計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)從上世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展至今。由原來(lái)以取代人手畫(huà)圖的兩維CAD技術(shù)，到基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模技術(shù)，已經(jīng)不再單純是為了要建立產(chǎn)品的實(shí)體模型，而是協(xié)助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出更好產(chǎn)品的使能技術(shù)。過(guò)去，使用兩維或三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的目的是為了產(chǎn)生工程圖樣，或是為了加工而建模。著眼點(diǎn)都放在工具所產(chǎn)生的結(jié)果（模型或工程圖樣）而并沒(méi)有注意到使用這些工具的過(guò)程。今天，三維實(shí)體建模系統(tǒng)已經(jīng)成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員的主要設(shè)計(jì)手段，是設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的重要工具。

    產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在使用三維實(shí)體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中不斷蛻變成長(zhǎng)，最終成為完整的設(shè)計(jì)。換句話說(shuō)，使用的設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)過(guò)程已經(jīng)融為一體。當(dāng)中有幾項(xiàng)特別重要的使能技術(shù)，其一是實(shí)體模型的無(wú)異義性，能準(zhǔn)確和可靠地描述產(chǎn)品的立體幾何形狀。其二是實(shí)體模型的可視化程度高，設(shè)計(jì)人員可以非常直觀地觀察及審視設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品模型。其三就是互動(dòng)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員可隨時(shí)拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及修改模型。在沒(méi)有三維實(shí)體模型可觀察和審視，又或者在模型難于互動(dòng)和修改的條件下，設(shè)計(jì)人員只能憑經(jīng)驗(yàn)及想象來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。可視化程度高兼互動(dòng)性強(qiáng)的三維實(shí)體設(shè)計(jì)系統(tǒng)使得實(shí)時(shí)建模變得可行。這種實(shí)時(shí)交互式的建模過(guò)程改變了設(shè)計(jì)人員傳統(tǒng)的『想好了才畫(huà)』的設(shè)計(jì)方法，使得產(chǎn)品建模過(guò)程變得更為互動(dòng)，達(dá)到『邊思考邊建?！坏脑O(shè)計(jì)方法。這種『邊思考邊建模』模式讓設(shè)計(jì)人員做出更多“如果這樣，會(huì)怎樣？”的嘗試，對(duì)設(shè)計(jì)做出更全面的考慮，從而達(dá)致更好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。實(shí)體建模的優(yōu)點(diǎn)毋容置疑。直接在三維的環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)是大勢(shì)所趨，是企業(yè)走向數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造的必經(jīng)之路。是企業(yè)提高自主創(chuàng)新能力的重要手段。

    基于歷史的特征建模系統(tǒng)

    目前，主流的參數(shù)化特征三維建模系統(tǒng)都是基于歷史的。設(shè)計(jì)歷史實(shí)質(zhì)上是一種單向的特征依賴(lài)關(guān)系，即建模前期生成的特征決定建模后期生成的特征的形狀和位置3。設(shè)計(jì)歷史的作用主要是為在參數(shù)化實(shí)體建模系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)意圖提供可修改的機(jī)制。參數(shù)化實(shí)體建模系統(tǒng)可以建立全相關(guān)的三維實(shí)體模型。正如裝配體是由許多單獨(dú)的零件組成一樣，基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模系統(tǒng)中的零件模型是由許多單獨(dú)的元素組成的，這些元素被稱(chēng)為特征。特征一般可分為草圖特征和應(yīng)用特征。
- 草圖特征：基于二維草圖的特征，通常該草圖可以通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描或放樣轉(zhuǎn)換為實(shí)體。
- 應(yīng)用特征：直接創(chuàng)建在實(shí)體模型上的特征。例如圓角、倒角和拔模斜度等就是這種類(lèi)型的特征。

    所謂參數(shù)化即用于創(chuàng)建特征的尺寸與關(guān)系可以被記錄并存于設(shè)計(jì)模型中。這不僅可使模型充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖，而且還能夠快速而容易地修改模型。關(guān)于模型被改后如何表現(xiàn)的計(jì)劃稱(chēng)為設(shè)計(jì)意圖。例如，設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建成了一個(gè)含有盲孔的凸臺(tái)，當(dāng)凸臺(tái)移動(dòng)時(shí)，盲孔也應(yīng)該隨之移動(dòng)。同樣，如果設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建了有6個(gè)等距孔的圓周陣列，當(dāng)把孔的數(shù)目改為8個(gè)后，孔之間的角度也應(yīng)該能夠自動(dòng)改變。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用什么方法來(lái)建立模型，決定于設(shè)計(jì)人員將如何體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，以及體現(xiàn)什么類(lèi)型的設(shè)計(jì)意圖。

