1. 特征技術產(chǎn)生的背景

特征技術是CAD/CAM技術發(fā)展中的一個新里程碑，它是在CAD/CAM技術的發(fā)展和應用達到一定水平，要求進一步提高生產(chǎn)組織的集成化、自動化程度的歷史進程中孕育成長起來的。
　　現(xiàn)代設計制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是集成化、智能化， 目的是達到高度的自動化。 實現(xiàn)上述目標的基礎是給系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)提供能夠共享的產(chǎn)品定義。 現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)， 因不能用一個完整的產(chǎn)品模型來支持各工程應用活動，在設計、制造及檢驗的各個環(huán)節(jié)中， 使用者需要重復地輸入和識別一些信息， 定義一些新模型， 以滿足各工程應用子系統(tǒng)的具體需要，各子系統(tǒng)的概念信息也必須依靠人工來識別和綜合處理， 從而導致產(chǎn)品自動設計和制造中信息處理的中斷， 人為干預量大， 數(shù)據(jù)大量重復處理的后果。 其主要原因是作為當代CAD系統(tǒng)的核心棗實體造型存在下列不足：
　　(1) 產(chǎn)品定義信息不完備。 實體造型主要用來定義產(chǎn)品公稱幾何形狀， 而許多反映設計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)庫中一起表達。 這里由于工藝信息的表達既與高級的形狀特征有關， 又與低級的點、線、面幾何要素有關， 而實體造型難以提供這些信息。
　　(2) 數(shù)據(jù)的抽象層次低。 實體造型只能以低級的幾何/拓撲信息來描述幾何形狀，而工程師進行思想交流， 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體。
　　(3) 支持產(chǎn)品設計的環(huán)境較差。傳統(tǒng)的幾何造型不利于進行創(chuàng)造性設計，這是因為它不能方便地修改設計模型，并且，即使實體零件的參數(shù)已被定義，在每次零件再生時，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。這些信息能在無人干預的條件下，為設計、分析、制造所接受，且能在各應用子系統(tǒng)間自動變換，使CAD/CAM集成，以至CIMS的實現(xiàn)走向現(xiàn)實，由此產(chǎn)生了特征技術。特征技術是人工智能應用于實體模型的結果，它表達的產(chǎn)品信息完備且含有豐富的語義信息，為CAD/CAM集成提供了有力基礎。 

2. 特征造型的特點和作用

特征造型方法與前一代的幾何造型方法相比較，有以下特點和作用：
　　(1) 過去的CAD技術從二維繪圖起步，經(jīng)歷了三維線框、曲面和實體造型發(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產(chǎn)品的完整的技術和生產(chǎn)管理信息，為建立產(chǎn)品的集成信息模型服務。它的目的是用計算機可以理解和處理的統(tǒng)一產(chǎn)品模型，替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計和施工成套圖紙以及技術文檔，使得一個工程項目或機電產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)準備各環(huán)節(jié)可以并行展開，信息流暢通。}
　　(2) 它使產(chǎn)品設計工作在更高的層次上進行，設計人員的操作對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)設計意圖，使得建立的產(chǎn)品模型容易為別人理解和組織生產(chǎn)，設計的圖樣更容易修改。設計人員可以將更多精力用在創(chuàng)造性構思上。
　　(3) 它有助于加強產(chǎn)品設計、分析、工藝準備、加工、檢驗各部門間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品的設計意圖貫徹到各個后續(xù)環(huán)節(jié)并且及時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) 它有助于推動行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品設計和工藝方法的規(guī)范化、標準化和系列化，使得產(chǎn)品設計中及早考慮制造要求，保證產(chǎn)品結構有更好的工藝性。
　　(5) 它將推動各行業(yè)實踐經(jīng)驗的歸納總結，從中提煉更多規(guī)律性知識，以豐富各領域專家的規(guī)則庫和知識庫，促進智能CAD系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)的逐步實現(xiàn)。 

