零件特征建模技术研究

张敏 於智良

摘 要：近年来，特征技术发展迅速，采用具有一定工程意义的特征作为基本构造单元来建立产品的信息模型，使以往被分离的几何数据和加工特征信息有机的结合在一起，从而实现CAD/CAM的信息集成。本文就零件特征建模技术进行分析。

关键词：零件；特征建模；技术

引言

就一般而言，机械零件的主要特征分类应包括几何形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和管理特征5大类。这种分类方法能比较完善地描述出零件的信息。

一、特征识别现状

特征识别就是从产品的实体模型出发，自动地识别出其中具有一定工程意义的几何形状，即特征，进而生成产品的特征模型。现阶段主要有交互式特征定义和自动特征识别两类识别方法。

交互式的特征定义。通过对可视零件模型进行操作，使用者以人机交互的形式选取模型上的某些几何特征，将它们组织在一起定义为某一特征，再通过补充所缺少的非几何信息，如公差、表面粗糙度、材料等技术要求，实现特征建模。交互特征定义直观、灵活，但是自动化程度和工作效率低，通常作为自动特征识别方法的一种辅助形式。

自动化特征识别。使用计算机智能技术代替交互式特征定义中的人为操作和推理，从零件的实体模型中抽取出具有特定工程意义的特征信息。它以程序遍历零件几何模型数据，将几何模型与一组预定义特征“模板”进行比较确定相匹配的特征实例，从而实现特征的自动化识别。自动化特征识别又根据几何模型的不同，一般分为基于面表示和基于体积表示两类。

基于面表示方法的研究主要包括语义模式识别方法、基于规则法、基于图的方法、基于痕迹的方法、神经网络法等，其中由于目前的实体造型CAD系统大多采用B-Rep模型表示，而表示的一种共同的数据结构就是图，所以基于图的方法或图匹配方法是最广泛应用的一种特征识别技术。

二、基于特征的建模的关键技术

基于特征的建模主要过程

2.1基于约束的特征描述

基于特征的设计过程中，最主要的是基于约束的特征描述，主要包括以下内容：1）将产品描述为几何形状特征的集合；2）将形状特征分解为具有一定几何体素的特征结构图元，结构图元一般可以是由线段、圆、圆弧、样条曲线等组成的特征框模型；3）根据几何体素及位置关系分析结构图元的几何构成及其位置。

2.2特征结构图元建模

在CAD设计系统中，产品的主特征和辅特征均要实现参数化，特征结构图元一般为一个主特征和部分辅特征。在定义过程可以描述如下：1）首先选择并创建结构特征的几何体素，使用参数完整表达几何形状的结构体素；2）指定足够的测量实体，如组成实体的点、线、圆弧、倒角等测量基准；3）建立定形尺寸，即各个标注的尺寸单元；4）建立定位尺寸，以定位点为基准，确定各个特征点的对应位置；5）确定尺寸约束和位置约束，建立约束方程，并对约束方程进行求解。

针对某一类产品的部分辅特征还应单独定义，如轴类零件，其中的键槽、中心孔就应作为辅特征单独定义，以满足特殊主特征的需要。辅特征实现主要是将辅特征用计算方程和逻辑方程表达，参数可以是逻辑谓词或计算关系式的变量。

2.3特征之间的约束建模

在设计过程中，特征之间的约束建模主要包括下列三个方面：1）针对不同类型的产品，建立产品的形状特征分解简图；2）分析构成此类产品的各个特征之间的拓扑结构关系，并用二叉树表示特征模型之间的拓扑结构关系；3）分析构成此类产品的各个特征之间的约束关系，指定以完全满足产品建模所需确定的约束，这些约束主要是特征的空间位置关系、公差、装配结构等几何约束。

