1. 特征技術(shù)產(chǎn)生的背景

特征技術(shù)是CAD/CAM技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新里程碑，它是在CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用達(dá)到一定水平，要求進(jìn)一步提高生產(chǎn)組織的集成化、自動(dòng)化程度的歷史進(jìn)程中孕育成長(zhǎng)起來(lái)的。
　　現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是集成化、智能化， 目的是達(dá)到高度的自動(dòng)化。 實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)是給系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)提供能夠共享的產(chǎn)品定義。 現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)， 因不能用一個(gè)完整的產(chǎn)品模型來(lái)支持各工程應(yīng)用活動(dòng)，在設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中， 使用者需要重復(fù)地輸入和識(shí)別一些信息， 定義一些新模型， 以滿足各工程應(yīng)用子系統(tǒng)的具體需要，各子系統(tǒng)的概念信息也必須依靠人工來(lái)識(shí)別和綜合處理， 從而導(dǎo)致產(chǎn)品自動(dòng)設(shè)計(jì)和制造中信息處理的中斷， 人為干預(yù)量大， 數(shù)據(jù)大量重復(fù)處理的后果。 其主要原因是作為當(dāng)代CAD系統(tǒng)的核心棗實(shí)體造型存在下列不足：
　　(1) 產(chǎn)品定義信息不完備。 實(shí)體造型主要用來(lái)定義產(chǎn)品公稱幾何形狀， 而許多反映設(shè)計(jì)意圖和工藝要求的信息， 如公差、材料性質(zhì)等難以在數(shù)據(jù)庫(kù)中一起表達(dá)。 這里由于工藝信息的表達(dá)既與高級(jí)的形狀特征有關(guān)， 又與低級(jí)的點(diǎn)、線、面幾何要素有關(guān)， 而實(shí)體造型難以提供這些信息。
　　(2) 數(shù)據(jù)的抽象層次低。 實(shí)體造型只能以低級(jí)的幾何/拓?fù)湫畔?lái)描述幾何形狀，而工程師進(jìn)行思想交流， 以及CIMS智能化處理過程中涉及的信息往往是高層的概念實(shí)體。
　　(3) 支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)的環(huán)境較差。傳統(tǒng)的幾何造型不利于進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樗荒芊奖愕匦薷脑O(shè)計(jì)模型，并且，即使實(shí)體零件的參數(shù)已被定義，在每次零件再生時(shí)，也必須重新顯示輸入所有參數(shù)。
　　因此，必須開發(fā)取代現(xiàn)有實(shí)體造型的支撐系統(tǒng)，為CAD/CAM系統(tǒng)提供完備的和多層次的產(chǎn)品信息。這些信息能在無(wú)人干預(yù)的條件下，為設(shè)計(jì)、分析、制造所接受，且能在各應(yīng)用子系統(tǒng)間自動(dòng)變換，使CAD/CAM集成，以至CIMS的實(shí)現(xiàn)走向現(xiàn)實(shí)，由此產(chǎn)生了特征技術(shù)。特征技術(shù)是人工智能應(yīng)用于實(shí)體模型的結(jié)果，它表達(dá)的產(chǎn)品信息完備且含有豐富的語(yǔ)義信息，為CAD/CAM集成提供了有力基礎(chǔ)。 

2. 特征造型的特點(diǎn)和作用

特征造型方法與前一代的幾何造型方法相比較，有以下特點(diǎn)和作用：
　　(1) 過去的CAD技術(shù)從二維繪圖起步，經(jīng)歷了三維線框、曲面和實(shí)體造型發(fā)展階段，都是著眼于完善產(chǎn)品的幾何描述能力; 而特征造型則是著眼于更好表達(dá)產(chǎn)品的完整的技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，為建立產(chǎn)品的集成信息模型服務(wù)。它的目的是用計(jì)算機(jī)可以理解和處理的統(tǒng)一產(chǎn)品模型，替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和施工成套圖紙以及技術(shù)文檔，使得一個(gè)工程項(xiàng)目或機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)準(zhǔn)備各環(huán)節(jié)可以并行展開，信息流暢通。}
　　(2) 它使產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在更高的層次上進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員的操作對(duì)象不再是原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能要素，象螺紋孔、定位孔、鍵槽等。特征的引用直接體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，使得建立的產(chǎn)品模型容易為別人理解和組織生產(chǎn)，設(shè)計(jì)的圖樣更容易修改。設(shè)計(jì)人員可以將更多精力用在創(chuàng)造性構(gòu)思上。
　　(3) 它有助于加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各部門間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖貫徹到各個(gè)后續(xù)環(huán)節(jié)并且及時(shí)得到后者的意見反饋，為開發(fā)新一代的基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)創(chuàng)造前提。
　　(4) 它有助于推動(dòng)行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方法的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)中及早考慮制造要求，保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有更好的工藝性。
　　(5) 它將推動(dòng)各行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的歸納總結(jié)，從中提煉更多規(guī)律性知識(shí)，以豐富各領(lǐng)域?qū)＜业囊?guī)則庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，促進(jìn)智能CAD系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)的逐步實(shí)現(xiàn)。 

