CAD/CAM并行协同设计中的特征技术
传统的CAD/CAM集成大都基于串行方式，期望在设计阶段就产生能满足设计、工艺规划与装配需要的产品模型，力图利用计算机完全代替人的工作，实现设计制造自动化。而在生产实践中发现，由于同一零件在CAD/CAM集成路线上各个环节的表示与处理方法可能有很大差异，加之很难用计算机完全代替人的经验，因而在实际集成中，仍需各环节之间的大量转换，设计与工艺的多次反复不可避免，使实现真正的集成遇到了难以克服的困难。随着计算机网络环境的普及和并行工程的深入研究与发展，计算机技术领域出现了许多新的研究课题，如并行计算技术与计算机支持的协同工作(CSCW)等，并取得了一定的成果。基于这些研究成果，许多CAD/CAM研究者提出新的集成方式：在网络环境下，设计与工艺人员并行地完成同一零件的设计、工艺规划与装配过程，最大限度地缩短生产周期。
CAD/CAM的并行集成不但要求实现集成的传统技术方法必须作转变以适应新的环境与工作方式，而且导致了许多新研究课题的产生，其中包括并行协同设计的工作机制［1］、分布环境中可被各工作者共同理解的零件模型的表示模式［2，3］、并行设计中设计定位与工艺基准的表示与协调，以及并行协同设计的过程控制等。
1 分布环境下基于特征的集成策略
在异地分布的网络环境下，从事零件设计与制造工作的各种技术人员并行协作地参与同一零件的设计生产过程，产生符合CAD/CAM集成各个环节要求的产品模型，这是并行设计研究的主要目的。它与传统的集成技术相比，有以下4个方面的转变：①从单机环境转变为异地分布的网络环境；②从串行处理方式转变为并行处理方式；③从人机交互转变为人人直接交互；④从期望完全摆脱人的干预转变为充分发挥人的作用。
CAD/CAM研究人员应该以计算机技术研究领域的最新发展与成果为基础，对自己领域内在新的计算机软硬件环境下所出现的技术问题进行研究。网络操作系统为异地通信提供底层支持；分布式共享数据库可以保证各种技术人员在不同计算机终端上对同一模型进行操作；分布式图形处理技术支持异地分布人员对同一图形进行显示与处理；计算机支持下的协同工作(CSCW)研究［4］为并行协作提供人人交互协商的工作环境。作为CAD/CAM的研究人员，应该把考虑问题的焦点放在如何在以上环境与技术的支持下，进行并行集成所需解决的关键技术的研究。在并行协同设计环境中，各种技术人员可以对2个方面的信息实现共享：图形共享和模型数据共享。图1为并行CAD/CAM集成系统进行开发的层次关系。
特征技术是CAD/CAM集成的核心技术，特征是集成中的信息传递媒介。由于设计阶段主要关心特征的形状，工艺规划与装配阶段主要关心特征的工艺特性，加之同一零件区域的形状特征与工艺特征会有很大差异，导致相当一部分特征技术研究集中于如何使设计特征的表示与处理满足集成各环节的需要［5］。并行集成不是对以往研究成果的否定，而是对传统技术的继承与发展。
本文用特征作为并行设计中模型与处理的基本单元。设计人员引用形状特征建立设计模型，同时，工艺人员可以实时地参与，对设计人员提供建议与要求，并且可以实时地对模型修改，产生以工艺特征表示的工艺模型。设计人员与工艺人员交互协作地进行零件设计，当设计工作完成以后，就生成正确完整的产品模型，不需要再进行任何的转换与处理。这便是并行协同设计方式下基于特征的集成策略。
2 特征模型的表示
传统的特征表示模式已经不能满足新的工作方式的要求，我们希望特征的表示与基于特征设计方法的模型(特征模型)表示能够适应分布环境下各种技术人员的协同设计方式。
(1)特征模型的表示模式必须满足各种技术人员同时定义信息的需要。形状信息与工艺信息不但能同时存在于同一模型之中，而且能够支持不同终端对不同信息的并行定义。
(2)特征模型的表示模式中，应该能同时反映模型底层的几何数据、各种设计特征、工艺特征及其相互关系。传统方法主要通过对设计模型的分析来获得工艺特征，如DSG(Destructive Solid Geometry)方法，可以将设计特征转换为加工区域的表示。但这些方法都是面向串行处理方式的，不能完全满足我们的需要。
并行设计方式下的基于特征的模型表示模式改变了串行集成方式中采取对同一表示模型根据不同的应用目的进行不同解释的情况，采用了面向不同应用目的的各种表示模式并存于同一模型中的混合表示方法。它可分为以下4个层次：
(1)模型的几何与拓扑信息 仍然采用传统的B—Rep描述。
(2)设计特征 设计特征在显示模型中以一组特征组成面来表示，设计特征组成面中存储着该设计特征的标志。
(3)工艺特征 包括加工特征与装配特征，代表显示模型中一定的功能区域。
(4)设计特征与工艺特征之间的对应关系、设计特征之间的约束关系和工艺特征之间的约束关系 一般采用图结构来描述，它同时包含代表设计特征与工艺特征的结点与各个结点之间的指针链接关系。B—Rep与特征的约束图之间也有指针链接。