    設(shè)計(jì)歷史記錄了創(chuàng)建模型的特征順序，即模型的特征結(jié)構(gòu)。參數(shù)化實(shí)體建模系統(tǒng)一般通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)為“設(shè)計(jì)樹(shù)”或者“特征樹(shù)”的界面顯示模型的特征結(jié)構(gòu)。“特征樹(shù)”不僅可以顯示特征創(chuàng)建的順序，而且還可以得到特征的相關(guān)信息和對(duì)特征進(jìn)行操作。圖一所示為一個(gè)由多個(gè)特征組成的零件。圖中顯示了這些特征與它們?cè)?#8220;特征樹(shù)”列表中的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    圖一：特征樹(shù)與特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

    三維設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

    實(shí)體建模的優(yōu)點(diǎn)毋容置疑。要充份發(fā)揮參變數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)人員需要花時(shí)間學(xué)習(xí)和掌握實(shí)體建模系統(tǒng)。事實(shí)上，過(guò)去的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，難學(xué)難用，設(shè)計(jì)人員往往消耗大部分時(shí)間在思考能否及如何建模。今天的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)大有進(jìn)步，但設(shè)計(jì)人員仍然花上一半的時(shí)間在使用設(shè)計(jì)系統(tǒng)上。未來(lái)的系統(tǒng)應(yīng)該更具人性化，更易于使用和更便于交流。工程師及設(shè)計(jì)人員可以花絕大部分時(shí)間在思考產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工程等問(wèn)題，而不是忙于學(xué)習(xí)及忖摸如何使用設(shè)計(jì)工具。圖二所示為設(shè)計(jì)人員在過(guò)去，現(xiàn)在及未來(lái)花在使用三維設(shè)計(jì)工具及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的時(shí)間比例。

  圖二：設(shè)計(jì)人員花在進(jìn)行設(shè)計(jì)與思考使用CAD的時(shí)間比例

   設(shè)計(jì)歷史的引入為在參數(shù)化特征三維建模系統(tǒng)中維護(hù)設(shè)計(jì)意圖提供了便利，但同時(shí)也帶來(lái)一定的不便。為了有效地使用基于歷史的參數(shù)化特征建模系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者必須在建模之前考慮好設(shè)計(jì)意圖。設(shè)計(jì)意圖是關(guān)于模型被修改后如何表現(xiàn)的計(jì)劃，模型創(chuàng)建的方式?jīng)Q定它將怎樣被修改，不同的建模方式會(huì)影響到設(shè)計(jì)的可修改性。

    目前，絕大多數(shù)使用基于歷史的三維CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員仍然花上不少時(shí)間在處理一些與設(shè)計(jì)沒(méi)有直接關(guān)系的建模問(wèn)題上，包括：
   
    - 倒角和圓角特征的特殊應(yīng)用技巧；

    - 鑄件和注塑件拔模面的特征次序重排；

    - 添加和管理草圖與裝配體的約束關(guān)系。

    在進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)除了要考慮草圖尺寸標(biāo)注及特征的選擇外，建模的方式以及建模的先后次序也非常重要。如前面所述，很多商用CAD系統(tǒng)都采用一種樹(shù)結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式來(lái)顯示建模的特征歷史。由于改變特征的先后次序會(huì)改變模型的形狀，新的特征必須添加在模型特征樹(shù)的適當(dāng)位置上，才能達(dá)到理想中的結(jié)果。不正確添加或修改特征會(huì)使得模型錯(cuò)誤地改變甚至?xí)?dǎo)致部分特征失效。直到目前為止，設(shè)計(jì)人員需要接受專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)和掌握相當(dāng)?shù)慕＜记珊徒?jīng)驗(yàn)，才懂得在那里及如何添加新特征和對(duì)現(xiàn)有特征實(shí)施改變。

    智能特征技術(shù)

