特征造型技术

牛顿－拉普逊迭代法
F ( X ) [ F 1 ( X ) ,...,F m ( X ) ] T 0
X k 1 X k J (X k ) 1 F (X k )
F 1
x1
...
F 1
xn
J(Xk)
Fm
...
Fm
x1
xn
牛顿－拉普逊迭代法的优 缺点
• 牛顿－拉普逊迭代法的优点是如果迭代收敛的 话，则收敛速度很快。
各个子特征，弧代表子特征之间的依赖关系。
• Constraint表示构成UDF的几何元素之间的拓扑约束、
尺寸约束及自定义方程约束。这些约束通过对各个子
特征之间约束关系的定义，起着维护UDF工程语义， 判别UDF有效性的作用。
UDF = 零件?
用户自定义特征
内部特征1
内部特征2
... 内部特征3
内部特征n
• 缺点是系统庞大、速度慢、无法处理循环约束等。
基于图论的方法
• 基于图论的约束求解方法该方法用图来 表达几何约束系统。图论的方法将几何 图形用图表示，形成几何约束系统，运 用图论的知识进行处理，将约束系统转 化成一系列不可分割的子系统，将约束 网格归约成约束树的形式，从而大大减 少了问题求解的耦合度和求解规模。
特征识别
特征提取
特征模型
设计师
(b)特 征 识 别
特征造型器
特征模型
实体造型器
几何模型
(c)基 于 特 征 的 设 计
特征识别
特征的自动识别包含以下几个步骤： • 进行拓扑和几何模式匹配； • 提取被识别的特征； • 决定特征的参数； • 完成特征模型； • 组合单个的特征以获取高层意义上的特征。
UDF内部特征依赖关系与零件
中特征依赖关系的融合
FAC1
基体
槽
孔
圆角
矩形阵列
实心体 基体
槽
孔
圆角
矩形阵列
特征造型的关键技术
• 几何表达/显示 • 布尔操作
• 几何约束求解 • 特征编码
几何约束求解
• 数值代数方法；
• 符号代数方法；
• 推理方法； • 图论方法；
Biblioteka Baidu值方法
• 变量几何法(Variational geometry)。该 方法把几何形状定义成一系列的特征点， 约束则表示成以特征点的坐标为变元的 非线性代数方程组，通过数值迭代方法 求解方程组，从而确定出系统中几何元 素的特征点坐标。
用户自定义特征
• 用户自定义特征(User defined feature， UDF)：是对设计人员而言具有明确工程语义， 包含约束和设计过程的形状特征集合。在产品
的设计过程中，UDF可以根据不同的尺寸值和
约束关系产生设计变体，并作为一个整体参与 零件的布尔运算。
• 自定义特征可以形式化定义为
UDF=(Geometry，Attribute，History， Constraint).
• 约束的定义分为两步，首先用户选择具有工程意义的尺 寸和参数，而后用户建立个参数之间的约束方程。
UDF的实例化
• UDF的实例化过程包括UDF定位、参数
赋值、约束检查和内部特征重构四步。
实例化过程也是用户对UDF定义过程中
选取的各个属性和参数进行重新赋值的 过程。通过对属性和参数重新赋值，进
而驱动UDF模型得到不同的实例。
形状特征
布尔操作：实体加、实体减 • 扫：拉伸，旋转，轨迹扫 • 放样：变截面 • 修饰特征（二次）：倒角，凸台(boss)、
打孔（hole）、凹槽（pocket）、筋板、 抽壳(hollow) ，拷贝，阵列，镜像
曲面特征：偏置（offset）、缝合 （sew）、修补（patch）、修整 （trim）、分割（split）
圆 角 特 征 ro u n d _ fe a tu re 常 半 径 圆 角 特 征 co n sta n t_ ro u n d _ fe a tu re 变 半 径 圆 角 特 征 v a ria b le _ ro u n d _ fe a tu re
倒 角 特 征 c h a m fe r_ fe a tu re
• 更为严格的定义也被使用：特征就是一个包含 工程含义或意义的几何原型外形。特征在此已 不是普通的体素，而是一种封装了各种属性 （attribute）和功能（function）的对象。
