魏永樂， 晁彩霞

（遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧 阜新 123000）

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，CAD/CAM技術已經(jīng)在機械、建筑、電子等行業(yè)得到了廣泛的應用。CAD/CAM技術的應用，可以加快產(chǎn)品開發(fā)進程、提高生產(chǎn)效率、縮短開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)競爭力。而實現(xiàn)CAD/CAM集成的關鍵是建立一個包含產(chǎn)品全生命周期各階段信息的產(chǎn)品信息模型，而基于特征的產(chǎn)品信息模型除了包含產(chǎn)品的幾何信息外，還包含材料、精度等制造信息，可以更好地表達產(chǎn)品的設計技術和生產(chǎn)管理信息。所以，建立基于特征的產(chǎn)品信息模型被認為是實現(xiàn) CAD/CAM 集成的根本途徑。由于獨立開發(fā)一個基于特征的建模系統(tǒng)需要花費大量的時間和人力，因此，在現(xiàn)有 CAD系統(tǒng)基礎上研究特征建模是實現(xiàn)中小企業(yè)CAD/CAM集成的一條捷徑。

AutoCAD作為通用的CAD軟件以其功能強大、使用靈活、二次開發(fā)方便等優(yōu)點在機械、電子、建筑等領域得到了極為廣泛的應用?？紤]到AutoCAD系統(tǒng)在中小企業(yè)應用的廣泛性及其良好通用性和開放性，并且具有實體造型功能，本文將討論在AutoCAD系統(tǒng)平臺上，利用功能強大的ObjectARX開發(fā)工具和面向對象技術，實現(xiàn)特征建模的方法。

1 特征建模概述

特征是零件或產(chǎn)品在設計和制造中抽象出來的屬性、功能、關系和數(shù)據(jù)的集合[1]。

1.1 特征的分類

不同的應用領域，特征的抽象和分類方法有所不同。根據(jù)機械零件圖樣信息和加工工藝信息，可將特征分為以下幾種類型[2]：

（1）管理特征 與零件管理相關的信息集合，包括標題欄信息、材料等信息。

（2）技術特征 與零件的性能和技術要求等相關的信息集合。

（3）材料熱處理特征 與零件材料和熱處理相關的信息集合。

（4）精度特征 與零件精度相關的信息集合，如尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。

（5）形狀特征 與零件幾何形狀、尺寸相關的信息集合。

1.2 特征建模方法

特征建模方法主要有三種[3]。

（1）交互式特征定義 用戶首先建立幾何模型，然后交互拾取圖形，定義特征所需要的幾何要素及其參數(shù)。這種建模方法可靠易行，但是自動化程度低，容易產(chǎn)生人為的錯誤。

（2）特征識別 將零件的幾何模型與預先定義的特征進行匹配，從而確定特征的具體類型及其它信息。目前特征識別僅對簡單零件有效，且仍缺乏CAPP系統(tǒng)所需要的公差、材料等屬性。

（3）基于特征設計 從設計開始，特征就體現(xiàn)在零件模型中，并提供豐富的零件信息，便于與后續(xù)過程實現(xiàn)信息共享和集成。這種方法首先建立用戶定義的特征庫，將各種特征的定義都放在特征庫中，使用時從庫中調(diào)出，并給出它的尺寸、位置參數(shù)和各種非幾何信息，設計效率高。

1.3 零件特征信息模型

以特征來表示零件的方式即為零件的特征信息模型。為建立相對通用的零件信息模型，滿足不同應用的信息需求，可以將零件信息劃分為三層次結構來表達，分別是零件層、特征層和幾何層[2]，如圖1所示。特征層是零件模型的核心，它反映的是零件的所有特征單元信息及特征間關系信息，形狀特征模型是特征層最重要的子模型，可以用特征樹來描述；精度特征模型、材料特征模型從屬于形狀特征模型，而管理特征模型和技術特征模型及形狀特征模型直接從屬于零件特征模型。幾何層則反映了CAD系統(tǒng)的底層幾何/拓撲信息，是整個模型的基礎。