    智能特征技術(shù)(SWIFT)是一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，可以消除大量在建模及設(shè)計(jì)變更時(shí)所需要的手工勞動(dòng)。智能特征技術(shù)能自動(dòng)整理和排列應(yīng)用特征的順序，讓設(shè)計(jì)人員可以專(zhuān)注產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作而非設(shè)計(jì)工具本身，盡可能減低使用三維CAD軟件的成本。所謂“使用三維CAD軟件的成本”即工程師花在思考如何使用三維CAD軟件而并非在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間。目前，絕大部分的企業(yè)都面臨并意識(shí)到同樣的挑戰(zhàn) – 快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量以及降低生產(chǎn)成本。設(shè)計(jì)人員花在思考如何使用三維設(shè)計(jì)工具的時(shí)間越長(zhǎng)，則專(zhuān)注在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間就越短，使用三維CAD軟件的成本，即設(shè)計(jì)成本就越高。智能特征技術(shù)讓新手能快速地掌握三維設(shè)計(jì)技巧，提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，大大的降低設(shè)計(jì)成本。下面將具體說(shuō)明智能特征技術(shù)如何提高設(shè)計(jì)人員的生產(chǎn)力。

    圓角

    基于多種的原因，可能是為了減低應(yīng)力，又或者是防止刮痕或增強(qiáng)美感，設(shè)計(jì)人員很多時(shí)需要在模型的銳邊上倒圓角。驟眼看去，倒圓角應(yīng)該是非常簡(jiǎn)單而直截了當(dāng)?shù)墓ぷ?，事?shí)卻不是這樣。以圖三中的零件為例。假如我們要對(duì)零件上所有的邊線倒出2mm的圓角，利用手工逐一選取而又不漏掉任何一條邊線的方法顯然是非常麻煩和費(fèi)時(shí)，并不可取。所以，設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)采用大部分三維CAD系統(tǒng)都有提供的框選方法，一次性選取所有邊線，再執(zhí)行圓角的指令。但這方法也不是每一次都能成功，因?yàn)橄駡D三這樣一個(gè)包含了那么多邊線的零件很難以單一的圓角指令來(lái)直接完成。如果強(qiáng)行要求CAD系統(tǒng)對(duì)所有邊線進(jìn)行一次性的倒圓角操作，系統(tǒng)一般都會(huì)報(bào)錯(cuò)，又或者只能完成部分任務(wù)。如圖四所示。這時(shí)候，設(shè)計(jì)人員只好從頭開(kāi)始，以小組的形式選取邊線，一組一組的進(jìn)行倒圓角的操作。即使如此，對(duì)邊線小組的指令也往往在沒(méi)有明顯的理由下出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)的情形而無(wú)法完成。設(shè)計(jì)人員只好再選取別的邊線組，繼續(xù)嘗試，直到完成所有圓角工作為止。這種人工的倒圓角迭代過(guò)程，即使對(duì)經(jīng)驗(yàn)比較豐富的資深設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，往往也要花費(fèi)好幾個(gè)小時(shí)或者更多的時(shí)間。遇上更復(fù)雜的模型，經(jīng)驗(yàn)相對(duì)比較淺或者是剛遷移到三維設(shè)計(jì)環(huán)境的設(shè)計(jì)人員，甚至要耗上數(shù)天的時(shí)間才能完成這項(xiàng)看似簡(jiǎn)單的倒圓角工作。

圖三：有315條邊線的零件

圖四：對(duì)所有邊線進(jìn)行圓角操作時(shí)，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)

 
    利用智能特征技術(shù)就可以很輕松的解決上述倒圓角問(wèn)題。智能特征技術(shù)的特征專(zhuān)家能處理產(chǎn)生圓角特征時(shí)所遇到的問(wèn)題。當(dāng)圓角指令出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)時(shí)，特征專(zhuān)家會(huì)將圓角特征分成若干小組，按可以產(chǎn)生特征的順序自動(dòng)排列，形成特征歷史結(jié)構(gòu)樹(shù)。當(dāng)設(shè)計(jì)人員加入或改變因重新計(jì)算而可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的圓角特征時(shí)，特征專(zhuān)家會(huì)自動(dòng)修正錯(cuò)誤。有了特征專(zhuān)家，設(shè)計(jì)人員再也不必為模型中圓角的生成順序費(fèi)盡心思?，F(xiàn)在，只需框選零件中的所有邊線，再執(zhí)行圓角指令。特征專(zhuān)家會(huì)確定如何最好地生成圓角，邊線分組和特征排序等繁復(fù)迭代過(guò)程完全在系統(tǒng)的后臺(tái)進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員只需通過(guò)單一操作就可得出結(jié)果而不必?fù)?dān)心特征生成的順序。以圖三這個(gè)零件為例，特征專(zhuān)家會(huì)將315條邊線分成4個(gè)圓角特征組，在數(shù)分鐘內(nèi)就可以自動(dòng)完成整個(gè)倒圓角任務(wù)，而無(wú)需任何的人手干預(yù)。結(jié)果如圖五所示。

