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特征及其应用
  2008-7-31  来源:  阅读: 次  我要收藏
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摘 要:对目前研究较多的特征及相关问题进行了分析,包括特征的定义、表达、特征的多视角问题等。对特征造型方法和基于约束的设计进行了讨论。提出特征是某一应用领域内具有特定意义的实体或抽象体。建立了基于特征思想和面向对象实现技术的旋转机械动力特性分析系统。本文的工作为下一步开发面向对象和基于特征的系统提供 了基础。
关键词:特征;信息建模;面向对象
中图分类号:TP391,TH122 文献标识码:A
文章编号:1006-754X(2000)01-0001-05

The Feature and Its Application

ZHOU Shou-qin XIE You-bai
(Theory of Lubrication and Bearing Institute of Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China)

Abstract:The feature and the issues associated with it,including its definition,representation and multi-viewpoint, were discussed in detail. The feature modeling and the design based on constraint were analyzed.The viewpoint that feature is an entity or abstractor with special meanings based on application fields was proposed.On analyzing the dynamics characteristics of rotatory machine, a system based on feature and object-orientated technology was constructed.The paper laid the foundation for developing application system based on feature and object-orientated technology.
Keywords:feature;information modeling;object-orientated

1 引言

  虚拟制造(Virtual Manufacture)、敏捷制造(Angile Manufacture)、计算机集成制造(CIMS)、独立岛(Independent Isoland)、现代设计(Modern Design)、公理设计(Axiomatic Design)、全面设计(Overall Design)和动态联盟(Dynamic League)等,都是从设计和制造的角度来优化资源配置和加速产品开发过程和实现全寿命周期设计。实现这些过程的核心是产品设计、制造的信息建模技术。目前信息建模技术研究得最多的是基于特征的方法,如Pro/E、UG等CAD设计系统和CAM—I等CAM制造系统。基于特征的思想在几何建模、CAPP、CE中应用比较广泛,也是目前研究得较多的一个领域。特征的提出源于CAPP中CAD模型向CAM模型转化的问题。最直观,同时也是应用最多的是几何特征。本文分析特征及其相关的特征表达、识别、基于特征的设计与制造和基于特征系统的集成等,同时对西安交通大学润滑理论及轴承研究所进行过长期研究的高速旋转机械的动力学性能分析提出基于特征的分析系统。

2 关于特征

2.1 特征的定义
  特征(Feature)的研究来自于从零件几何模型中提取零件的几何形状,以便于自动工艺编程、GT(Group Technique)编码和NC编程。自特征的概念产生以来,许多专家学者对特征从不同角度进行了定义。Pratt&Wilson定义为:特征是一个零件上有意义的区域,共分通道(passage)、凹陷(depressions)、凸起(protrusion)、过渡(transitions)、域(area featrues)和变形(deformation)等六大类特征(前三类与实体体积相关,后三类与面相关),它是基于形状对特征进行分类,已经为STEP所采用。Shah定义特征为产品信息传递的载体(carrier),能帮助设计、制造和其他工程任务之间的通讯与交流,共分形状特征(form featrues)、技术特征(technological features)、精度特征(precision features)、材料特征(material features)和装配特征(assembly features)等。Garden定义特征为零件和属性的信息集[1],Cunninhham&Dixon从功能的角度将特征分为静态(static)特征(本原体素、附加体、交叉、整体外形和宏macros),以及动力(kinetic)特征(包括能量energy和运动motion转化的实体)。作者认为特征是基于某一领域,具有特定意义的可表达的实体(entities)或抽象体(abstrctors)。从以上关于特征的定义可看出,不同应用领域、不同视角、不同对象有不同的特征认定。即使同一领域、同一问题,也因人的问题而有不同的对特征的定义及表示方法。其实,实际设计也是如此,在一个领域内是优秀的设计师不一定在另外领域能设计出优秀的产品,在应用对象和内容发生变化时经验就变得不可靠了[2]。所以,特征的问题也必须考虑其应用领域。