三、基于特征建模实例

3.1以轴类零件为例描述基于特征的建模过程

（1）对不同类型的轴類零件进行分析，将轴类零件描述为几何形状特征的集合，归纳出五种结构要素即五种不同形状的轴段主特征。

通过对五种几何形状特征操作，可以形成不同类型的轴类零件，每种形状的轴段主特征需要确定的参数如下。

1）A型轴段需确定的参数为轴径、轴长、倒角、圆角半径。

2）B型轴段需确定的参数为轴径、轴长、倒角。

3）C型轴段为齿轮轴段，需确定的参数为绘制齿轮实体所需的参数：齿数、模数、压力角、螺旋角等。

4）D型轴段需确定的参数为轴径、轴长、倒角、圆角半径。

5）E型轴段需确定的参数为大端直径、小端直径、轴长。

各个主特征之间的约束关系主要是同轴，根据输入的参数确定各个主特征后，保证它们之间同轴，然后根据一定的尺寸关系确定它们之间的连接位置。

（2）将上述五种几何形状特征分别用特征结构图元的形式表示。特征结构图元中描述了部分通用的辅特征（如倒角、圆角）。

（3）将特征结构图元，以定位点为基准，根据相应的位置关系与尺寸关系建立约束方程。绘制图形是以特征点为目标进行的，所以将各特征点以点（x0，y0）为建立约束方程的基准点，并结合约束关系建立约束方程，求解得到各个特征坐标，按照坐标值绘制特征模型的结构图。

（4）在程序中建立该零件结构的特征模块，表示特征结构图元的几何结构，根据约束关系建立约束方程，方程变量主要取各特征结构图元的特征坐标点。

（5）根据齿轮轴的几何形状特征模型简图，确定各特征模型之间的约束关系，各个主特征之间是同轴约束关系。如果在某个轴段上开键槽，则轴段与键槽之间的位置也有一个复杂的约束关系。

3.2程序实现

通过对话框的形式，将五种形状的轴段以及所需的尺寸参数显示出来，引导用户输入构成设计对象的各个形状的轴段参数。输入的轴段数据用一个关联表保存，关联表中包含着各个轴段的子表，用输入轴段的前后顺序号和轴段形状的字母（A、B、C、D、E）作为关键字索引，调用绘制函数将轴绘出。轴段中键槽的生成。根据轴的直径在键的数据表中检索相应的参数，根据轴的长度确定键的长度，调用键的绘制函数，绘制键的实体，然后确定键与轴段的相对位置关系，进行集合运算。

各个模块的功能及实现的方法：

（1）用户界面。用户界面采用对话框的形式。对话框的上面是轴段图像显示区，显示了五种形状的轴段。每个轴段图像区下端都有一个单选按钮和复选按钮，单选按钮用来控制所选的轴段，复选按钮用来控制键槽。对话框的下面是用户用来输入数据的文本框，当选择不同的轴段时，文本框左边的标题会发生相应的变化，控制参数的输入。对话框中还有一个放大了的当前轴段的图像区，显示了当前轴段所需的尺寸，提示用户输入尺寸参数，右下端数字显示当前处于轴的第几段。

使用时首先调出对话框，根据需要按照轴从左至右绘出的原则，在轴段图像区拾取相应的按钮，在文本框中输入尺寸数据，按下NEXT按钮；此时，对话框左上角和左下角之间的数字显示为2，表示当前处在轴的第二段的尺寸输入阶段；继续输入轴的尺寸，按下NEXT按钮完成轴的第二段的输入；依此类推，完成整个轴的输入；最后，按下LAST按钮生成图形。

（2）尺寸参数输入。轴的尺寸参数的输入模块主要由以下一些子函数组成：用于更新文本框的函数；存取数据的函数；更新图像区的函数。其中最重要的就是存取数据的函数。

（3）绘制图形。绘制图形的模块分别由用来绘制五种不同轴段形状的五个子函数组成，当按下First、Next或Last按钮后，程序首先更新多维数组表，然后根据用户输入的先后次序将每一轴段的尺寸数据提取出，通过关键字调用相对应的子函数绘图。

（4）文件的保存。文件的输出函数可以将绘图中所输入的尺寸参数保存在数据库中，需要时可随时调用保存在数据库中的参数。

四、结束语

基于特征的零件建模技术在统一的界面管理下系统产生的信息经整理转换后存入工程数据库中，能够实现与CAPP信息的自动传递及转换，对于CAD/CAM的集成具有极大地促进作用。

参考文献：

[1]郑军凯. 基于特征建模的服务器零件库系统研究与开发[D].电子科技大学，2012.