三維特征建模在機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用

焦歡歡 姚正綱

摘 要：在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的CIMS設(shè)計思想中，三維特征建模是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品、技術(shù)日趨國際化的時代，產(chǎn)品建模逐步向國際標(biāo)準(zhǔn)STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）靠近，產(chǎn)品設(shè)計正向集成化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。制造業(yè)自動化生產(chǎn)的新時代正在到來。本文首先分析了三維建模的基礎(chǔ)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(yōu)點，最后分析了特征建模（FeatureModel）方式。

關(guān)鍵詞：三維；特征；建模；機械設(shè)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(gòu)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(tǒng)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?？梢詫崿F(xiàn)消隱、著色、表面積計算、二曲面求交、數(shù)控刀具軌跡生成、有限元網(wǎng)格劃分等，還可以構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體。但仍然缺少面、體間的拓?fù)潢P(guān)系，無法區(qū)別面的哪一側(cè)是體內(nèi)還是體外，無法進(jìn)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?fù)湫畔?。實體建模是機械設(shè)計與制造自動化的基礎(chǔ)。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(xiàn)。是與CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）、CAM（ComputerAidedManufacuring）實現(xiàn)集成的關(guān)鍵的幾何建模。

二、三維建模的優(yōu)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(xiàn)三維要素之間的三維空間關(guān)系（相離、相鄰、組成、包含、被包含）。地質(zhì)模型的三維可視化是三維地質(zhì)建模軟件的基本功能，但又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于三維可視化，真三維的立體場景中，可以輕松地實現(xiàn)以前難以進(jìn)行的計算與操作；第二，精準(zhǔn)的儲量計算。在真三維場景下借助三維建模工具，可以根據(jù)采樣點進(jìn)行廣義三棱柱剖分或四面體剖分后再統(tǒng)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(shù)據(jù)，便可以精細(xì)地表達(dá)礦藏的構(gòu)造形態(tài)與品質(zhì)分布。設(shè)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(gòu)造形態(tài)相容并聯(lián)動修改。 二、參數(shù)化建模（ParameterModel） 參數(shù)化建模的主題思想是用幾何約束、工程關(guān)系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而達(dá)到設(shè)計一簇在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計方案。首先建立圖形與尺寸參數(shù)的約束關(guān)系，每個可變尺寸參數(shù)用待標(biāo)變量表示，并賦予一個缺省值。繪圖時，修改不同的尺寸參數(shù)即可得到不同規(guī)格的圖樣。參數(shù)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?fù)浼s束和工程約束，這些約束反映了設(shè)計時要考慮的因素。實現(xiàn)參數(shù)化的參數(shù)與約束保持一定的關(guān)系，初始設(shè)計的形體自然滿足這些約束，而當(dāng)輸入那組參數(shù)的新值時，也將保持這些約束關(guān)系并獲得一個新的幾何建模。因此，設(shè)計者可以動態(tài)地、創(chuàng)造性地進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計，這種系統(tǒng)稱為動態(tài)系統(tǒng)。參數(shù)化建模可分為尺寸驅(qū)動和變量設(shè)計。

三、特征建模（FeatureModel）

從CAD/CAM集成的角度出發(fā)，要求從整個生命周期各個階段的不同需求來描述產(chǎn)品，能完整地、系統(tǒng)地、全面的描述產(chǎn)品信息，使各應(yīng)用系統(tǒng)可直接從該零件模型中抽取所需信息，這種建模技術(shù)稱為特征建模[4]。特征建模技術(shù)將特征視為基本信息單元，把產(chǎn)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(gòu)成的信息集。 近年來，特征技術(shù)有了長足的發(fā)展。特征的面向?qū)ο蠼M織、可視化和可操作技術(shù)研究已進(jìn)入實用階段，出現(xiàn)許多商品化軟件，如Pro/engineer、Solidworks等參數(shù)造型軟件、CATIA等表面設(shè)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(chǎn)品開發(fā)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(shè)計和制造階段可識別的包含完整工程信息的結(jié)構(gòu)單元，是一組與零件的描述相關(guān)的信息集合。特征建模有如下特點：

1、能更好地表達(dá)產(chǎn)品的完整技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，建立產(chǎn)品的集成信息便于計算機理解和處理，使產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)準(zhǔn)備的各個環(huán)節(jié)并向展開，并采用面向?qū)ο蟮目蚣芙M織結(jié)構(gòu)，特征間可以建立繼承、鄰接、從屬等聯(lián)系，因而可以描述復(fù)雜的零件形狀信息。

2、特征建模以幾何模型為基礎(chǔ)，其幾何模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有邊界描述法（B-Rep）和單元構(gòu)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(chǎn)品的設(shè)計、分析、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗各個部門間的聯(lián)系，同時也便于在不同的應(yīng)用領(lǐng)域和系統(tǒng)間轉(zhuǎn)化。 結(jié)束語 三維特征建模拓展了設(shè)計人員的創(chuàng)造性，比傳統(tǒng)的實體建模有更好的設(shè)計效果，最重要的是真正符合數(shù)據(jù)交換規(guī)范的產(chǎn)品建模，實現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM的真正集成。將參數(shù)化建模的思想應(yīng)用到特征建模中，用尺寸驅(qū)動和變量設(shè)計的方法定義特征并進(jìn)行類似的操作，這樣就形成了參數(shù)化特征建模。

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