CAD/CAM關鍵技術--特征技術
1. 特征技術產生的背景
特征技術是CAD/CAM技術發展中的一個新里程碑，它是在CAD/CAM技術的發展和應用達到一定水平，要求進一步提高生產組織的集成化、自動化程度的歷史進程中孕育成長起來的。
現代設計制造系統的發展趨勢是集成化、智能化， 目的是達到高度的自動化。 實現上述目標的基礎是給系統的各個環節提供能夠共享的產品定義。 現有的CAD/CAM系統， 因不能用一個完整的產品模型來支持各工程應用活動，在設計、制造及檢驗的各個環節中， 使用者需要重復地輸入和識別一些信息， 定義一些新模型， 以滿足各工程應用子系統的具體需要，各子系統的概念信息也必須依靠人工來識別和綜合處理， 從而導致產品自動設計和制造中信息處理的中斷， 人為干預量大， 數據大量重復處理的后果。 其主要原因是作為當代CAD系統的核心棗實體造型存在下列不足：
(1) 產品定義信息不完備。 實體造型主要用來定義產品公稱幾何形狀， 而許多反映設計意圖和工藝要求的信息， 如公差、材料性質等難以在數據庫中一起表達。 這里由于工藝信息的表達既與高級的形狀特征有關， 又與低級的點、線、面幾何要素有關， 而實體造型難以提供這些信息。
(2) 數據的抽象層次低。 實體造型只能以低級的幾何/拓撲信息來描述幾何形狀，而工程師進行思想交流， 以及CIMS智能化處理過程中涉及的信息往往是高層的概念實體。
(3) 支持產品設計的環境較差。傳統的幾何造型不利于進行創造性設計，這是因為它不能方便地修改設計模型，并且，即使實體零件的參數已被定義，在每次零件再生時，也必須重新顯示輸入所有參數。
因此，必須開發取代現有實體造型的支撐系統，為CAD/CAM系統提供完備的和多層次的產品信息。這些信息能在無人干預的條件下，為設計、分析、制造所接受，且能在各應用子系統間自動變換，使CAD/CAM集成，以至CIMS的實現走向現實，由此產生了特征技術。特征技術是人工智能應用于實體模型的結果，它表達的產品信息完備且含有豐富的語義信息，為CAD/CAM集成提供了有力基礎。
2. 特征造型的特點和作用
特征造型方法與前一代的幾何造型方法相比較，有以下特點和作用：
(1) 過去的CAD技術從二維繪圖起步，經歷了三維線框、曲面和實體造型發展階段，都是著眼于完善產品的幾何描述能力; 而特征造型則是著眼于更好表達產品的完整的技術和生產管理信息，為建立產品的集成信息模型服務。它的目的是用計算機可以理解和處理的統一產品模型，替代傳統的產品設計和施工成套圖紙以及技術文檔，使得一個工程項目或機電產品的設計和生產準備各環節可以并行展開，信息流暢通。}
(2) 它使產品設計工作在更高的層次上進行，設計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產品的功能要素，象螺紋孔、定位孔、鍵槽等。特征的引用直接體現設計意圖，使得建立的產品模型容易為別人理解和組織生產，設計的圖樣更容易修改。設計人員可以將更多精力用在創造性構思上。
(3) 它有助于加強產品設計、分析、工藝準備、加工、檢驗各部門間的聯系，更好地將產品的設計意圖貫徹到各個后續環節并且及時得到后者的意見反饋，為開發新一代的基于統一產品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系統創造前提。
(4) 它有助于推動行業內的產品設計和工藝方法的規范化、標準化和系列化，使得產品設計中及早考慮制造要求，保證產品結構有更好的工藝性。
(5) 它將推動各行業實踐經驗的歸納總結，從中提煉更多規律性知識，以豐富各領域專家的規則庫和知識庫，促進智能CAD系統和智能制造系統的逐步實現。
3. 特征技術的研究概況
特征技術研究的萌芽產生于八十年代初，并于八十年代的中后期蓬勃發展起來。STEP標準中將形狀和公差特征等列為產品定義的基本要素，使特征獲得了國際標準的法定地位。
國外許多研究單位和學者對特征技術的發展和應用做出了貢獻。例如，英國Cranfield理工學院的Pratt和Wilson為CAM-I提出了一個按形狀和構造特點對形狀特征分類的模式; 美國Arizona州立大學的Shah探討了特征表達和解釋問題，開發出ASU特征試驗臺; 芬蘭赫爾辛基技術大學的Mantyla教授研制了特征造型系統EXTDesign; 意大利熱亞那應用數學研究所的Falcidieno等人提出了邊界模型表示特征對象的描述方法，特征識別方法，并開發了相應的系統; 德國柏林技術大學的Beitz開發了基于特征的造型系統GEKO; Douglas等人研究了用凸多面體分解法進行加工特征幾何推理技術; Turner等人研究了公差特征模型建立的問題; Roy等人研究了尺寸及公差表示處理的問題; Jaroslaw等人研究了特征編輯與查詢技術; 美國Purdue大學的Anderson等人研究了基于特征設計工藝規程的幾何推理問題。
