13.特征造型与装配建模

第13讲特征造型与装配建模华中科技大学CAD中心吴义忠王波兴[e-mail]主要内容特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模技术特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模12.1特征的概念一、为什么要特征造型？（1）从构型角度：几何造型不符合工程师习惯；（2）从信息角度：几何模型仅存储了形体的几何信息。12.1特征的概念特征造型是近二十年来发展起来的一种新的造型方法，它是CAD第三次技术（参数化技术）革命的里程碑。由于从不同的应用领域来认识特征和提取特征，因此出现了特征的不同定义，如设计特征、制造特征等。二、什么是特征造型？特征定义通用定义：特征是零件或部件上一组相关联的具有特定形状和属性的几何实体，有着特定的设计或制造意义。更为严格的定义也被使用：特征就是一个包含工程含义或意义的几何原型外形。特征在此已不是普通的体素，而是一种封装了各种属性（attribute）和功能（function）的对象。特征举例三、特征的分类从产品整个生命周期来看，可分为：设计特征、分析特征、加工特征、公差及检测特征、装配特征等；(STEP产品模型)从产品功能上，可分为：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征；从复杂程序上讲，可分为：基本特征、组合特征、复合特征。基于特征的零件信息模型四、特征的作用在CAD系统引入“特征”后，能够起到以下三方面的作用：①表示设计意图；②简化传统CAD系统中繁琐的造型过程；③从高层次上对具体的几何元素如点、线、面进行封装。主要内容特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模形状类特征基本形状特征附加形状特征拉伸类扫描类旋转类混合类圆角轴径凸台孔壳体斜角槽管凹陷耳片12.2形状特征InteSolid形状特征虚拟形状特征virtual_feature草图特征sketch_feature参考特征reference_feature参考面特征reference_plane_feature参考轴特征reference_axis_feature基于草图的特征sketch_based_feature拉伸扫特征extrude_feature旋转扫特征revolve_feature广义扫特征sweep_feature放样特征loft_feature局部特征local_feature圆角特征round_feature常半径圆角特征constant_round_feature变半径圆角特征variable_round_feature倒角特征chamfer_feature薄壳特征shell_feature拔模特征draft_feature切角特征corner_feature镜像特征mirror_feature阵列特征pattern_feature线性阵列特征linear_pattern_feature圆周阵列特征circular_pattern_feature用户自定义特征user_define_featureInteSolid形状特征（续）虚拟形状特征virtual_feature草图特征sketch_feature参考特征reference_feature参考面特征reference_plane_feature参考轴特征reference_axis_feature基于草图的特征sketch_based_feature拉伸扫特征extrude_feature旋转扫特征revolve_feature广义扫特征sweep_feature放样特征loft_feature局部特征local_feature圆角特征round_feature常半径圆角特征constant_round_feature变半径圆角特征variable_round_feature倒角特征chamfer_feature薄壳特征shell_feature拔模特征draft_feature切角特征corner_feature镜像特征mirror_feature阵列特征pattern_feature线性阵列特征linear_pattern_feature圆周阵列特征circular_pattern_feature用户自定义特征user_define_feature特征造型系统实体造型系统实体造型特征造型特征库用户基于特征的实体造型流程主要内容特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模一、参数化设计与变量化设计定义1）参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系。参数化设计的前提假设是原始图和修改后的图形在结构上是不变的（即拓扑不变），在设计对象的结构形状比较定型的基础上，用一组参数来约束尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应，只要使用者给参数赋予不同的值，就可以得到不同大小和形状的零件模型，设计结果的修改受尺寸驱动（也称尺寸驱动）。最常用的系列标准件就是属于这一类型。12.3参数化特征建模参数化设计的主要特点是：基于特征（从图形的几何形状—特征—尺寸—参数—实体）全尺寸约束（将形状和尺寸联合进行考虑，通过约束来实现几何形状的控制）全数据相关尺寸驱动设计修改。参数化技术的系统更适合于设计过程比较明确的工作，它有两个明显不足：（1）基于全尺寸约束的参数式设计对设计者的创造力和想象力有着极大的限制；（2）在设计中某些拓扑关系一旦改变，则系统有可能因失去某些约束而导致数据混乱。2）参数化设计的特点3）变量化设计涵义变量化设计允许原始图和修改后图形在结构上是可以不同的。其指导思想是设计者可以采用先形状（草图设计）后尺寸的设计方式，可以采用不完全的尺寸约束，只给出必要的条件，设计时采用并行求解策略，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状，也称约束方程驱动。变量化设计允许尺寸欠约束的存在，设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。