圖1 基于特征的零件信息模型

2 特征信息模型的建立

在零件特征信息模型的各類特征中，管理特征和技術特征較為簡單不必詳述，而形狀特征是建模系統(tǒng)中最重要、最關鍵的特征。它是零件特征信息模型中表達信息的基本單元，不僅包括了設計階段的幾何信息，還包括了后續(xù)的CAPP、CAM 所需要的工藝信息和制造信息。在整個CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)中，形狀特征是信息的載體，貫穿產(chǎn)品開發(fā)的始終，是零件特征信息模型的核心。

本文建立形狀特征庫時，采用了C++語言面向對象的開發(fā)機制，定義了一個基特征類，用于定義和存儲所有形狀特征的公共屬性和方法，所有形狀特征類均由基特征類派生而來，如圖2所示。進行基于特征的設計時，用戶只需要從形狀特征庫中提取所需的特征進行實例化即可。基特征類的數(shù)據(jù)結構如下[4-5]：

圖2 特征的關系與結構

class CFeature:public AcDbObject

{ public: //各種形狀特征公共的方法

ACRX_DECLARE_MEMBERS(CFeature);

CFeature();

Acad::ErrorStatus SetFeatID(char*); //設置ID……

//對象信息寫入圖形數(shù)據(jù)庫及從中讀出

virtual Acad::ErrorStatus dwgInFields(AcDbDwgFiler*);

virtual Acad::ErrorStatus dwgOutFields(AcDbDwgFiler*);

protected: //各種形狀特征公共的屬性

char* m_FeatClass; //特征類名

char* m_FeatID; //特征ID

char* m_ParentID; //父特征ID

char* m_ChildID; //子特征ID

AcGePoint3d m_LocaPoint; //特征定位點

//定形和定位尺寸公差

CShapDimeTole* m_ShapDimeTole;

CPosiDimeTole* m_PosiDimeTole;

CRoughness* m_Roughness; //表面粗糙度

CMateHeat* m_MateHeat; //局部熱處理

……

};

由基特征的數(shù)據(jù)結構可知，基特征是由ObjectARX開發(fā)工具中的AcDbObject類派生而來的，特征對象所包含的信息可以作為AcDbObject類的對象通過調(diào)用 dwgInFields(AcDbDwgFiler*)函數(shù)存入AutoCAD的圖形數(shù)據(jù)庫，并通過調(diào)用 dwgOutFields(AcDbDwgFiler*)函數(shù)從圖形數(shù)據(jù)庫中取出。基特征定義了各種形狀特征的公共屬性（如特征類名、特征 ID等）及其非幾何信息（尺寸公差、表面粗糙度、熱處理等），而特征的幾何信息則在具體特征的數(shù)據(jù)結構中進行定義，例如圓孔特征、柱形沉頭孔特征的數(shù)據(jù)結構定義如下：

class CHole:public CFeature //圓孔特征

{ public:

CHole(); //類的構造函數(shù)

……//設置和獲得對象屬性的方法

protected: //圓孔幾何信息

double m_HoleDiameter; //孔直徑

double m_HoleDepth; //孔深度

double m_TipAngle; //孔底角

AcBrFace* m_Placement; //孔放置面

};

class CCounBore:public CHole{//柱形沉頭孔特征

{ public:

CCounBore(); //類的構造函數(shù)

……//設置和獲得對象屬性的方法

BOOL Validity(); //參數(shù)有效性檢驗

BOOL Create(); //創(chuàng)建實體

BOOL UpDateExteDB(); //更新外部數(shù)據(jù)庫

protected: //柱形沉頭孔幾何信息

double m_BoreDiameter; //沉頭直徑

double m_BoreDepth; //沉頭深度

};

由圓孔特征和柱形沉頭孔特征的數(shù)據(jù)結構可知，圓孔特征是由基特征派生而來的，柱形沉頭孔特征是由圓孔特征派生而來的，故柱形沉頭孔特征可以繼承圓孔特征和基特征的屬性和方法，提高了代碼的利用率，加快了程序的開發(fā)進程。形狀特征庫中的其它形狀特征亦是如此。

3 特征的生成過程

特征的生成過程如圖3所示，其主要步驟主要包括[6]：

圖3 特征生成過程

（1）選取特征放置面

圓孔特征、凸臺特征等一般都是附著于某個表面的，因此創(chuàng)建此類特征時必須要選取特征的附著表面，而對于圓柱特征、拉伸特征等可以創(chuàng)建零件模型的基體，故可以不選取放置表面。