   有的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員未必要求所有圓角都有著同一圓角半徑，又或者需要留下若干邊線不作圓角，如圖五零件的底座部分。要達(dá)到以上目的，傳統(tǒng)的三維CAD系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)人員修改或編輯現(xiàn)有的圓角特征，或者刪除邊線上多余的圓角。這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)人員便需要更改設(shè)計(jì)歷史的內(nèi)容或次序。在很多的情況下，這些改變會(huì)導(dǎo)致原來(lái)的圓角失效，設(shè)計(jì)人員只好重新整理現(xiàn)有的特征。一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)變更往往為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大的麻煩，又重回到前面所描述的人工迭代過(guò)程，浪費(fèi)很多寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間。

    圖六所示為利用智能特征技術(shù)來(lái)處理復(fù)雜的圓角產(chǎn)生先后次序問(wèn)題。傳統(tǒng)的CAD倒圓角方法往往無(wú)法在單一指令下完成如此復(fù)雜的多邊線相互交叉圓角。即使能完成，也要花費(fèi)很多時(shí)間。要修改還須從頭再來(lái)。相反地，智能特征技術(shù)允許設(shè)計(jì)人員修改或刪除個(gè)別的圓角特征而毋須改變其它特征。萬(wàn)一在修改或刪除的過(guò)程中導(dǎo)致其它的特征失效，特征專(zhuān)家會(huì)自動(dòng)修復(fù)受到影響的特征而無(wú)須設(shè)計(jì)人員的干預(yù)。

圖五：智能特征技術(shù)能在單次操作形成315條邊線的圓角特征

圖六：智能特征技術(shù)能自動(dòng)處理復(fù)雜的圓角生成先后順序問(wèn)題

    另一種在基于歷史的參數(shù)化特征三維建模系統(tǒng)中常見(jiàn)的問(wèn)題就是特征與特征間的單向依賴(lài)關(guān)系。 理想的規(guī)范化建模方法應(yīng)該將主要的零件特征關(guān)聯(lián)起來(lái)，而又獨(dú)立于圓角、倒角之類(lèi)的局部特征外。因此，富經(jīng)驗(yàn)的三維設(shè)計(jì)人員都知道應(yīng)該將倒圓角留在后面，作為模型建模的最后一道工序。目的是確保別的特征不會(huì)對(duì)圓角產(chǎn)生依賴(lài)關(guān)系（也稱(chēng)為兒子關(guān)系）。但是，在實(shí)際的建模過(guò)程中，由于前面所述的問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員都不想等到模型建模完成后才進(jìn)行倒圓角。往往是一邊建模一邊倒圓角。圖七所示為附有多個(gè)依賴(lài)特征的圓角特征。這種做法使得后續(xù)的特征或多或少都會(huì)與圓角等局部特征形成單向的依賴(lài)關(guān)系，使得日后對(duì)模型的修改變得困難。令原來(lái)功能強(qiáng)大的參數(shù)化特征三維建模方法難以發(fā)揮應(yīng)有的功效。

    智能特征技術(shù)的特征專(zhuān)家能自動(dòng)判別和處理圓角與其它特征的相互關(guān)系。當(dāng)特征專(zhuān)家處理圓角時(shí)發(fā)現(xiàn)已有或?qū)?huì)有其它特征依賴(lài)該圓角特征時(shí)，特征專(zhuān)家會(huì)嘗試打斷這些依賴(lài)關(guān)系而建立更便于修改的模型特征樹(shù)。圖八所示為特征專(zhuān)家為圖七模型建立新的特征樹(shù)，可以看到再也沒(méi)有其它特征依賴(lài)于原來(lái)的圓角特征。結(jié)果是實(shí)體模型更便于修改和更新、能更好地被重復(fù)使用。