特征模型的表示是各种技术人员在异地计算机环境下协作完成的，它一旦正确产生，就意味着零件设计制造集成的结束，不再需要进行任何转换与处理。
设计特征与工艺特征之间的映射关系如下：
(1)等同关系 工艺特征等同于设计特征组成面与相应的零件面封闭而成的体元；
(2)互补关系 设计特征与加工特征的并集与工艺毛坯上的相应局部区域重合；
(3)复合关系 工艺特征是多个设计特征的复合区域；
(4)独立工艺特征 有些工艺特征没有设计特征与之对应。
独立工艺特征的存在是由于，设计人员选择设计毛坯的原则是保证零件形状快速有效地生成，则设计毛坯与实际工艺毛坯形状可能不同。并行协同设计中，工艺人员可在设计的一定阶段根据零件形状选择合适的工艺毛坯。工艺毛坯与设计毛坯的不同导致工艺毛坯中存在大于设计毛坯的区域，其中便包含与设计特征有互补关系的特征和独立工艺特征。
以进一步说明基于特征的产品模型中的特征约束关系描述。为了突出特征约束图适用于并行设计的特点，重反映不同类型特征的约束关系描述，并不反映同类型特征的约束关系(主要指设计特征之间)，如DF2与DF1的隶属特征。
3 并行设计中人的作用
并行设计中提倡人的作用充分发挥，以降低一味追求全面自动化而带来的不必要的复杂性。基于特征的并行集成中，人的作用主要表现在以下几个方面：①设计特征需要在工艺规划人员的并行参与下转换为相应的工艺特征表示；②制造过程规划结合工艺人员的实时定义产生，而不是完全通过计算机算法实现；③设计的不合理之处可以由工艺人员实时指出。
由于并行设计方式中充分发挥了人的作用，因而，减小了一些技术问题由于要完全摆脱人的干预而带来的难度。例如传统DSG方法的研究总是对设计模型整体进行分析以抽象出加工区域，这具有很大的难度并难以有效地应用到实际中去。在并行设计方式下，工艺人员通过交互指点的方法可以确定加工区域的大概范围及相关的设计特征，然后来实现加工区域的准确描述，这大大减小了问题的难度。
同一形状区域的设计特征、加工特征与装配特征的描述是不同的。在并行协同设计环境中，不同的工艺人员可以根据自己的应用目的对工艺特征区域进行实时定义，配合计算机算法得到工艺特征的精确描述，这就降低了在传统方法中当设计特征复合时对特征区域重新识别算法的复杂程度。
4 并行设计中特征约束的处理
使零件模型具有动态可修改性也是CAD/CAM领域内的重要研究方向，其主要目的是提高设计的自动化程度。基于约束的参数化方法是目前为止提出的解决这一问题最有效的方法，关于设计过程中约束的定义、表示求解已经有了较为有效的研究成果［6］。并行设计中，各种技术人员同时参与整个设计、工艺规划与零件装配的过程，使零件模型具有动态可修改性则更加重要，但这种修改是对集成的各个环节完全相关的，是基于约束的相互驱动过程。
(1)特征形状的修改 设计特征的修改不但将引起与其有约束关系的其它设计特征的相应改变，也会引起与其对应的工艺特征的改变，反之亦然。对特征形状的修改包括特征尺寸与特征类型的改变。
(2)特征定位尺寸的修改 形状设计中的特征定位方式与工艺规划中要确定的某特征的加工基准可能不同，工艺人员可以对零件设计模型中一些定位基准进行实时重新定义，由集成系统来确定关于新定位基准的特征定位尺寸。因此，特征设计定位尺寸的修改除了引起其约束特征的相应修改以外，还要引起相应的工艺定位尺寸的修改，反之亦然。
约束除了可以描述特征之间的相关关系之外，还用以描述特征的定位关系，称为定位约束，包括形状设计中尺寸标注方式的特征定位，工艺特征加工基准的选择等。正如特征的表示一样，由于在并行设计中的约束必须满足集成环节中各类技术人员针对不同的目的对同一特征的不同定位方式的需要，因而，约束的表示也应该是具有混合性的，也就是说，同一特征的约束定义在零件模型中是多种表示形式共存的，而这些表示形式之间具有相应的转换关系，它们之间的联系通过与它们相关的特征之间的指针来实现。
各种形式的定位约束表示都应该是带有变量(定位尺寸)与相应的几何元素(定位基准)指针的参数描述式，除了具有实现参数化驱动的约束求解方法以外，并行设计中，针对同一特征不同的约束描述之间具有相互的驱动表示方法，从而能实现参数修改的完全相关。约束的求解需要在给定的尺寸参数与定位基准所代表几何元素的几何数据共同支持下来完成。完全相关的约束驱动是根据特征约束图、约束的具体表示及约束求解方法来实现的。
负设计特征DF2以正设计特征DF1的顶面为操作母面(即定位基准面)。在拓扑不变的前提下，若DF2尺寸改变，根据图4e所示的特征约束图，加工特征MF2与装配特征AF将发生相应变动；若DF1高度增加，其顶面升高，根据定位约束关系，DF2发生位置改变，于是，加工特征MF1、MF2、MF3及装配特征AF都将发生改变，如果MF2以设计毛坯底面为加工基准，则DF1高度的增加也将导致MF2加工定位尺寸的改变。