（2）特征參數(shù)輸入

特征參數(shù)的輸入包括特征的幾何屬性（尺寸、位置等）和非幾何屬性（尺寸公差、表面粗糙度等）。為了方便用戶輸入特征參數(shù)，利用ObjectARX 中的MFC類庫提供的對話框設計功能，設計出的用戶操作界面均為流行的Windows風格對話框，與AutoCAD系統(tǒng)界面保持了良好的一致性[3]。幾何屬性在創(chuàng)建特征時由用戶直接輸入，非幾何屬性可以在創(chuàng)建特征時輸入，也可以在建立零件實體模型后，通過特征樹輸入，如圖9和圖10所示。

（3）幾何參數(shù)有效性檢驗

在創(chuàng)建特征實體之前，檢驗特征的幾何參數(shù)是否有效是必須要進行的工作，因為無效的幾何參數(shù)將會無法創(chuàng)建實體。特征幾何參數(shù)的有效性檢驗定義成了特征類的一個函數(shù)Validity()，在創(chuàng)建特征實體之前首先要調(diào)用該函數(shù)進行幾何參數(shù)的有效性檢驗，若幾何參數(shù)有效則創(chuàng)建實體，否則要求用戶重新輸入幾何參數(shù)。

以柱形沉頭孔（圖9所示）為例，幾何參數(shù)有效的條件為：

· 孔直徑D＞0；

· 孔直徑D＜沉頭直徑D1；

· 孔深度H＞沉頭深度H1；

· 沉頭深度H1＞0；

· 孔底角α ≤180°。

（4）特征定位

特征定位點的確定主要采用了三種方法：

· 直接輸入定位點 該方法比較簡單，用戶直接輸入定位點的X、Y、Z坐標即可。

· 圓心定位 指用戶在特征的放置面上選取圓或圓弧，然后計算出圓或圓弧的圓心，將圓心坐標作為特征的定位點坐標。當特征的放置面是圓形平面或放置面的邊界包含有圓弧時，在很多情況下圓或圓弧的圓心就是特征的定位點，如圖4所示表示在圓柱體的上端面上鉆一個直孔，上端面的圓心即為直孔的定位點，采用圓心定位可以簡單、方便的獲得特征的定位點。

圖4 圓心定位

圓心定位方法確定定位點的步驟如下：

第一步 利用構造選擇集函數(shù)，在特征的放置面上選取圓或者圓??；

第二步 利用AcBr類庫和AcGe類庫提供的遍歷實體的方法，獲得所選取的圓或圓弧的圓心坐標；

第三步 將圓心坐標值賦予特征的定位點。

· 兩參考邊定位 指用戶在特征的放置面上選取兩條直線或基準線，分別輸入定位點距這兩條直線的距離，然后計算出定位點坐標值，如圖5所示。

兩參考邊定位方法確定定位點的步驟如下：

第一步 利用構造選擇集函數(shù)，在特征放置面內(nèi)選取兩條參考邊，然后分別輸入特征定位點與兩條參考邊的距離；

第二步 利用AcBr類庫和AcGe類庫提供的遍歷實體的方法，獲得第一條參考邊的方向V1和邊上的點Pe1，然后由V1和Pe1創(chuàng)建直線對象L1；

第三步 創(chuàng)建另一直線對象L2，使L2過方位點（選擇放置面時，在放置面上選取的一點），L2的矢量方向為L1的正交矢量；

第四步 對L1和L2求交，得到交點P0，由P0和方位點確定方向矢量Vect；

第五步 由P0，d1和矢量Vect，求出距第一條參考邊距離為 d1的點 P1，即P1=P0+d1*Vect，再由V1和P1創(chuàng)建平行與第一條參考邊的直線Line1；

第六步 同理，根據(jù)方位點和第二條參考邊及d2確定平行與第二條參考邊的直線Line2；

第七步 求出Line1和Line2的交點，并將交點坐標值賦予特征的定位點。

圖5 兩參考邊定位

（5）特征實體生成

特征實體的生成首先是采用AutoCAD系統(tǒng)的三維造型方法創(chuàng)建實體，之后利用坐標變換方法將實體變換到定位點，并進行相關布爾運算。

1）創(chuàng)建特征實體

AutoCAD系統(tǒng)創(chuàng)建實體的方法有：創(chuàng)建基本實體、創(chuàng)建拉伸實體、創(chuàng)建旋轉實體以及創(chuàng)建掃描實體。在ObjectARX二次開發(fā)工具中也提供相應的函數(shù)用來生成相應實體。下面分別介紹應用ObjectARX中的函數(shù)來創(chuàng)建特征實體的過程。