特征的作用
在CAD系统引入“特征”后，能够 起到以下三方面的作用： • ①表示设计意图； • ②简化传统CAD系统中繁琐的造型过程； • ③从高层次上对具体的几何元素如点、 线、面进行封装。
所以，事实上几何定义过程就是使用特征造型系统进行 造型的过程。对于一个已经存在的零件，几何定义的过 程则表现为用户从特征历史树上选取子特征的过程，被
选取的子特征构成UDF所包含的内部特征集合。 • 属性定义的过程是定义UDF所包含的描述信息的过程，
描述信息可能包括密度，体积，重量等具有工程意义的 参数。
变量几何法
p2(x3,x4)
p4(x7,x8) f3
f1
f5
f4
p1(x1,x2)
f2
图 2-1 示例1
p3(x5,x6)
f 1:( x 1 x 3 ) 2 ( x 2 x 4 ) 2 d 12 f 2:( x1 x5)2 ( x2 x6)2 d 22 f 3:( x 3 x 7 ) 2 ( x 4 x 8 ) 2 d 32 f 4:( x5 x7)2 ( x6 x8)2 d 42 f 5:( x 3 x 5) 2 ( x 4 x 6 ) 2 d 52 f 6:x 2 x5 0 f 7:x1 d 6 f 8:x 2 d 7
薄 壳 特 征 s h e ll_ fe a tu re
拔 模 特 征 d ra ft_ fe a tu re 切 角 特 征 c o rn e r_ fe a tu re 镜 像 特 征 m irro r_ fe a tu re 阵 列 特 征 p a tte rn _ fe a tu re
线 性 阵 列 特 征 lin e a r_ p a tte rn _ fe a tu re 圆 周 阵 列 特 征 c irc u la r_ p a tte rn _ fe a tu re 用 户 自 定 义 特 征 u s e r_ d e fin e _ fe a tu re
内容提要
• 引言 • 特征的定义和分类 • 基于特征的零件信息模型 • 特征的表示 • 特征的创建与识别 • 几何形状特征及UDF • 特征造型系统的 • 特征造型技术的发展 • 特征造型系统
简介
• CAD技术发展的几次革命 • 特征造型是近二十年来发展起来的一种新的造
型方法，它是CAD第三次技术（参数化技术） 革命的里程碑。 • 特征(Feature)一词的出现，最早是在一九七 八年MIT的Gossard D.C.所指导的Soltes J.W的学士论文“A Feature-Based Representation of Parts for CAD”中。
面向对象的特征表示 • 特征标示ID • 特征类型 • Brep • 特征引用FDG • 参数与约束CBG • 特征操作
特征创建方法 （Next)
• 特征交互定义 • 特征自动识别 • 特征转换 • 基于特征(库)的设计
设计师
特征创建方法
几何造型器
几何模型
特征定义系统
特征模型
实体模型
工艺规划
(a)特 征 交 互 式 定 义
常 半 径 圆 角 特 征 co n sta n t_ ro u n d _ fe a tu re
旋 转 扫 特 征 re v o lv e _ fe a tu re
广 义 扫 特 征 s w e e p _ fe a tu re
Inte局S部 o特放l征样idl特o c形征a l_lof状efta_ tfue特raetu r征e （续）
特征的分类
• 从产品整个生命周期来看，可分为：设计 特征、分析特征、加工特征、公差及检测 特征、装配特征等；(STEP产品模型)
• 从产品功能上，可分为：形状特征、精度 特征、技术特征、材料特征、装配特征；
• 从复杂程序上讲，可分为：基本特征、组 合特征、复合特征。
基于特征的零件信息模型
特征的表示
• 后面详细介绍
特征转换
A、B为不同特性造型系统： • 等价转换 A中的一个特征转换到B中有相同几何的特
