淺談CAD的特征造型技術

分類：解決方案日期：2009-06-16 09:34:13 來源：廠商

當工程師使用三維CAD工具制圖時，隨著使用的深入和需求的增加，會遇到這樣那樣的問題。如果我們增加一些對CAD技術基本概念上的認識，就會有助于我們了解設計工具本身，在設計工作細節(jié)中避免一些令人費解的問題發(fā)生。2007年SolidWorks公司推出了 SWIFT技術，這是一個非常先進的技術。最近SolidWorks公司在其2008新版的軟件中將SWIFT技術又做了進一步的加強。類似的還有Pro/E的行為建模技術，而這些都是從特征造型基礎之上發(fā)展而來的優(yōu)秀技術。

回顧CAD技術發(fā)展歷史，在上世紀60年代期間的CAD技術以線框造型為主，其代表的軟件系統(tǒng)為CADAM，技術發(fā)展到70年代，CAD技術以曲面造型為主，代表系統(tǒng)是CATIA。上世紀80年代期間的CAD技術以實體造型為主，如I-DEAS。到了上世紀90年代， CAD技術以Pro/E為代表的特征造型技術走在了前面。而自此以后直到現(xiàn)在，還沒有一種完全革命性的突破。關于特征造型，我們首先可以了解一下“特征”的概念。對于特征，沒有統(tǒng)一公認的概念。概括講，它是幾何特征和工程特征的集成，即幾何信息、工程信息及其依賴關系(生成信息)的集成。特征有多種，比如過渡特征、草圖特征、凸臺特征和定位特征。而特征概念中所謂的依賴關系是特征造型和實體造型的最大區(qū)別，特征模型紀錄了建模的歷史過程，而實體造型系統(tǒng)僅紀錄了最終的造型結(jié)果。

特征造型技術原理主要包括依賴關系、拓撲ID號，特征樹和特征更新等幾個要點。

在特征造型系統(tǒng)中，幾何形體之間可以有依賴關系。而正是這種依賴關系，成為了定義特征的關鍵。依賴關系可以分為顯式、隱式兩大類。給定參數(shù)、在定位平面上和以某條線為定位軸等依賴關系都屬于顯式關系，而過渡某條邊(Edge)、在某個面(Face)上打孔和通過一個頂點(Vertex)等依賴關系都是隱式關系。顯式關系容易被我們定義，但是隱式關系定義則不然。在傳統(tǒng)特征造型系統(tǒng)中，隱式關系是利用拓撲元素的永久命名機制來實現(xiàn)的。因此，永久命名機制是傳統(tǒng)特征造型系統(tǒng)的核心技術。

在造型過程中，實體的點、邊、面是自動生成的，與之相關聯(lián)的拓撲ID號不是一個簡單的編號。我們對其有一些要求指標。首先是拓撲ID號的唯一性，即在特征系統(tǒng)中每個拓撲元素有唯一的ID號。然后是一致性。一致性體現(xiàn)于在特征的更新過程中ID的編號要始終保持一致。由于我們對拓撲ID號有了以上的要求，就能實現(xiàn)我們將它引入模型中的目的，即解決特征之間的依賴關系問題，實現(xiàn)模型更改時對特征的更新。拓撲ID號的原理是以面為中心的命名。在布爾運算過程中，面相對穩(wěn)定，若不算分裂和合并，無新面生成；點、邊基本上可用面來區(qū)分；多數(shù)面的命名可以根據(jù)生成條件確定。

我們可以通過特征樹反應依賴關系。當一個特征發(fā)生變化后，特征需要重算。這里有個更新原則，即子特征的所有父特征更新之后，該子特征才能更新；任一父特征的更新失敗，其子特征的更新均被認為是失敗的。在pro/E的早期版本中，對于特征的依賴關系就存在著細節(jié)上的錯誤，造成原本唯一的拓撲ID號經(jīng)過模型修改后無法和新ID相完全對應。

SolidWorks的SWIFT(SolidWorks Intelligent Feature Technology)技術主要包含特征專家(Feature Expert)和草圖專家(Sketch Expert)兩個應用功能。FeatureExpert面對設計過程中越來越多的特征參數(shù)與關系，在設計過程中會碰到由于經(jīng)常的設計修改而使后續(xù)眾多的特征參數(shù)和關系出現(xiàn)一系列的警告與錯誤等問題。SWIFT好就好在將原來的很多過渡操作的步驟都隱去了，讓操作更為簡單。原來過渡的次序不同可能導致過渡的結(jié)果不同。Expert避免讓使用者手動過渡圓弧，軟件將自動幫你選擇過渡次序，保證了過渡結(jié)果的正確性，同時提高了效率。

CAD應用中還有一個重要問題是標準問題：目前CAD標準主要有兩個：一個是1979年美國國家標準局(NBS)制定了幾何信息交換標準(IGES)。另一個是1988年國際ISO頒布的產(chǎn)品信息交換標準(STEP)。國內(nèi)一度對STEP的期望很大。但STEP沒有特征實現(xiàn)方式的定義，沒有拓撲ID號的定義，這是STEP的一個硬傷。美國標準化局的官員Pratt到京訪問時也對這個問題表示認同。如何把CAD系統(tǒng)中的建模信息轉(zhuǎn)到系統(tǒng)B中。當前不同CAD系統(tǒng)之間的特征信息是不能被完全交換的。這給應用造成很大的困難。比如我了解的一個案例，CATIA在和某CAE系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進行傳輸時，由于兩個系統(tǒng)幾何平臺之間對于曲面的定義各不相同，所以對于CATIA中模型的某些特征在傳輸中就遺失或是被錯誤地表達了。

目前特征造型技術仍有不足。比如特征重建時可能會導致錯誤；對于不同的CAD系統(tǒng)，幾何信息可以交換，但特征信息不能交換。另外，對于曲面造型，特征技術也有些許不足。為此又有人提出了新的動態(tài)建模改進技術。

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