在國內， 北京航空航天大學、清華大學、華中理工大學、浙江大學、上海交通大學、西北工業大學等，以及其他一些單位也發表了一些關于特征技術研究的論著， 并開發了一些特征造型系統。
近年來， 商業CAD軟件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如， PTC公司的產品Pro/Engineer，SDRC的產品I-DEAS Master Series、UGS公司的產品Unigraphics、IBM公司的產品CATIA/CADAM、Autodesk公司的產品MDT， 中國廣州紅地技術有限公司的產品“金銀花(LONICERA)”系統，等等。
4. 特征的定義
客觀事物都是由事物本身的特性體及其相互關系構成。 一般地講， 特征是客觀事物特點的征象或標志。目前人們對于CAD中特征的定義尚沒有達到完全統一。 在研究特征技術的過程中， 國內外學者從不同的側面、不同的角度， 根據需要給特征賦予了不同的含義。
在機械行業中， 特征源于使用在各種設計、分析和加工活動的推理過程， 并且經常緊密地聯系到特定的應用領域， 因而產生了不同的特征定義。 當我們提到特征時， 通常是指形狀特征。形狀特征的一種定義是面向規劃的， 例如， 工件特征定義為：在工件的表面、邊或角上形成的特定的幾何構型。 另一種涉及工藝規劃的形狀特征定義為: 工件上一個有一定特性的幾何形狀， 其對于一種機械加工過程是特定的， 或者用于裝夾和/或測量目的。
隨著特征技術由工藝規劃向設計、檢驗和工程分析方面的拓展， 特征定義趨向于更一般化， 下面是一些特征定義的例子: (1) 用于描述零件和裝配體的語義組， 它將功能、設計和制造信息組合在一起; (2) 一個幾何形狀或形體要素， 它至少具有一種CIM功能; (3) 產品信息的載體， 它可以在設計和制造或者其他工程任務之間輔助設計或進行通訊; (4) 任何用于設計、工程分析和制造的推理的客觀對象; (5) 設計人員感興趣的區域。
研究人員提出了許多不同的特征， 例如， 功能性的特征有: 裝配特征， 配合特征， 結構特征和抽象特征。 抽象特征可用于設計過程， 這是由于許多特征的細節在設計完成前并不清楚。 抽象特征的定義為: 直到所有的變量被確定才能被具體化或實現的客觀對象。 不論特征的定義如何， 但有一點似乎是共同的， 即特征最終要聯系到某個幾何形狀。 Shah明確了一個特征至少滿足的要求: 零件的一個結構組元; 可影射到某個形狀類; 有工程意義; 有可預測的性質。
總之， 特征是產品信息的集合， 它不僅具有按一定拓撲關系組成的特定形狀， 且反映特定的工程語義， 適宜在設計、分析和制造中使用。 我們應該將特征理解為一個專業術語， 它兼有形狀和功能兩種屬性， 從它的名稱和語義足以聯想其特定幾何形狀、拓撲關系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術和公差要求。
5. 特征的表示方法
目前， 常用的特征的表示方法主要有以下三種:
(1) 基于B-rep的方法: 在B-rep 方法中， 特征被定義為一個零件的相互聯系的面的集合(面集)。 這些特征也被稱為“面特征”。 B-rep 模型是基于圖的， 所有的幾何/拓撲信息顯式地表達在面棗邊棗頂點圖中， 因此， B-rep模型常被稱為賦值的模型。 B-rep 表示特征的方法受到許多研究者的喜歡， 這是因為可以得到充足的信息以及它是基于圖的表示方法(許多特征識別系統是基于圖表示的)。B-rep模型可以與屬性值(如， 表面粗糙度， 材料等)、尺寸和公差聯系在一起，B-rep方法的缺點是它與特征體素和體積特征沒有直接的聯系， 特征操作(如， 刪除特征)難于進行。
(2) 基于CSG 的方法: 基于CSG 的特征表達方法將特征定義為體積元素，體積元素通過布爾操作構造零件。 使用CSG 表示方法簡捷、有效、易于編輯和操作體素，并提供CSG和特征體素之間有意義的聯系， 而且二叉樹可用于特征模型的構造。 對于特征提取，CSG 模型的主要問題是其表示的不唯一性， 以及缺少對低層的構形元素的顯式表達。然而，給CSG 模型賦值， 推導出其相應的邊界表示， 就可以克服這些問題。
(3) 基于混合CSG/B-rep的方法: 由于CSG 和B-rep表示方法都各有優缺點，因此，汲取二者優點的混合表示方法便產生了。Nnaji和Liu開發了一個工藝規劃系統，可以提取基于CSG 的信息(B-rep信息是由CSG 模型導出的)。重新構造CSG 樹和B-rep信息，使其成為以一種混合形式來表示特征的另一種CSG 樹。Roy和Liu提出一種混合CSG/B-rep方法表示特征及尺寸和公差。特征的層次結構提供物體組件關系的多級表示，并在每級的細節保持有邊界表示。Gossard等人提出一種在幾何造型中顯式地表示尺寸公差和幾何特征的方法，此方法將CSG 和B-rep表示結合在一個被稱為形體圖的圖結構中。