变量化设计通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状，方程驱动可以是几何约束，也可是工程约束，设计结果的修改受约束方程驱动。变量化设计可以应用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等。变量化设计的特点abdce4）二种方法的对比参数化设计方法（ParametricDesign）和变量化设计方法（VariationDesign）是基于约束的设计方法中的两种主要方法。二者初看相似，但技术上的差别主要体现在约束方程的定义和求解方式上不同。参数化方法求解采用顺序求解策略，后面的元素求解依赖于生成它的几何元素。求解过程不能逆向进行，即求解是过程式的。参数化方法对设计模型的整体修改比较困难，难以调整约束依赖关系和求解顺序，适用于已完全系列化的设计问题，即无需在设计方案较大改变（如系列化的装配体、标准件库的创建等）。变量化方法本质上是一种并行求解的策略，几何约束和工程约束同时联立整体求解来确定产品的形状和尺寸，功能强；但大型约束方程组整体求解的效率和稳定性不如参数化方法。变量化方法针对设计对象的操作具有更好的灵活性和自由度，约束的指定是陈述式的，即约束的指定没有先后顺序之分，约束依赖关系可以根据设计者意图随意更改。陈述式的变量化设计系统告诉计算机做什么，过程式的参数化设计系统告诉计算机怎么做。二者有机结合，可相互借鉴，优势互补。无论参数化设计方法还是变量化设计方法，工程师都可以用尺寸、几何约束（如平行、垂直等）和工程约束（常以关系式和方程来表达），都能解决设计时所须考虑的几何约束和工程约束等问题。二、约束的基本定义及求解设计问题本质上是约束满足问题（CSP：ConstraintSatisfactionProgram），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。参数化设计技术的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。尺寸(Dimension)、几何约束(Constrain)和关系式(Relation)是参数化设计过程中的三种主要设计参数类型。尺寸用来注明轮廓中元素的长度、距离、半径、直径、角度等。几何约束则限定各个元素之间的特殊关系，如平行、垂直、水平、竖直、相切、共线、同心、固定等。关系式（或表达式）则是表明参数之间的数学关系，本质上就是工程约束。几何约束可以看作是尺寸在特殊的情况下转化而来的。例如，如果两个圆的圆心距离逐渐变为零，这时就可以认为是重合约束。有些约束也可以看作是不同元素尺寸之间的关系式，如直线与圆相切可以认为是直线到圆心的距离等于该圆的半径。一般情况下，能够用几何约束表达时，尽量不要使用尺寸和关系式。约束对设计来讲具有更明确的意义，取消和增加一个约束将意味着设计思想的变更。约束的变更往往引起轮廓的质变，尺寸则引起轮廓的量变。在轮廓上每增加一个有效尺寸，将减少轮廓的一个自由度，足够多的尺寸将完全确定整个轮廓。尺寸的作用是限定各个图形元素的位置和形状。关系式包括等式(方程)和不等式二种，通常条件语句、谓词逻辑及脚本语言等可作为关系式的扩展。通常CAD系统必须提供较强的尺寸、约束及关系的编辑管理功能。CAD系统中广泛采用基于参数化的特征建模技术，通过一组特征来定义图形生成规则及相关约束，用户只需修改尺寸或约束，产品外形则自动变化；另外采用基于历史的过程模型记录完整的特征定义历史及零件的创建过程，用户通过调整特征定义顺序来改变设计方案，不必进行重设计，零件即可自动重构。目前CAD系统中的约束求解技术大多应用方程求解技术、图论技术、符号代数技术、几何推理及知识推理技术，并实现了统一的混合约束求解。CAD系统中约束求解的总体思路如下：二、三维统一模型代数求解方法库设计知识库工程约束推理机奇异性分析数值求解方法库约束方程组方程映射变量映射几何约束约束求解求解结果推理结果常用的约束求解方法基于草图特征的造型技术是最主要的特征建模手段之一。如拉伸扫、回转扫、广义扫等，再根据草图形状及扫规则生成所需三维特征形体。通常草图特征定义为一参考面上的参数化二维图形，并可借助二维约束求解技术实现图形的参数化修改，一旦草图发生变化，则所生成的三维特征形体也相应变化，基于参数化思想可实现特征形体的快速修改。基于参数化草图特征的特征建模过程可描述如下：用户交互几何约束草图特征其它特征几何建模BREP表达三、参数化特征建模1）基于草图特征的建模技术2）基于历史的特征建模在三维CAD系统中，复杂零件形体需多个简单特征形体通过布尔运算而生成一个复杂的特征形体。为了实现对设计过程的跟踪及设计方案的修改，必须对特征建模过程予以记录，基于历史的特征建模方法源于这一思想。在CAD系统中，通常用CSG树记录特征定义历史，用特征树(TreeView)的形式显示给CAD用户，如右上图虚线框。特征历史树3）基于特征的同步建模技术（UG）尽管基于历史的参数化特征建模技术给CAD技术带来巨大的推动作用，并得到广泛应用。但是该技术需要严格按序列把特征规则施加于几何图形，才能有效地实现设计意图的变更。当技术人员需要对历史记录中的特征进行变更的时候，系统需要删除所有后续几何模型，回复模型到中间某个特征状态再进行变更，然后重新执行后续特征命令来重新构造模型，运行效率很低，往往因拓扑发生意外变化容易导致后续特征重构失败。而且所需变更的特征越早越容易出错，效率也越低。同步建模技术的提出突破了原有基于历史的参数化特征建模固有的架构障碍，把原来参数化建模中，从逻辑到特征，再到图形的模型架构打破，采用实时几何分析、定位相互依赖关系，然后只执行那些必要的几何和拓扑信息变更，大大提高设计效率。这种思想类似于早期几何造型的直接局部操作思想和历史无关的显示建模（如工业设计软件Rhino或Alias）思想。但是，同步建模技术将当前特征建模技术、约束驱动技术得到了合理结合，使之建模的方便性和灵活性大大加强。4）KBE由于KBE技术的开放性，迄今为止，尚无一种公认、完备的定义。KBE的基本内涵是面向工程，以提高市场竞争力为目标，通过工程产品知识的继承、繁衍、集成和管理，建立工程产品的分布