征，如设计模型中的一个通孔转换到加工特征模型中 的一个通孔。 • 投影转换 A中的一个特征转换到B中一个具有更少信 息的特征。 • 关联转换 A中的一个特征转换到B中一个与之相关联 的特征，如设计模型中的一个肋特征转换到有限元分 析特征模型中的一个负载特征。 • 组合转换 A中的多个特征通过重新组合转换到B中的 多个特征。
基于几何推理的人工智能 方法
• 采用一个基于符号推理和操作的专家系统来求解约束。 它基于这样一个事实，即在工程图中的绝大多数图形 都可以通过直尺、圆规和量角器绘出。该方法建立了 一个规则体系，将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓 词描述，存入知识库中。系统从知识库中提取出有关 信息 ,通过推理机逐步推导出几何细节。该方法具有 基于规则方法的优点，诸如几何知识清晰的表示 ,知 识和处理的分离，规则库的可扩充性，而且完全避免 了数值算法的不稳定性。
InteSolid形状特征
虚 拟 形 状 特 征 v irtu a l_ fe a tu re 草 图 特 征 s k e tc h _ fe a tu re 参 考 特 征 re fe re n ce _ fe a tu re 参 考 面 特 征 re fe re n c e _ p la n e _ fe a tu re
UDF形式化定义
• Geometry表示UDF对应的几何形状。几何形状是与 具体实例相关的，同一个UDF的不同实例，具有不同
的几何形状。
• Attribute表示特征的属性。如特征的名称、体积、
材料、公差以及其它用户自定义的工程描述信息。它 把具有多义性的几何形状映射到具体的物理实体。
• History表示UDF的设计过程。History可以使用特 征依赖图来表达。特征依赖图中结点代表组成UDF的
依赖关系
依赖关系
与约束
与约束
UDF定义与实例化
内部特征 内部特征
定义过程
几何定义 属性定义 约束定义
一般化 UDF模型
实例化过程1 实例化过程2
具体的 UDF实例1
具体的 UDF实例2
...
实例化过程n
内部特征
具体的 UDF实例n
UDF的定义过程
包括几何定义、属性定义和约束定义三步。
• 由于UDF系统是建立于已有的特征造型系统基础上，
特征定义
特征的认识不同，至今尚无统一的 特征定义，Shah指出一个特征所至少需 要满足以下几个条件中的一个：
• 零件的物理组成部分； • 可以映射到某一个具体的形状； • 有工程意义； • 有可以预知的属性。
特征定义
• 通用定义：特征就是任何已被接受的某一个对 象的几何、功能元素和属性，通过它们我们可 以很好地理解该对象的功能、行为和操作。
GCG
P1 per
L4
P5 a2
L1
d2
L3
r
a1
C
• 其缺点是对迭代初始值要求较高，如果初始值 偏离方程组的真根过远，迭代难以收敛；而且 当约束方程数目和自变量数目不相等，即方程 组处于过约束或欠约束状态时，雅可比矩阵的 逆不存在，牛顿－拉普逊迭代法失效。
系数矩阵是稀疏的
三角分块方法
x1 x2 x5 x6 x3 x4 x7 x8 1 0 0 0 0 0 0 0 f7 0 1 0 0 0 0 0 0 f8 0 1 1 0 0 0 0 0 f6 1 1 1 1 0 0 0 0 f2 1 1 0 0 1 1 0 0 f1 0 0 1 1 1 1 0 0 f5 0 0 0 0 1 1 1 1 f3 0 0 1 1 0 0 1 1 f4
参 考 轴 特 征 re fe re n c e _ a x is _ fe a tu re 基 于 草 图 的 特 征 s k e tc h _ b a s e d _ fe a tu re
拉 伸 扫 特 征 e x tru d e _ fe a tu re 旋 转 扫 特 征 re v o lv e _ fe a tu re 广 义 扫 特 征 s w e e p _ fe a tu re 放 样 特 征 lo ft_ fe a tu re 局 部 特 征 lo c a l_ fe a tu re 圆 角 特 征 ro u n d _ fe a tu re