零件特征建模技術研究

張敏 於智良

摘 要：近年來，特征技術發(fā)展迅速，采用具有一定工程意義的特征作為基本構造單元來建立產(chǎn)品的信息模型，使以往被分離的幾何數(shù)據(jù)和加工特征信息有機的結合在一起，從而實現(xiàn)CAD/CAM的信息集成。本文就零件特征建模技術進行分析。

關鍵詞：零件；特征建模；技術

引言

就一般而言，機械零件的主要特征分類應包括幾何形狀特征、精度特征、技術特征、材料特征和管理特征5大類。這種分類方法能比較完善地描述出零件的信息。

一、特征識別現(xiàn)狀

特征識別就是從產(chǎn)品的實體模型出發(fā)，自動地識別出其中具有一定工程意義的幾何形狀，即特征，進而生成產(chǎn)品的特征模型。現(xiàn)階段主要有交互式特征定義和自動特征識別兩類識別方法。

交互式的特征定義。通過對可視零件模型進行操作，使用者以人機交互的形式選取模型上的某些幾何特征，將它們組織在一起定義為某一特征，再通過補充所缺少的非幾何信息，如公差、表面粗糙度、材料等技術要求，實現(xiàn)特征建模。交互特征定義直觀、靈活，但是自動化程度和工作效率低，通常作為自動特征識別方法的一種輔助形式。

自動化特征識別。使用計算機智能技術代替交互式特征定義中的人為操作和推理，從零件的實體模型中抽取出具有特定工程意義的特征信息。它以程序遍歷零件幾何模型數(shù)據(jù)，將幾何模型與一組預定義特征“模板”進行比較確定相匹配的特征實例，從而實現(xiàn)特征的自動化識別。自動化特征識別又根據(jù)幾何模型的不同，一般分為基于面表示和基于體積表示兩類。

基于面表示方法的研究主要包括語義模式識別方法、基于規(guī)則法、基于圖的方法、基于痕跡的方法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等，其中由于目前的實體造型CAD系統(tǒng)大多采用B-Rep模型表示，而表示的一種共同的數(shù)據(jù)結構就是圖，所以基于圖的方法或圖匹配方法是最廣泛應用的一種特征識別技術。

二、基于特征的建模的關鍵技術

基于特征的建模主要過程

2.1基于約束的特征描述

基于特征的設計過程中，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構圖元，結構圖元一般可以是由線段、圓、圓弧、樣條曲線等組成的特征框模型；3）根據(jù)幾何體素及位置關系分析結構圖元的幾何構成及其位置。

2.2特征結構圖元建模

在CAD設計系統(tǒng)中，產(chǎn)品的主特征和輔特征均要實現(xiàn)參數(shù)化，特征結構圖元一般為一個主特征和部分輔特征。在定義過程可以描述如下：1）首先選擇并創(chuàng)建結構特征的幾何體素，使用參數(shù)完整表達幾何形狀的結構體素；2）指定足夠的測量實體，如組成實體的點、線、圓弧、倒角等測量基準；3）建立定形尺寸，即各個標注的尺寸單元；4）建立定位尺寸，以定位點為基準，確定各個特征點的對應位置；5）確定尺寸約束和位置約束，建立約束方程，并對約束方程進行求解。

針對某一類產(chǎn)品的部分輔特征還應單獨定義，如軸類零件，其中的鍵槽、中心孔就應作為輔特征單獨定義，以滿足特殊主特征的需要。輔特征實現(xiàn)主要是將輔特征用計算方程和邏輯方程表達，參數(shù)可以是邏輯謂詞或計算關系式的變量。

2.3特征之間的約束建模

在設計過程中，特征之間的約束建模主要包括下列三個方面：1）針對不同類型的產(chǎn)品，建立產(chǎn)品的形狀特征分解簡圖；2）分析構成此類產(chǎn)品的各個特征之間的拓撲結構關系，并用二叉樹表示特征模型之間的拓撲結構關系；3）分析構成此類產(chǎn)品的各個特征之間的約束關系，指定以完全滿足產(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系、公差、裝配結構等幾何約束。

三、基于特征建模實例

3.1以軸類零件為例描述基于特征的建模過程

（1）對不同類型的軸類零件進行分析，將軸類零件描述為幾何形狀特征的集合，歸納出五種結構要素即五種不同形狀的軸段主特征。

通過對五種幾何形狀特征操作，可以形成不同類型的軸類零件，每種形狀的軸段主特征需要確定的參數(shù)如下。

1）A型軸段需確定的參數(shù)為軸徑、軸長、倒角、圓角半徑。

2）B型軸段需確定的參數(shù)為軸徑、軸長、倒角。

3）C型軸段為齒輪軸段，需確定的參數(shù)為繪制齒輪實體所需的參數(shù)：齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角等。

