三維特征建模在機械設計與制造中的應用

焦歡歡 姚正綱

摘 要：在20世紀90年代出現的CIMS設計思想中，三維特征建模是關鍵環節。在產品、技術日趨國際化的時代，產品建模逐步向國際標準STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）靠近，產品設計正向集成化、智能化和標準化發展。制造業自動化生產的新時代正在到來。本文首先分析了三維建模的基礎的方式：線框建模；表面建模；實體建模，然后分析了三維建模的優點，最后分析了特征建模（FeatureModel）方式。

關鍵詞：三維；特征；建模；機械設計；

一、三維建模的基本方式

1、線框建模（WireframeModel）它是逐線、逐點地構造出來的，一般用來代替手工繪圖，可以生成任意視點或視向的透視圖及軸測圖，操作比較簡單，只有點、線的信息，耗用系統資源小。但這種建模具有二義性。

2、表面建模（SurfaceModel）這種建模除了具有點、線信息外，還具有面的信息。可以實現消隱、著色、表面積計算、二曲面求交、數控刀具軌跡生成、有限元網格劃分等，還可以構造復雜的曲面物體。但仍然缺少面、體間的拓撲關系，無法區別面的哪一側是體內還是體外，無法進行剖切。

3、實體建模（SolidModel）具有了點、線、面、體的全部幾何信息且還具有全部點、線、面、體的拓撲信息。實體建模是機械設計與制造自動化的基礎。它對消隱、剖切、著色、有限元分析到NC刀具軌跡生成都能順利地實現。是與CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）、CAM（ComputerAidedManufacuring）實現集成的關鍵的幾何建模。

二、三維建模的優點

第一，真三維的立體場景三維立體場景，以及在三維立體場景中所能清楚地展現三維要素之間的三維空間關系（相離、相鄰、組成、包含、被包含）。地質模型的三維可視化是三維地質建模軟件的基本功能，但又遠遠不止于三維可視化，真三維的立體場景中，可以輕松地實現以前難以進行的計算與操作；第二，精準的儲量計算。在真三維場景下借助三維建模工具，可以根據采樣點進行廣義三棱柱剖分或四面體剖分后再統計，其自動化程度高、速度快、精度高。若再配合高精度三維地震、測井等物探數據，便可以精細地表達礦藏的構造形態與品質分布。設定不同的邊界品位，可以方便地計算出不同市場價格下的不同級別的礦床儲量與開采回報；第三，平、剖面構造形態相容并聯動修改。 二、參數化建模（ParameterModel） 參數化建模的主題思想是用幾何約束、工程關系來說明產品模型的形狀特征，從而達到設計一簇在形狀或功能上具有相似性的設計方案。首先建立圖形與尺寸參數的約束關系，每個可變尺寸參數用待標變量表示，并賦予一個缺省值。繪圖時，修改不同的尺寸參數即可得到不同規格的圖樣。參數化建模采用約束來定義和修改幾何建模。約束包括尺寸約束、拓撲約束和工程約束，這些約束反映了設計時要考慮的因素。實現參數化的參數與約束保持一定的關系，初始設計的形體自然滿足這些約束，而當輸入那組參數的新值時，也將保持這些約束關系并獲得一個新的幾何建模。因此，設計者可以動態地、創造性地進行新產品設計，這種系統稱為動態系統。參數化建模可分為尺寸驅動和變量設計。

三、特征建模（FeatureModel）

從CAD/CAM集成的角度出發，要求從整個生命周期各個階段的不同需求來描述產品，能完整地、系統地、全面的描述產品信息，使各應用系統可直接從該零件模型中抽取所需信息，這種建模技術稱為特征建模[4]。特征建模技術將特征視為基本信息單元，把產品描述成由若干具有確定的工程含義和功能屬性的特征構成的信息集。 近年來，特征技術有了長足的發展。特征的面向對象組織、可視化和可操作技術研究已進入實用階段，出現許多商品化軟件，如Pro/engineer、Solidworks等參數造型軟件、CATIA等表面設計軟件。幾何建模的不足是只存儲了形體的幾何形狀信息，缺少產品開發在CAD/CAPP/CAM生命周期中所需的全部信息，如材料、表面粗糙度、形位公差等，特征是指在設計和制造階段可識別的包含完整工程信息的結構單元，是一組與零件的描述相關的信息集合。特征建模有如下特點：

1、能更好地表達產品的完整技術和生產管理信息，建立產品的集成信息便于計算機理解和處理，使產品的設計和生產準備的各個環節并向展開，并采用面向對象的框架組織結構，特征間可以建立繼承、鄰接、從屬等聯系，因而可以描述復雜的零件形狀信息。

2、特征建模以幾何模型為基礎，其幾何模型數據結構主要有邊界描述法（B-Rep）和單元構造法（CSG）。因而可以描述零件的精確幾何（體、面）信息。

3、有助于加強產品的設計、分析、工藝準備、加工、檢驗各個部門間的聯系，同時也便于在不同的應用領域和系統間轉化。 結束語 三維特征建模拓展了設計人員的創造性，比傳統的實體建模有更好的設計效果，最重要的是真正符合數據交換規范的產品建模，實現了CAD/CAPP/CAM的真正集成。將參數化建模的思想應用到特征建模中，用尺寸驅動和變量設計的方法定義特征并進行類似的操作，這樣就形成了參數化特征建模。

參考文獻：

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