2.2 特征的表达
  特征的表达一般采用增量图法(augmented graphs);代数(语言)法(algebraic/synatactic);余量体积法(delta volume);基于约束(constraiot based)的边界表示法(B-Rep)和面向对象(OO)方法。
  OO(object-oriented)方法目前在基于特征的建模中应用较普遍。与特征相关的知识集于一个单元称为一个对象,知误解可以是参数(parameters)、规则(rules)、过程(procedural)等形式,从而使特征作为一个单元来创建、复制和删除等操作。每一对象的内部操作与其他对象无关,对象之间通过接口联系。

2.3 特征空间
  从特征的定义可以看出,从不同的角度分析,特征可以有不同的表示和含义。如对图1所示的几何模块,设计工程师认为模型是通过两个特征块叠加而成(如图(a)),而制造工程师认为模型是由一基本块(工件)通过铣削加工而成(如图(b))。所以特征存在多视角(multi-viewpoints)问题,讨论特征必须确定分析领域和目的,这就提出了特征空间。

图1 模型的设计(a)和制造(b)生成方式

  特征集不但与产品类型相关,而且与个人观察角度和应用领域相关,所以没有统一、有限的特征集,但是对于一给定的产品类型和给定的应用领域,可以建立足够的特征集为其设计服务,这样的特征集合称为特征空间(feature spaces)。如果要创建集成的基于特征的设计系统,则必须实现特征的扩充以及特征空间与功能空间、约束空间的映射(mapping)。

3 特征造型

  针对特征的应用领域的不同,特征造型一般有三种方法:交互式特征定义(interactive feature definition),自动特征识别(automatic feature recognition)和基于特征的设计(design by feature)。

3.1 交互式特征定义
   这一方法包括几何模型的预定义(定义过程中数据结构是一主要方面,常采用BR和CSG结构)。首先由CAD系统创立几何模型,然后由用户根据CAD系统的数据结构和几何模型来拾取实体进行特征的手工定义。

3.2 自动特征识别
   早在60年代,Ivan Sutherland就开发了Sketchpad系统,标志着CAD的开始。早期的CAD是基于二维的,实体建模技术的出现使产品无二义性的三维描述成为可能。另外NC机床在50年代的出现引起了CAM的蓬勃发展。工程师使用CAD、CAM分别用于设计和制造,但是CAK、CAM之间的通讯、联系机制几乎没有,CAD、CAM是两套彼此独立的系统。
   CAPP的出现成为CAD、CAM之间联系的纽带。CAPP从CAD接收数据,转换为特定产品的加工结构描述。CAPP必须从CAD中提取零件的制造特征。所以从CAPP的角度来说,特征是与产品加工知识相关的形状与特性。以简单的钻孔为例,几何特征是孔,特征识别器(featrue finder)根据零件的几何形状将孔特征提取出来,CAPP根据加工库中对孔特征的约定选择相应的加工工具和工艺规程。CAPP在制定加工方案中,由于工序和视角的不同,存在多种方案,如果在系统中要求对名种方案进行优化是很困难的,也是没有必要的,困为无论是设计还是制造都离不开人的因素。一种可行的方案是满意设计或优势设计。即:由CAPP产生一种加工方案,由加工者予以确认,如果加工者不满意所定方案,则系统重新产生另外一种方案,直至用户满意为止,此即所谓的满意设计[6]
   自动特征识别这一方法在CAPP、NC、GT中应用较广泛[4~7]。首先由CAD系统创立几何模型,由计算机程序自动识别数据库中的数据来提取和发现特征,以便用于CAM的自动加工、制造。这些方法都是基于加工约束来识别特征的,即假定识别出来的所有特征都能加工出来,一般包括加工域的识别(采用扫描技术section techniques、凸体算法convex-hull algorithm、单元分解cell decomposition和几何推理geometric reasoning)和基于加工的特征识别(模式匹配matching、体积/腔体法、余量体积法delta volumes和表面法)。基于加工的特征识别即将提取的几何模型与特征库中预定义的特征进行匹配以确定特征类型。

