淺談CAD的特征造型技術(shù)
當(dāng)工程師使用三維CAD工具制圖時(shí)，隨著使用的深入和需求的增加，會(huì)遇到這樣那樣的問題。如果我們增加一些對CAD技術(shù)基本概念上的認(rèn)識，就會(huì)有助于我們了解設(shè)計(jì)工具本身，在設(shè)計(jì)工作細(xì)節(jié)中避免一些令人費(fèi)解的問題發(fā)生。2007年SolidWorks公司推出了 SWIFT技術(shù)，這是一個(gè)非常先進(jìn)的技術(shù)。最近SolidWorks公司在其2008新版的軟件中將SWIFT技術(shù)又做了進(jìn)一步的加強(qiáng)。類似的還有Pro/E的行為建模技術(shù)，而這些都是從特征造型基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的優(yōu)秀技術(shù)。
回顧C(jī)AD技術(shù)發(fā)展歷史，在上世紀(jì)60年代期間的CAD技術(shù)以線框造型為主，其代表的軟件系統(tǒng)為CADAM，技術(shù)發(fā)展到70年代，CAD技術(shù)以曲面造型為主，代表系統(tǒng)是CATIA。上世紀(jì)80年代期間的CAD技術(shù)以實(shí)體造型為主，如I-DEAS。到了上世紀(jì)90年代， CAD技術(shù)以Pro/E為代表的特征造型技術(shù)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(guān)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(rèn)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(guān)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(guān)系是特征造型和實(shí)體造型的最大區(qū)別，特征模型紀(jì)錄了建模的歷史過程，而實(shí)體造型系統(tǒng)僅紀(jì)錄了最終的造型結(jié)果。
特征造型技術(shù)原理主要包括依賴關(guān)系、拓?fù)銲D號，特征樹和特征更新等幾個(gè)要點(diǎn)。
在特征造型系統(tǒng)中，幾何形體之間可以有依賴關(guān)系。而正是這種依賴關(guān)系，成為了定義特征的關(guān)鍵。依賴關(guān)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(guān)系都屬于顯式關(guān)系，而過渡某條邊（Edge）、在某個(gè)面（Face）上打孔和通過一個(gè)頂點(diǎn)（Vertex）等依賴關(guān)系都是隱式關(guān)系。顯式關(guān)系容易被我們定義，但是隱式關(guān)系定義則不然。在傳統(tǒng)特征造型系統(tǒng)中，隱式關(guān)系是利用拓?fù)湓氐挠谰妹麢C(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。因此，永久命名機(jī)制是傳統(tǒng)特征造型系統(tǒng)的核心技術(shù)。
在造型過程中，實(shí)體的點(diǎn)、邊、面是自動(dòng)生成的，與之相關(guān)聯(lián)的拓?fù)銲D號不是一個(gè)簡單的編號。我們對其有一些要求指標(biāo)。首先是拓?fù)銲D號的唯一性，即在特征系統(tǒng)中每個(gè)拓?fù)湓赜形ㄒ坏腎D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?fù)銲D號有了以上的要求，就能實(shí)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(guān)系問題，實(shí)現(xiàn)模型更改時(shí)對特征的更新。拓?fù)銲D號的原理是以面為中心的命名。在布爾運(yùn)算過程中，面相對穩(wěn)定，若不算分裂和合并，無新面生成；點(diǎn)、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(yīng)依賴關(guān)系。當(dāng)一個(gè)特征發(fā)生變化后，特征需要重算。這里有個(gè)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(rèn)為是失敗的。在pro/E的早期版本中，對于特征的依賴關(guān)系就存在著細(xì)節(jié)上的錯(cuò)誤，造成原本唯一的拓?fù)銲D號經(jīng)過模型修改后無法和新ID相完全對應(yīng)。
SolidWorks的SWIFT（SolidWorks Intelligent Feature Technology）技術(shù)主要包含特征專家（Feature Expert）和草圖專家（Sketch Expert）兩個(gè)應(yīng)用功能。FeatureExpert面對設(shè)計(jì)過程中越來越多的特征參數(shù)與關(guān)系，在設(shè)計(jì)過程中會(huì)碰到由于經(jīng)常的設(shè)計(jì)修改而使后續(xù)眾多的特征參數(shù)和關(guān)系出現(xiàn)一系列的警告與錯(cuò)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(dǎo)致過渡的結(jié)果不同。Expert避免讓使用者手動(dòng)過渡圓弧，軟件將自動(dòng)幫你選擇過渡次序，保證了過渡結(jié)果的正確性，同時(shí)提高了效率。
CAD應(yīng)用中還有一個(gè)重要問題是標(biāo)準(zhǔn)問題：目前CAD標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)：一個(gè)是1979年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）制定了幾何信息交換標(biāo)準(zhǔn)（IGES）。另一個(gè)是1988年國際ISO頒布的產(chǎn)品信息交換標(biāo)準(zhǔn)（STEP）。國內(nèi)一度對STEP的期望很大。但STEP沒有特征實(shí)現(xiàn)方式的定義，沒有拓?fù)銲D號的定義，這是STEP的一個(gè)硬傷。美國標(biāo)準(zhǔn)化局的官員Pratt到京訪問時(shí)也對這個(gè)問題表示認(rèn)同。如何把CAD系統(tǒng)中的建模信息轉(zhuǎn)到系統(tǒng)B中。當(dāng)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(yīng)用造成很大的困難。比如我了解的一個(gè)案例，CATIA在和某CAE系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，由于兩個(gè)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(cuò)誤地表達(dá)了。
目前特征造型技術(shù)仍有不足。比如特征重建時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)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(shù)也有些許不足。為此又有人提出了新的動(dòng)態(tài)建模改進(jìn)技術(shù)。