圖七：多個(gè)子特征依賴(lài)于圓角特征

圖八：其它特征獨(dú)立于圓角特征

    拔模

    對(duì)于注塑件或者是鑄件而言，設(shè)計(jì)人員都知道在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該盡可能避免產(chǎn)生與拔模方向平行的面。這是由于當(dāng)模具沿著拔模方向打開(kāi)時(shí)，這些與拔模方向平行的面會(huì)將模具鎖死甚至破壞零件。要防止在開(kāi)模時(shí)鎖死模具，設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)對(duì)某一組面（拔模面）施加一個(gè)小斜度，即所謂的拔模斜度。目前，大部分的三維CAD軟件都提供拔模特征功能，讓設(shè)計(jì)人員在完成主要的特征后，對(duì)某些面添加拔模斜度。這種做法主要是由于對(duì)整體模型施加拔模特征會(huì)比在產(chǎn)生單個(gè)特征時(shí)同時(shí)產(chǎn)生拔模特征來(lái)得容易。

    但是，拔模特征與前面的圓角特征有著同樣的問(wèn)題。那就是拔模特征的形成需要與很多周邊的面或者特征產(chǎn)生互動(dòng)，很多時(shí)候這些互動(dòng)會(huì)引起特征之間的沖突，當(dāng)沖突無(wú)法解決時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致拔模特征失敗又或者產(chǎn)生出不符合設(shè)計(jì)人員要求的模型。因此，有經(jīng)驗(yàn)的三維設(shè)計(jì)人員都知道應(yīng)該將拔模特征放在主特征之后，而又在圓角特征之前。這種要求使得拔模特征在操作上變得復(fù)雜，難以實(shí)施。

    圖九中所示為兩塊上下重疊的方塊。一般來(lái)說(shuō)，若要對(duì)所有垂直面添加拔模斜度，應(yīng)該先拔模，再倒圓角。如果直接對(duì)圖九中的模型進(jìn)行拔模操作，幾乎所有基于歷史的特征三維建模系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)而不能完成該指令。原因是由于拔模特征會(huì)影響到周邊的其它特征，包括圓角特征。在這個(gè)例子中，新增的拔模特征會(huì)影響到部分的圓角特征無(wú)法與原來(lái)相切的面保持相切而導(dǎo)致失效，因此系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。有部分系統(tǒng)就算能勉強(qiáng)完成任務(wù)，所生成的模型也并非設(shè)計(jì)人員想要的理想結(jié)果。圖十所示為由圖九模型直接添加拔模特征，原來(lái)的圓角特征出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象，并不符合設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖。

圖九：對(duì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單零件添加拔模特征也需要將現(xiàn)有的特征重組

圖十：有的軟件在圓角特征后生成的拔模特征會(huì)導(dǎo)致模型出現(xiàn)過(guò)切情況

    在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員往往忘記了在倒圓角前先進(jìn)行拔模的操作。又或者是由于制造的要求而需要對(duì)已完成的設(shè)計(jì)再添加拔模斜度。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員只好退回到“特征樹(shù)”中還沒(méi)有產(chǎn)生圓角特征的狀態(tài)，再加入拔模特征。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的模型（如圖九中的模型），這種操作還不算困難，可是遇上更復(fù)雜的模型，就會(huì)變成對(duì)設(shè)計(jì)人員的重大挑戰(zhàn)。

    智能特征技術(shù)的特征專(zhuān)家能自動(dòng)判別并將拔模特征放置在圓角特征或其它會(huì)導(dǎo)致拔模失敗的特征的前面--即使拔模斜度是設(shè)計(jì)完成以后才需要添加的一個(gè)特征。這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)人員就可以專(zhuān)注設(shè)計(jì)而不必浪費(fèi)時(shí)間在那些令人沮喪的拔模和圓角迭代嘗試。圖十一所示為利用智能特征技術(shù)對(duì)圖九中的模型添加拔模特征。特征專(zhuān)家會(huì)自動(dòng)找出模型中與拔模特征有關(guān)聯(lián)的圓角特征，將拔模特征加入在這些圓角特征前面。圖十二為添加拔模特征前后的特征樹(shù)結(jié)構(gòu)，能看到拔模特征被加入在原來(lái)圓角特征之前。