· 創(chuàng)建基本實體 包括長方體、圓柱體、圓錐/圓臺體、球體、楔體和圓環(huán)體六種基本體素，用于創(chuàng)建零件模型中的基本實體?；緦嶓w的創(chuàng)建比較簡單，直接調(diào)用創(chuàng)建基本實體的函數(shù)，輸入相應的參數(shù)即可，其生成過程如下：首先調(diào)用要創(chuàng)建的基本實體的對話框，輸入相應的幾何參數(shù)，然后調(diào)用 ObjectARX中提供的 createBox()（長方體）、createFrustum()（圓柱體、圓錐/圓臺體）、createSphere()（球體）、createWedge()（楔體）和 createTorus()（圓環(huán)體）等函數(shù)，即可生成質心在WCS坐標原點的基本體素，如圖6(a)所示。

· 創(chuàng)建拉伸實體 是將二維面域按指定高度和撥模角度進行拉伸而生成的，用于創(chuàng)建零件模型的拉伸特征，如槽、凹陷和凸臺等特征。其生成過程是：首先，根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán)，組成環(huán)的曲線必須是由 AcDbCurve類派生而來的曲線類型，如AcDbLine、AcDbArc、AcDbPolyline等；然后，調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域；最后，調(diào)用拉伸函數(shù)extrude()生成拉伸實體，如圖6(b)所示。

· 創(chuàng)建旋轉實體 是將二維面域繞指定軸旋轉而生成的，用于創(chuàng)建零件模型的旋轉特征，如孔、圓形凹陷和圓形凸臺等特征實體。其生成過程是：首先，根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán)，組成環(huán)的曲線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型；然后，調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域；最后，調(diào)用旋轉函數(shù)revolve()生成旋轉實體，如圖6(c)所示。

· 創(chuàng)建掃描實體 是將二維封閉環(huán)沿指定路徑掃描而生成的，用于創(chuàng)建零件模型的掃描轉特征。其生成過程是：第一步，根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán)，組成環(huán)的曲線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型；第二步，調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域；第三步，選擇掃描導線，導線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型；第四步，調(diào)用掃描函數(shù)extrudeAlongPath()生成掃描實體，如圖6(d)所示。

圖6 創(chuàng)建特征實體的方法

2）特征實體的坐標變換

零件是各個特征實體之間通過布爾運算生成的。在生成基本特征實體（長方體、圓柱體等）以及拉伸、旋轉和掃描特征實體時，可以控制其不與其它實體進行布爾運算（若需要與其它實體進行布爾運算，則可以在創(chuàng)建特征實體后使用AutoCAD系統(tǒng)的 UNION、SUBTRACT、INTERSECT命令）；在生成孔、槽和凹陷等特征實體時，需要控制其與零件基體進行布爾減運算；在生成凸臺等特征實體時，需要控制其與零件基體進行布爾加運算；這樣就可以在零件基體上創(chuàng)建出所需要的特征，最終生成零件模型。但是，在利用ObjectARX提供的函數(shù)創(chuàng)建的特征實體之后，多數(shù)情況下還需要根據(jù)輸入的特征定位點進行適當?shù)淖鴺俗儞Q，將其轉換到合適的位置才能與主實體進行布爾運算。例如，長方體、圓柱體等基本實體利用函數(shù)創(chuàng)建后都是質心在WCS坐標系原點的實體，圓孔特征、槽特征等實體利用函數(shù)創(chuàng)建后也都是定位點在WCS坐標原點的實體，所以，創(chuàng)建特征實體之后首先要進行適當?shù)淖鴺宿D換，然后再與主實體進行布爾運算，從而生成所需要的特征，如圖7所示。