3.3 基于特征的设计
   零件几何形状和特性直接由特征来定义,几何模型由特征来构造[8,9]。基本特征(类)放于特征库,通过确定特征的尺寸、位置参数和各种属性而实例化(instance)。特征的构造用得最多的方法是解构法,即通过在一基本块上执行布尔减,一步步形成零件所需的形状(类似于机加工)。在Pro/E中工件(基本块)可通过线性或旋转扫描来构造,同样使用了预定义的集合特征来执行基本块上的操作(图2)。

图2 零件基于几何特征的建模过程

  基于特征的设计有利于将设计结果直接用于下游系统(CAPP/NC),有利于产品数据结构标准化,有利于将设计功能意图包含在特征的表达之中。但也存在相应的不足:如可能存在基于不同要求而得到的功能要求之间相互干涉或设计结果为空集等现象,设计过程比较刚性,影响设计者的设计灵活性,不能充分利用人的能动性。
  虽然基于特征的设计中,产品是由一系列设计特征来表达,设计通过对特征执行操作来完成,设计简单、自动化程度高,但是基于特征的设计由于特征有领域相关性,故基于特征的设计都是针对某一领域、甚至某一类产品,而不是通用的设计系统,系统不容易泛化。另外,虽然可以用基于特征的体素通过布尔运算来构造实体,但由于系统不可能包括每一领域所有的实体体素,所以对某一特殊领域用户必须定义新的特有的特征,即交互式特征定义。所以基于特征的设计必须有原有的特征库,还必须有用户可扩充的特征库和特征选择优化模块。
  基于特征的设计尽管是以特征为单元进行设计的,但由于设计特征和制造特征之间的运算存在差异(如图1,设计特征运算可加可减,而制造特征的运算一般只有减),仍有可能需要进行特征的识别和转换[10],从而提出了交互式的产品设计和基于约束的产品设计,设计者根据设计特征来进行产品设计,约束库对设计特征进行约束检验,以使其设计满足产品装配和功能要求。

4 基于约束的设计

  产品全生命周期的成本绝大部分在设计阶段就已经被确定,而传统设计的设计者一般仅考虑设计产品的功能和性能,对其他的如加工、市场等的考虑较少。而基于约束的设计为产品的全面设计提供了新的途径[11,12]。每一领域、每一工厂都可以根据自己的设备、要求建立自己的约束库,利用约束库对产品的设计进行约束检验,以设计自己满意的(不一定是最优的)、可加工的产品。
  基于约束的设计关键问题是约束的抽象、分类、表达和检验。基于约束的特征设计受到约束的限制。提出的设计协调分析(DCA)用于帮助设计师来评价设计要求与可行设计之间的协调性。约束一般包括:几何约束、加工资源约束、加工环境约束、测试与检验约束、过程约束等。特征用类表达,约束用规则和对象混合表达。类为对象行为和属性的集合,属性体现类的性质,行为是功能的描棕,对象间的信息通过公有变量来传递,其他如加工约束也可用OOP来表达[3]。如图3示,系统从特征库中提取特征后,从相应的约束库中提取约束,对两者进行匹配,看是否特征满足约束。如果所选定的实例化特征不满足约束条件,则重新提取设计特征,直至匹配为止。许多文献有关于装配的设计分析(DFA),这也是基于约束的设计中的一个分支。

图3 基于约束的设计系统框图

  目前虽然有许多文献对特征用于概念设计进行了研究[1,13,14],但特征的概念大部分是基于产品的细节设计,即确定产品的外形、材料、装配等细节部分。零件的细节设计包括:(1)产品要求与产品功能的转换;(2)功能与特征的转换;(3)特征的选定;(4)特征的协调性分析;(5)公差确定;(6)特征与加工过程的转换;(7)加工工艺的选定;(8)制造成本分析等。从功能的角度来说,特征是具有一定功能的零件和部件。基于功能的特征表达关键是功能与特征之间的映射,根据功能要求选择特征,然后检验所选特征是否满足功能要求。设计时将产品功能和约束作为系统输入,产品外形和性能描述作为输出。