圖十一：智能特征技術(shù)自動(dòng)產(chǎn)生拔模特征

圖十二：拔模加入在原來(lái)圓角特征之前

  草圖

    二維草圖是創(chuàng)建三維模型的基礎(chǔ)。很多時(shí)候，三維模型都是首先在二維環(huán)境建立草圖特征，再通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等三維手段形成實(shí)體模型。一般來(lái)說(shuō)，三維CAD系統(tǒng)都包含草圖工具讓設(shè)計(jì)人員建立和修改草圖。草圖是二維幾何圖形的組合，用于建立實(shí)體特征。各種類(lèi)型的二維幾何元素，如直線、圓弧和矩形等幾何體構(gòu)成了草圖。幾何關(guān)系，如水平或豎直，可以應(yīng)用于繪制幾何體，這些幾何關(guān)系限制了草圖實(shí)體的移動(dòng)。每個(gè)草圖都有一個(gè)狀態(tài)來(lái)決定它可否使用，這些狀態(tài)為：完全定義、欠定義、或者過(guò)定義。視乎個(gè)別軟件而異，有的三維CAD系統(tǒng)允許草圖在不完全定義下生成三維實(shí)體， 有的則要求草圖必須完全定義才可進(jìn)一步產(chǎn)生三維實(shí)體。不管采用的是那一種方式，適當(dāng)?shù)奶砑訋缀渭s束關(guān)系可以更有效的保留設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖，令日后三維模型的變化具可測(cè)性和更易于修改。以圖十三這個(gè)簡(jiǎn)單的圓筒形特征為例。假若設(shè)計(jì)人員需要為這個(gè)特征建立完整的系列產(chǎn)品，那么，設(shè)計(jì)人員該如何定義草圖中各幾何元素的相互關(guān)系？

圖十三：不同大小的圓筒形特征

圖十四：圓筒形特征的二維草圖

    這個(gè)零件的二維草圖如圖十四所示。要充分定義這個(gè)草圖，設(shè)計(jì)人員必須添加下列約束條件：
   
    - 底線是水平的

    - 兩邊的豎直線是等長(zhǎng)的

    - 頂部的圓弧與兩邊線相切

    - 圖形的高度與寬度已給出

    - 草圖上的其中一點(diǎn)已被固定

    假如上面的五項(xiàng)約束沒(méi)有被定義，這草圖就可以不按照規(guī)則移動(dòng)和改變形狀，令設(shè)計(jì)人員無(wú)法預(yù)測(cè)它的形狀變化。

    大多數(shù)人單憑觀察上述草圖的輪廓和形狀，就可以推斷出前三條的約束關(guān)系。但CAD系統(tǒng)沒(méi)有那么聰明，需要使用者明確的逐一定義這些約束關(guān)系。為草圖逐一定義這些顯而易見(jiàn)的幾何約束關(guān)系是一件單調(diào)沉悶的，冗長(zhǎng)乏味的工作。因此，大多數(shù)的三維CAD系統(tǒng)都提供自動(dòng)化的工具來(lái)輔助設(shè)計(jì)人員完成此項(xiàng)工作。有些約束關(guān)系在設(shè)計(jì)人員繪制草圖時(shí)就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生。比如說(shuō)，設(shè)計(jì)人員在草圖上繪制一條水平直線，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給繪制的直線添加一個(gè)“水平”的幾何關(guān)系，有的系統(tǒng)則會(huì)同時(shí)顯示直線的長(zhǎng)度。自動(dòng)添加幾何約束關(guān)系的功能一般是通過(guò)光標(biāo)的反饋符號(hào)和推理線來(lái)實(shí)現(xiàn)。光標(biāo)的反饋符號(hào)可以顯示出當(dāng)前繪制的幾何體的情況（如“水平”或“豎直”），同時(shí)還可以表明對(duì)現(xiàn)有幾何體的捕捉情況，如捕捉到端點(diǎn)、中點(diǎn) 或者重合點(diǎn)等類(lèi)型。以虛線顯示的推理線也可以幫助設(shè)計(jì)人員排列現(xiàn)有幾何體。推理線可以包括現(xiàn)有的線矢量、法線、平行、垂直、相切和同心等。需要注意的是，一些推理線會(huì)捕捉到確切的幾何關(guān)系，而其他的推理線則只是簡(jiǎn)單地作為草圖繪制過(guò)程中的指引線或參考線來(lái)使用。

    利用光標(biāo)反饋符號(hào)和推理線等工具雖然可以幫助設(shè)計(jì)人員在繪制草圖時(shí)同時(shí)添加部分的幾何約束關(guān)系，但假如繪制的是一個(gè)很復(fù)雜的草圖，要完全定義草圖仍然是一件不輕松的工作。圖十五中所示為利用二維CAD軟件所繪制的火車(chē)輪子的二維剖面圖。將二維圖導(dǎo)入到三維CAD系統(tǒng)的草圖環(huán)境中，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)就可以產(chǎn)生如圖十六所示的火車(chē)輪子實(shí)體模型。