3. 特征技術(shù)的研究概況

特征技術(shù)研究的萌芽產(chǎn)生于八十年代初，并于八十年代的中后期蓬勃發(fā)展起來(lái)。STEP標(biāo)準(zhǔn)中將形狀和公差特征等列為產(chǎn)品定義的基本要素，使特征獲得了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的法定地位。
　　國(guó)外許多研究單位和學(xué)者對(duì)特征技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。例如，英國(guó)Cranfield理工學(xué)院的Pratt和Wilson為CAM-I提出了一個(gè)按形狀和構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)形狀特征分類的模式; 美國(guó)Arizona州立大學(xué)的Shah探討了特征表達(dá)和解釋問題，開發(fā)出ASU特征試驗(yàn)臺(tái); 芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)的Mantyla教授研制了特征造型系統(tǒng)EXTDesign; 意大利熱亞那應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所的Falcidieno等人提出了邊界模型表示特征對(duì)象的描述方法，特征識(shí)別方法，并開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng); 德國(guó)柏林技術(shù)大學(xué)的Beitz開發(fā)了基于特征的造型系統(tǒng)GEKO; Douglas等人研究了用凸多面體分解法進(jìn)行加工特征幾何推理技術(shù); Turner等人研究了公差特征模型建立的問題; Roy等人研究了尺寸及公差表示處理的問題; Jaroslaw等人研究了特征編輯與查詢技術(shù); 美國(guó)Purdue大學(xué)的Anderson等人研究了基于特征設(shè)計(jì)工藝規(guī)程的幾何推理問題。
　　在國(guó)內(nèi)， 北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，以及其他一些單位也發(fā)表了一些關(guān)于特征技術(shù)研究的論著， 并開發(fā)了一些特征造型系統(tǒng)。
　　近年來(lái)， 商業(yè)CAD軟件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如， PTC公司的產(chǎn)品Pro/Engineer，SDRC的產(chǎn)品I-DEAS Master Series、UGS公司的產(chǎn)品Unigraphics、IBM公司的產(chǎn)品CATIA/CADAM、Autodesk公司的產(chǎn)品MDT， 中國(guó)廣州紅地技術(shù)有限公司的產(chǎn)品“金銀花(LONICERA)”系統(tǒng)，等等。 