3. 特征技術的研究概況

特征技術研究的萌芽產(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。STEP標準中將形狀和公差特征等列為產(chǎn)品定義的基本要素，使特征獲得了國際標準的法定地位。
　　國外許多研究單位和學者對特征技術的發(fā)展和應用做出了貢獻。例如，英國Cranfield理工學院的Pratt和Wilson為CAM-I提出了一個按形狀和構造特點對形狀特征分類的模式; 美國Arizona州立大學的Shah探討了特征表達和解釋問題，開發(fā)出ASU特征試驗臺; 芬蘭赫爾辛基技術大學的Mantyla教授研制了特征造型系統(tǒng)EXTDesign; 意大利熱亞那應用數(shù)學研究所的Falcidieno等人提出了邊界模型表示特征對象的描述方法，特征識別方法，并開發(fā)了相應的系統(tǒng); 德國柏林技術大學的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行加工特征幾何推理技術; 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; 美國Purdue大學的Anderson等人研究了基于特征設計工藝規(guī)程的幾何推理問題。
　　在國內(nèi)， 北京航空航天大學、清華大學、華中理工大學、浙江大學、上海交通大學、西北工業(yè)大學等，以及其他一些單位也發(fā)表了一些關于特征技術研究的論著， 并開發(fā)了一些特征造型系統(tǒng)。
　　近年來， 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， 中國廣州紅地技術有限公司的產(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系構成。 一般地講， 特征是客觀事物特點的征象或標志。目前人們對于CAD中特征的定義尚沒有達到完全統(tǒng)一。 在研究特征技術的過程中， 國內(nèi)外學者從不同的側面、不同的角度， 根據(jù)需要給特征賦予了不同的含義。
　　在機械行業(yè)中， 特征源于使用在各種設計、分析和加工活動的推理過程， 并且經(jīng)常緊密地聯(lián)系到特定的應用領域， 因而產(chǎn)生了不同的特征定義。 當我們提到特征時， 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型。 另一種涉及工藝規(guī)劃的形狀特征定義為: 工件上一個有一定特性的幾何形狀， 其對于一種機械加工過程是特定的， 或者用于裝夾和/或測量目的。
　　隨著特征技術由工藝規(guī)劃向設計、檢驗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義組， 它將功能、設計和制造信息組合在一起; (2) 一個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， 它可以在設計和制造或者其他工程任務之間輔助設計或進行通訊; (4) 任何用于設計、工程分析和制造的推理的客觀對象; (5) 設計人員感興趣的區(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， 結構特征和抽象特征。 抽象特征可用于設計過程， 這是由于許多特征的細節(jié)在設計完成前并不清楚。 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實現(xiàn)的客觀對象。 不論特征的定義如何， 但有一點似乎是共同的， 即特征最終要聯(lián)系到某個幾何形狀。 Shah明確了一個特征至少滿足的要求: 零件的一個結構組元; 可影射到某個形狀類; 有工程意義; 有可預測的性質(zhì)。
    總之， 特征是產(chǎn)品信息的集合， 它不僅具有按一定拓撲關系組成的特定形狀， 且反映特定的工程語義， 適宜在設計、分析和制造中使用。 我們應該將特征理解為一個專業(yè)術語， 它兼有形狀和功能兩種屬性， 從它的名稱和語義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓撲關系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術和公差要求。 

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/拓撲信息顯式地表達在面棗邊棗頂點圖中， 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， 這是因為可以得到充足的信息以及它是基于圖的表示方法(許多特征識別系統(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)難于進行。
　　(2) 基于CSG 的方法: 基于CSG 的特征表達方法將特征定義為體積元素，體積元素通過布爾操作構造零件。 使用CSG 表示方法簡捷、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造。 對于特征提取，CSG 模型的主要問題是其表示的不唯一性， 以及缺少對低層的構形元素的顯式表達。然而，給CSG 模型賦值， 推導出其相應的邊界表示， 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，因此，汲取二者優(yōu)點的混合表示方法便產(chǎn)生了。Nnaji和Liu開發(fā)了一個工藝規(guī)劃系統(tǒng)，可以提取基于CSG 的信息(B-rep信息是由CSG 模型導出的)。重新構造CSG 樹和B-rep信息，使其成為以一種混合形式來表示特征的另一種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。特征的層次結構提供物體組件關系的多級表示，并在每級的細節(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表示結合在一個被稱為形體圖的圖結構中。