    像圖十五這一類(lèi)從二維系統(tǒng)導(dǎo)進(jìn)來(lái)，本身不包含幾何約束關(guān)系信息的草圖，設(shè)計(jì)人員需要在三維系統(tǒng)的草圖環(huán)境下對(duì)草圖從新標(biāo)注尺寸和添加約束關(guān)系，才可以對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化修改。要達(dá)到草圖完全定義、符合設(shè)計(jì)要求、又要避免在過(guò)程中對(duì)某些幾何元素造成過(guò)約束關(guān)系，是一件極富挑戰(zhàn)性，絕不簡(jiǎn)單的任務(wù)。因此，許多三維CAD系統(tǒng)都進(jìn)一步提供“草圖自動(dòng)完全定義”功能，可以對(duì)草圖自動(dòng)標(biāo)注尺寸和添加幾何約束關(guān)系。圖十七所示為利用“草圖自動(dòng)完全定義”功能后的結(jié)果 - 尺寸自動(dòng)標(biāo)注而且整齊排列，幾何約束關(guān)系如水平、豎直、平行、垂直、相切等自動(dòng)添加，達(dá)到了草圖完全定義的效果。這種先進(jìn)功能為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)方便，舒緩了從二維遷移到三維的瓶頸，提高了設(shè)計(jì)效率。

   但是，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)注的尺寸和自動(dòng)添加的約束不一定是設(shè)計(jì)人員所需要的。這時(shí)候，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)已經(jīng)完全定義的草圖進(jìn)行再定義。方法不外乎是先添加新的尺寸和約束，再刪除多余的尺寸和約束。又或者是先刪除多余的尺寸和約束，再添加新的尺寸和約束。無(wú)論是采用何種手段，一般都會(huì)導(dǎo)致一部分草圖尺寸和幾何關(guān)系過(guò)約束而另外一部分草圖尺寸和幾何關(guān)系欠約束，形成內(nèi)部沖突。目前的三維CAD系統(tǒng)都無(wú)法有效處理這些沖突，設(shè)計(jì)人員只好費(fèi)時(shí)間用手工的方法來(lái)解決問(wèn)題。

圖十七：完全定義的火車(chē)輪子草圖

 
圖十八：未完全定義的二維草

     
    智能特征技術(shù)的草圖專(zhuān)家提供了多種解決方法來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員了解草圖中的尺寸和幾何關(guān)系。了解草圖中的幾何關(guān)系使捕獲設(shè)計(jì)意圖變得更容易。草圖專(zhuān)家會(huì)為設(shè)計(jì)人員提供解決方案，幫助處理草圖尺寸和幾何關(guān)系中存在的任何沖突。以前，設(shè)計(jì)人員需要花很長(zhǎng)時(shí)間才可以理解和解決這些沖突。圖十八所示是一個(gè)未完全定義的草圖。草圖專(zhuān)家首先會(huì)按照設(shè)計(jì)人員的設(shè)定為草圖自動(dòng)完成尺寸標(biāo)注和添加幾何關(guān)系（圖十九），形成完全定義草圖。當(dāng)設(shè)計(jì)人員再添加新的尺寸或幾何關(guān)系而引起沖突時(shí)，草圖專(zhuān)家會(huì)作出警報(bào)并以不同顏色顯示所有受到影響的相關(guān)尺寸和幾何關(guān)系（圖二十）。最重要的是草圖專(zhuān)家會(huì)進(jìn)一步提出多個(gè)解決方案供設(shè)計(jì)人員選擇（圖二十一 和圖二十二），使得設(shè)計(jì)人員在最低程度的干預(yù)下，能快速地調(diào)整草圖內(nèi)的驅(qū)動(dòng)尺寸和幾何元素間的約束關(guān)系，同時(shí)又可保持草圖完全定義。這樣一來(lái)，智能特征技術(shù)讓設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)對(duì)已經(jīng)完全定義的草圖進(jìn)行再定義而不必?fù)?dān)心因修改帶來(lái)的種種難于處理的約束沖突問(wèn)題。