4. 特征的定義

客觀事物都是由事物本身的特性體及其相互關(guān)系構(gòu)成。 一般地講， 特征是客觀事物特點(diǎn)的征象或標(biāo)志。目前人們對(duì)于CAD中特征的定義尚沒有達(dá)到完全統(tǒng)一。 在研究特征技術(shù)的過程中， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的側(cè)面、不同的角度， 根據(jù)需要給特征賦予了不同的含義。
　　在機(jī)械行業(yè)中， 特征源于使用在各種設(shè)計(jì)、分析和加工活動(dòng)的推理過程， 并且經(jīng)常緊密地聯(lián)系到特定的應(yīng)用領(lǐng)域， 因而產(chǎn)生了不同的特征定義。 當(dāng)我們提到特征時(shí)， 通常是指形狀特征。形狀特征的一種定義是面向規(guī)劃的， 例如， 工件特征定義為：在工件的表面、邊或角上形成的特定的幾何構(gòu)型。 另一種涉及工藝規(guī)劃的形狀特征定義為: 工件上一個(gè)有一定特性的幾何形狀， 其對(duì)于一種機(jī)械加工過程是特定的， 或者用于裝夾和/或測(cè)量目的。
　　隨著特征技術(shù)由工藝規(guī)劃向設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和工程分析方面的拓展， 特征定義趨向于更一般化， 下面是一些特征定義的例子: (1) 用于描述零件和裝配體的語(yǔ)義組， 它將功能、設(shè)計(jì)和制造信息組合在一起; (2) 一個(gè)幾何形狀或形體要素， 它至少具有一種CIM功能; (3) 產(chǎn)品信息的載體， 它可以在設(shè)計(jì)和制造或者其他工程任務(wù)之間輔助設(shè)計(jì)或進(jìn)行通訊; (4) 任何用于設(shè)計(jì)、工程分析和制造的推理的客觀對(duì)象; (5) 設(shè)計(jì)人員感興趣的區(qū)域。
　   研究人員提出了許多不同的特征， 例如， 功能性的特征有: 裝配特征， 配合特征， 結(jié)構(gòu)特征和抽象特征。 抽象特征可用于設(shè)計(jì)過程， 這是由于許多特征的細(xì)節(jié)在設(shè)計(jì)完成前并不清楚。 抽象特征的定義為: 直到所有的變量被確定才能被具體化或?qū)崿F(xiàn)的客觀對(duì)象。 不論特征的定義如何， 但有一點(diǎn)似乎是共同的， 即特征最終要聯(lián)系到某個(gè)幾何形狀。 Shah明確了一個(gè)特征至少滿足的要求: 零件的一個(gè)結(jié)構(gòu)組元; 可影射到某個(gè)形狀類; 有工程意義; 有可預(yù)測(cè)的性質(zhì)。
    總之， 特征是產(chǎn)品信息的集合， 它不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀， 且反映特定的工程語(yǔ)義， 適宜在設(shè)計(jì)、分析和制造中使用。 我們應(yīng)該將特征理解為一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)， 它兼有形狀和功能兩種屬性， 從它的名稱和語(yǔ)義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術(shù)和公差要求。 

5. 特征的表示方法

目前， 常用的特征的表示方法主要有以下三種:
　　(1) 基于B-rep的方法: 在B-rep 方法中， 特征被定義為一個(gè)零件的相互聯(lián)系的面的集合(面集)。 這些特征也被稱為“面特征”。 B-rep 模型是基于圖的， 所有的幾何/拓?fù)湫畔@式地表達(dá)在面棗邊棗頂點(diǎn)圖中， 因此， B-rep模型常被稱為賦值的模型。 B-rep 表示特征的方法受到許多研究者的喜歡， 這是因?yàn)榭梢缘玫匠渥愕男畔⒁约八腔趫D的表示方法(許多特征識(shí)別系統(tǒng)是基于圖表示的)。B-rep模型可以與屬性值(如， 表面粗糙度， 材料等)、尺寸和公差聯(lián)系在一起，B-rep方法的缺點(diǎn)是它與特征體素和體積特征沒有直接的聯(lián)系， 特征操作(如， 刪除特征)難于進(jìn)行。
　　(2) 基于CSG 的方法: 基于CSG 的特征表達(dá)方法將特征定義為體積元素，體積元素通過布爾操作構(gòu)造零件。 使用CSG 表示方法簡(jiǎn)捷、有效、易于編輯和操作體素，并提供CSG和特征體素之間有意義的聯(lián)系， 而且二叉樹可用于特征模型的構(gòu)造。 對(duì)于特征提取，CSG 模型的主要問題是其表示的不唯一性， 以及缺少對(duì)低層的構(gòu)形元素的顯式表達(dá)。然而，給CSG 模型賦值， 推導(dǎo)出其相應(yīng)的邊界表示， 就可以克服這些問題。
　　(3) 基于混合CSG/B-rep的方法: 由于CSG 和B-rep表示方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，汲取二者優(yōu)點(diǎn)的混合表示方法便產(chǎn)生了。Nnaji和Liu開發(fā)了一個(gè)工藝規(guī)劃系統(tǒng)，可以提取基于CSG 的信息(B-rep信息是由CSG 模型導(dǎo)出的)。重新構(gòu)造CSG 樹和B-rep信息，使其成為以一種混合形式來(lái)表示特征的另一種CSG 樹。Roy和Liu提出一種混合CSG/B-rep方法表示特征及尺寸和公差。特征的層次結(jié)構(gòu)提供物體組件關(guān)系的多級(jí)表示，并在每級(jí)的細(xì)節(jié)保持有邊界表示。Gossard等人提出一種在幾何造型中顯式地表示尺寸公差和幾何特征的方法，此方法將CSG 和B-rep表示結(jié)合在一個(gè)被稱為形體圖的圖結(jié)構(gòu)中。