4）D型軸段需確定的參數(shù)為軸徑、軸長、倒角、圓角半徑。

5）E型軸段需確定的參數(shù)為大端直徑、小端直徑、軸長。

各個主特征之間的約束關系主要是同軸，根據(jù)輸入的參數(shù)確定各個主特征后，保證它們之間同軸，然后根據(jù)一定的尺寸關系確定它們之間的連接位置。

（2）將上述五種幾何形狀特征分別用特征結構圖元的形式表示。特征結構圖元中描述了部分通用的輔特征（如倒角、圓角）。

（3）將特征結構圖元，以定位點為基準，根據(jù)相應的位置關系與尺寸關系建立約束方程。繪制圖形是以特征點為目標進行的，所以將各特征點以點（x0，y0）為建立約束方程的基準點，并結合約束關系建立約束方程，求解得到各個特征坐標，按照坐標值繪制特征模型的結構圖。

（4）在程序中建立該零件結構的特征模塊，表示特征結構圖元的幾何結構，根據(jù)約束關系建立約束方程，方程變量主要取各特征結構圖元的特征坐標點。

（5）根據(jù)齒輪軸的幾何形狀特征模型簡圖，確定各特征模型之間的約束關系，各個主特征之間是同軸約束關系。如果在某個軸段上開鍵槽，則軸段與鍵槽之間的位置也有一個復雜的約束關系。

3.2程序實現(xiàn)

通過對話框的形式，將五種形狀的軸段以及所需的尺寸參數(shù)顯示出來，引導用戶輸入構成設計對象的各個形狀的軸段參數(shù)。輸入的軸段數(shù)據(jù)用一個關聯(lián)表保存，關聯(lián)表中包含著各個軸段的子表，用輸入軸段的前后順序號和軸段形狀的字母（A、B、C、D、E）作為關鍵字索引，調用繪制函數(shù)將軸繪出。軸段中鍵槽的生成。根據(jù)軸的直徑在鍵的數(shù)據(jù)表中檢索相應的參數(shù)，根據(jù)軸的長度確定鍵的長度，調用鍵的繪制函數(shù)，繪制鍵的實體，然后確定鍵與軸段的相對位置關系，進行集合運算。

各個模塊的功能及實現(xiàn)的方法：

（1）用戶界面。用戶界面采用對話框的形式。對話框的上面是軸段圖像顯示區(qū)，顯示了五種形狀的軸段。每個軸段圖像區(qū)下端都有一個單選按鈕和復選按鈕，單選按鈕用來控制所選的軸段，復選按鈕用來控制鍵槽。對話框的下面是用戶用來輸入數(shù)據(jù)的文本框，當選擇不同的軸段時，文本框左邊的標題會發(fā)生相應的變化，控制參數(shù)的輸入。對話框中還有一個放大了的當前軸段的圖像區(qū)，顯示了當前軸段所需的尺寸，提示用戶輸入尺寸參數(shù)，右下端數(shù)字顯示當前處于軸的第幾段。

使用時首先調出對話框，根據(jù)需要按照軸從左至右繪出的原則，在軸段圖像區(qū)拾取相應的按鈕，在文本框中輸入尺寸數(shù)據(jù)，按下NEXT按鈕；此時，對話框左上角和左下角之間的數(shù)字顯示為2，表示當前處在軸的第二段的尺寸輸入階段；繼續(xù)輸入軸的尺寸，按下NEXT按鈕完成軸的第二段的輸入；依此類推，完成整個軸的輸入；最后，按下LAST按鈕生成圖形。

（2）尺寸參數(shù)輸入。軸的尺寸參數(shù)的輸入模塊主要由以下一些子函數(shù)組成：用于更新文本框的函數(shù)；存取數(shù)據(jù)的函數(shù)；更新圖像區(qū)的函數(shù)。其中最重要的就是存取數(shù)據(jù)的函數(shù)。

（3）繪制圖形。繪制圖形的模塊分別由用來繪制五種不同軸段形狀的五個子函數(shù)組成，當按下First、Next或Last按鈕后，程序首先更新多維數(shù)組表，然后根據(jù)用戶輸入的先后次序將每一軸段的尺寸數(shù)據(jù)提取出，通過關鍵字調用相對應的子函數(shù)繪圖。

（4）文件的保存。文件的輸出函數(shù)可以將繪圖中所輸入的尺寸參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中，需要時可隨時調用保存在數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)。

四、結束語

基于特征的零件建模技術在統(tǒng)一的界面管理下系統(tǒng)產(chǎn)生的信息經(jīng)整理轉換后存入工程數(shù)據(jù)庫中，能夠實現(xiàn)與CAPP信息的自動傳遞及轉換，對于CAD/CAM的集成具有極大地促進作用。

參考文獻：

[1]鄭軍凱. 基于特征建模的服務器零件庫系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].電子科技大學，2012.