進行坐標變換的步驟如下：

第一步 根據(jù)特征實體的定位點和參考邊確定的新坐標系的原點和X、Y、Z軸的方向；

第二步 根據(jù)新坐標系的原點和坐標軸的方向，調(diào)用函數(shù) setCoordSystem()設置三維幾何變換矩陣；

第三步 調(diào)用實體的坐標變換函數(shù)transformBy()，將特征實體變換到合適的位置。

圖7 特征實體的坐標變換

（6）特征存儲

特征對象生成之后幾何信息與非幾何信息已存入相應變量之中，還需將其存入 AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫（dwg文件），以便永久存儲。

根據(jù)AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫的存儲機制，特征對象存入圖形數(shù)據(jù)庫的關鍵代碼如下（代碼中變量m_Feature為特征對象的指針）：

acdbHostApplicationServices()->workingDatabase()->getNamedObjectsDictionary(pNamedobj,AcDb::kForWrite); //以寫方式打開命名對象詞典//查找形狀特征庫詞典（關鍵字為PSFDB）if(pNamedobj->getAt("PSFDB",(AcDbObject*&)pDict,AcDb::kForWrite)==Acad::eKeyNotFound)

{ //若不存在，創(chuàng)建形狀特征詞典

pDict =new AcDbDictionary;

AcDbObjectId DictId;

pNamedobj->setAt("PSFDB", pDict, DictId);}pNamedobj->close();

if(pDict) //若存在以寫方式打開

{ CFeature* p=new CFeature;

if(pDict->getAt(m_FeatID,(AcDbObject*&)p,AcDb::kForWrite)==Acad::eOk)//查找該特征 ID是否已經(jīng)存在

{//若已存在，提示用戶重新輸入特征ID

MessageBox("該特征標識已存在，請重新輸入特征ID！");

p->close();

pDict->close();

m_Feature->close();

return; }

p->close();

//若不存在，創(chuàng)建特征實體，然后將特征對象存入數(shù)據(jù)庫

if(!m_Feature->Create()) //創(chuàng)建特征實體

{ pDict->close(); //關閉特征詞典

m_Feature->close(); //關閉特征對象

return; }

AcDbObjectId Id;

if(pDict->setAt(m_FeatID,

m_Feature,Id)!=Acad::eOk)

MessageBox("寫入圖形數(shù)據(jù)庫失?。?);

pDict->close();//關閉特征詞典

}

m_Feature->close();//關閉特征對象

特征對象存儲之后，如果需要提取某特征對象的信息，可以以“讀”方式打開“形狀特征庫詞典”，利用該特征對象的“特征ID”即可提取出相關信息。

4 應用實例

以齒輪泵泵體零件為例，建立零件特征信息模型。首先分析泵體零件包含的特征類型，如圖8所示，然后根據(jù)這些特征類型建立零件特征信息模型。

圖8 泵體

（1）利用掃描特征創(chuàng)建泵體的基體部分。首先利用AutoCAD二維繪圖功能繪制泵體截面輪廓線及導線，然后采用掃描特征，創(chuàng)建基體。

（2）利用拉伸特征創(chuàng)建泵體的側面凸臺。首先在基體側面建立基準面，并在其上繪制側面凸臺輪廓線，然后采用拉伸特征，創(chuàng)建凸臺。

（3）利用柱形沉頭孔特征和凹陷特征創(chuàng)建泵體的內(nèi)腔，如圖9所示。

圖9 創(chuàng)建沉頭孔特征

（4）利用圓孔特征創(chuàng)建進油孔、出油孔和定位孔等。

（5）利用特征樹輸入泵體各種特征的非幾何屬性，得到齒輪泵泵體的特征信息模型，如圖10所示。

圖10 輸入特征非幾何屬性

5 結 論

本文首先簡要地介紹了特征的概念、分類以及特征建模方法，然后根據(jù)特征建模的基本理論，詳細闡述了借助功能強大的ObjectARX開發(fā)工具和面向對象的設計方法，在AutoCAD系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)基于特征建模的方法與步驟。利用該方法可以快速、簡單、高效的創(chuàng)建特征，而且可以方便地輸入特征的幾何信息與非幾何信息，可以為后續(xù)制造過程提供了豐富的信息，便于CAD與后續(xù)的CAPP和CAM集成，實踐證明利用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的實體造型功能，實現(xiàn)基于特征的建模是中小企業(yè)實施 CAD/CAM 集成的一種簡單而有效的方法。

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