按照尺寸标注方式的不同把尺寸约束分为以下几种:①定线约束。标注某一条线段的长度尺寸，如图5-4（a）所示。②垂直约束。标注某一条线段垂直方向上的长度尺寸，如图5-4（b）所示。③水平约束。标注某一条线段水平方向上的长度尺寸，如图5-4（c）所示。④角度约束。标注某两条线段的