圖十九：采用系統(tǒng)自動(dòng)完全定義的結(jié)果

 
 
圖二十：添加新尺寸引起約束沖突

 
圖二十一：草圖專(zhuān)家提供解決方案一

 
圖二十二：草圖專(zhuān)家提供解決方案二

    配合

    與二維草圖內(nèi)的幾何元素一樣，三維裝配體里面的各個(gè)子裝配體和零部件之間存在著各種約束關(guān)系，即所謂“配合關(guān)系”。裝配體越大，零部件越多，零部件之間的配合關(guān)系就越復(fù)雜。每當(dāng)要修改裝配體，又或者要替換個(gè)別的子裝配和零部件，原來(lái)的配合關(guān)系就可能無(wú)法保持或與新添加的配合關(guān)系發(fā)生沖突。設(shè)計(jì)人員往往要花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)處理這些沖突。事實(shí)上，很多設(shè)計(jì)人員寧可刪掉原有的配合關(guān)系而重新定義。

    智能特征技術(shù)的配合專(zhuān)家允許設(shè)計(jì)人員查看裝配體錯(cuò)誤并強(qiáng)制配合解決問(wèn)題。配合狀態(tài)顯示在狀態(tài)欄中。當(dāng)顯示配合警告或錯(cuò)誤時(shí)，單擊該狀態(tài)可運(yùn)行“查看配合”。配合專(zhuān)家可以處理裝配體配合沖突。設(shè)計(jì)人員可以分離問(wèn)題，了解哪些配合存在沖突，然后采取步驟將零部件安排到理想的配合位置。

    小結(jié)

    隨著約束求解技術(shù)和特征建模技術(shù)的日趨成熟，基于歷史的的參數(shù)化特征三維建模方法已經(jīng)成為當(dāng)今三維CAD系統(tǒng)的主流 。其好處是零部件與裝配體和工程圖全關(guān)聯(lián)，便于進(jìn)行設(shè)計(jì)變更和修改?？墒?，這種系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)人員在建模之初就要考慮好設(shè)計(jì)意圖。對(duì)新手或者是剛遷移到三維設(shè)計(jì)環(huán)境，對(duì)三維建模過(guò)程不了解，但有著豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的資深工程師來(lái)說(shuō)反而變成一種負(fù)擔(dān)。在使用過(guò)程中往往適得其反，非但不能發(fā)揮三維CAD系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，反而浪費(fèi)很多時(shí)間在處理一些與設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)的工作上，尤其是在忖摸如何處理在建模時(shí)因特征順序錯(cuò)位而產(chǎn)生的種種問(wèn)題。

    智能特征技術(shù)（SWIFT）是一個(gè)嶄新的技術(shù)平臺(tái)，讓基于歷史的特征設(shè)計(jì)方法跨越了從自動(dòng)化到智能化的門(mén)檻。 設(shè)計(jì)人員不僅具備了將復(fù)雜的操作簡(jiǎn)化為最少量命令的全新方式 ，他們現(xiàn)在還具備了大多數(shù)有造詣的三維建模專(zhuān)家才具有的智慧和專(zhuān)門(mén)知識(shí)。智能特征技術(shù)包括了特征專(zhuān)家、草圖專(zhuān)家、和配合專(zhuān)家等，它們可以消除大量在建模及設(shè)計(jì)變更時(shí)所需要的手工勞動(dòng)。智能特征技術(shù)能自動(dòng)整理和排列應(yīng)用特征的順序，讓設(shè)計(jì)人員可以專(zhuān)注產(chǎn)品的設(shè)計(jì)而非設(shè)計(jì)工具本身，大大的提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，最大程度的減低使用三維CAD軟件的成本。智能特征技術(shù)將影響今后CAD技術(shù)的發(fā)展并引領(lǐng)三維設(shè)計(jì)進(jìn)入新潮流。

參考文獻(xiàn)

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[4] 葉修梓, 陳超祥主編. “SolidWorks 2005 基礎(chǔ)教程: 零件與裝配體”. 電子工業(yè)出版社, 2005.10.

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[6] 陳超祥,“超越實(shí)體建模——互動(dòng)式的裝配體建模技術(shù)”. 機(jī)械設(shè)計(jì)雜志 2006 增 刊, 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)分會(huì), 2006.8 (23): pp227~229.

[7] 陳超祥,“SolidWorks 2007   引領(lǐng)三維設(shè)計(jì)新潮流