5 旋转机械动力性能特征分析系统

  关于特征的CAD系统,国内开展了一定的研究工作[15,16],主要是针对产品的设计和几何建模,而将几何特征、性能特征和结构特征融合在一起建立性能分析系统的文献极少。下而以汽轮机为对象,建立基于特征的动力特性分析系统。
  旋转机械动力学特征分析是压缩机、汽轮机设计中的一个重要方面,也是西安交通大学润滑理论及轴承研究所研究得比较全面的一个领域。从本文前面的分析可以看出,其实特征从某种角度来说就是OO(面向对象)技术中一个对象和属性。总体特征可以看作OO技术中的类(class),具体特征可以看作类的属性。特征是更多地是从几何和工程的角度来讨论,而类是从知识表达和编程的角度来讨论。所以,在OO技术发展和成熟的今天,特征的计算机实现离不开OO技术。下面提出的基于特征的系统其实也就是基于OO技术的系统。
  高速旋转机械的动力学性能分析一般包括转子—轴承系统(简称轴系)的稳定性计算,动力不平衡响应分析等。原始的分析程序都是用FORTRAN语言实现的,程序包数据的可读性都很差,根本达不到广泛应用的水平。目前在旋转机械领域动力学分析方面经典理论已经成熟,编制通用的应用系统的知识足够了。OO技术是编程语言应用越来越广泛的技术,在采用OO技术编制系统时必须基于特征的思想对系统进行详尽的分析。实现动力学分析系统的关键:一是实现良好的人机界面;二是用特征技术分析系统,用OO技术来实现;三是建立特征之间的联系与约束。
  对旋转机械动力学分析问题发现,可用结构特征、附属特征和性能特征等三大特征对系统的所有要素予以囊括。结构特征指对象的结构、尺寸、形貌等,附属特征指材料的密度、弹性模量以及轴承中所用的润滑油黏度等,而性能特征指对象的静、动特性。系统的输出主要是性能特征(如系统的特征值、振型等),而结构和附属特征为输入。如轴承可以用结构特征(形状、尺寸)、附属特征(入口油温、油黏度)和性能特征(静、动特性)来描述。同样,系统中的其他要素如密封、转子、基础等可以用同样的特征体系来描述。基于特征的动力学分析的系统的结构如图4所示。

图4 旋转机械动力特性分析特征模块

  OO技术中的关键思想是类和消息机制。旋转机械动力学分析中的要素可以建立在类的层次上,如支承、密封、转子、基础及其他要素等。另外需建立各类之间的联系,如支承在转子中的定位,密封的位置。其他要素类主要用于将来的扩充。结构特征、附属特征和性能特征作为要素类的属性。结构和附属特征主要体现在要素类的构造函数中,性能特征主要体现在类的输出中。
  这样,基于特征技术对系统进行分析,并用OO技术来实现,可以使得系统的层次非常清晰,基于特征的要素类之间既彼此独立又可以相互关联。要素类之间通过约束建立联系和消息、参数传递机制。
  由上分析可见,基于特征的思想建立旋转机械转子—轴承系统动力学分析系统相当灵活,利用类的封装机制可以容易实现良好的人机界面。基于特征的应用关键是对特征及其基于特征的类进行详细的分析,并建立特征及基于特征的类之间的关系和约束的详尽分析。

6 结束语

  本文讨论了特征的定义和特征的三种建模方法,特别是对特征的识别和基于特征的设计作了详细论述,分析了基于约束的产品设计过程。提出了基于特征的高速旋转机械的动力特性分析系统。
  系统是基于某一应用领域,具有特定意义的可表达的实体或抽象体。
  特征和OO技术是不同应用领域的同一表达思想,OO技术倾向于知识表达和编程,而特征倾向于产品的几何和性能建模,基于特征技术系统的程序实现离不开OO技术。

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