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1 引言 智能CAD系统的效率在很大程度上依赖于零部件生成与修改的效率。用户在输入特征单元时，不必考虑特征单元中几何元素的确定位置，而只需保证其拓扑结构正确，同时交互输入相应的尺寸参数，通过尺寸参数值的变化来生成结构相同而参数不同的特征单元族。对于作为特征单元的标准件，因为数据有据可查，需将逻辑上相关的标准件按类建成数据库，并且进行互联编程，实现各模块间数据的有效变换。用特征单元模型可以自动模型化零件。根据模块化程序的形式可以保存和存储图形形状的描述。形状和尺寸在工程语义允许的范围内可以自动变化。这些特征单元具有功能、加工和形状特性。
经过对两个型号的冲剪机床的246个零件的研究，其中箱体类零件7个，利用特征单元能够建模的箱体类零件4个，经过对一种型号富阳起重机工具的88个零件的研究，其中箱体类零件5个、利用特征单元能够建模的箱体类零件3个，利用特征单元可以方便对产品零件建模。本文开发这个系统，对于将来的推广应用和进一步研究具有普遍意义。从温州冲剪机床厂和富阳起重工具厂应用实践表明，这个系统对于产品的开发和设计，是简单适用的。 2 特征单元 基于特征单元的零件设计是产品设计的基础。特征单元是设计的最基本单元，也是加工的单元。铸造箱体类等很多零件都是从毛坯经过冷、热加工得到的。因此，根据合理化工程的哲理提取出同类零件相似的功能结构，作为基本的单元。可以减少由于设计者不同造成设计结果不同的零件数量爆炸的缺点，通过特征单元的产品建模，可以让设计者自由设计而设计的工程意义可以通过特征单元来保证，降低了系统对设计者的要求，提高了设计效率。部分箱体特征单元有外轮廓和内部孔等单元如图1a和图1b所示，详细见文献［6］。 
图1 3 基于特征单元的箱体类零件自组织设计 泵体、阀体和机体等机器或部件的外壳、机座、主体等均为箱体类零件。这类零件需要支承和固定其它零件，其作用是保证各个零件的相对位置以及传动的啮合精度，是一台机器中的重要部件，约占一台机器重量的一半左右。一台机器中箱体类零件设计的好坏与否，直接影响到一台机器的尺寸、重量、成本以及精度，所以设计时应综合考虑温度、强度、刚度使用要求及铸造、机械加工和装卸工艺多方面因素，但是箱体的结构和受力比较复杂，一次设计分析能达到产品要求还有一定差距，箱体零件具有以下显著特点：
(1)内外形状较为复杂，毛坯多为铸件。由于结构复杂，一般需要三视图来表达一个完整的箱体零件。
(2)主要用于承托轴瓦、套和轴承等，容纳轴、齿轮、弹簧、叶轮和润滑油等，保护内部零件。因此常带有空腔、轴孔、内外承壁、肋、凸台等结构。
(3)常用的底板、底座和机架等与地面连接固定，因此常带有定位销孔、螺孔、光孔和凸台结构。
(4)为使轴承和运行零件得到润滑，在箱底和壁部有油标和凸台等。
箱体类零件特征单元的空间的位置难以确定，描述困难，但通过对箱体类零件的分析可知，箱体的总体轮廓形状大致为六面体形状，其余的特征单元分布在六个方位上。本文用方位层次树表达特征单元的分布。特征单元是构成零件形状的基本要素，箱体类零件的特征单元之间的关系分为两种，一种是主要的特征单元之间的邻接关系，一种是主要特征单元和辅助特征单元之间的从属关系；一个主要特征单元可能与多个其它主特征单元拼接，多个辅助的特征单元可能从属于一个主要特征单元。这种复杂的结构对于计算机内部处理极为不方便。利用方位层次树可以形成一个二叉树的数据结构形式。由于二叉树结构的各种算法十分成熟，因此，零件结构可以清晰表达。六个方位为上、下、左、右、前、后；其标识为1，2，3，4，5，6。简单箱体和方位二叉树如图2所示。 
图2 箱体及其数据结构 箱体的特征单元的总体形状是比较复杂，因此，总结归纳一些主要的轮廓形状作为基本的特征单元。辅助特征单元是具有许多相似的结构，因此，可以在不同箱体之间通用，保证设计的合理性和减少工夹具数量，提高设计效率。箱体零件特征单元的自组织算法如下：
STEP 1：选择总体零件的外轮廓特征单元的ICON，输入参数。自动激发图形单元规则。
STEP 2：如果要进行拼接，则点选任意轮廓单元的内部区域。系统自动识别视图和区域；否则转移到“STEP 4”。
STEP 2.1：如果视图是方位1，则继续；否则转到“STEP 2.2”。
STEP 2.1.1：自动识别区域拼接辅助特征单元特性。
STEP 2.1.2：选择特征单元，输入参数，激活规则。
STEP 2.1.3：系统进行拼接。
STEP 2.1.4：如果需要继续拼接，则返回到“STEP 2.1.2”。否则返回到“STEP 2”。
STEP 2.2：如果视图是方位2，则继续；否则转到“STEP 2.3”。
STEP 2.2.1：自动识别区域拼接辅助特征单元特性。
STEP 2.2.2：选择特征单元，输入参数，激活规则。
STEP 2.2.3：系统进行拼接。
STEP 2.2.4：如果需要继续拼接，则返回到“STEP 2.2.2”。否则返回到“STEP 2”。
STEP 2.3：如果视图是方位3，则继续；否则转到“STEP 2.4”。
STEP 2.3.1：自动识别区域拼接辅助特征单元特性。
STEP 2.3.2：选择特征单元，输入参数，激活规则。
STEP 2.3.3：系统进行拼接。
STEP 2.3.4：如果需要继续拼接，则返回到“STEP 2.3.2”。否则返回到“STEP 2”。
STEP 2.4：如果视图是方位4，则继续；否则转到“STEP 2.5”。
STEP 2.4.1：自动识别区域拼接辅助特征单元特性。
STEP 2.4.2：选择特征单元，输入参数，激活规则。
STEP 2.4.3：系统进行拼接。
STEP 2.4.4：如果需要继续拼接，则返回到“STEP 2.4.2”。否则返回到“STEP 2”。
STEP 2.5：如果视图是方位5，则继续；否则转到“STEP 2.6”。
STEP 2.5.1：自动识别区域拼接辅助特征单元特性。
STEP 2.5.2：选择特征单元，输入参数，激活规则。
STEP 2.5.3：系统进行拼接。
STEP 2.5.4：如果需要继续拼接，则返回到“STEP 2.5.2”。否则返回到“STEP 2”。
STEP 2.6：如果视图是方位6，则继续；否则转到“STEP 2”。
STEP 2.6.1：自动识别区域拼接辅助特征单元特性。
STEP 2.6.2：选择特征单元，输入参数，激活规则。
STEP 2.6.3：系统进行拼接。
STEP 2.6.4：如果需要继续拼接，则返回到“STEP 2.6.2”。否则返回到“STEP 2”。
STEP 3：如果需要继续拼接，则返回“STEP 2”，否则继续。
STEP 4：关闭自动拼接辅助特征单元的工具条，打开交互拼接的工具条，进行交互拼接。
STEP 5：如果产品满足设计需求，存储产品；否则返回到“STEP 4”。
利用特征单元进行建模的部分箱体示例如图3所示。箱体类零件由于其形状复杂，因此，采用轮廓和内部特征单元分类进行归纳，轮廓特征单元初步具有该类产品零件的形状，内部特征单元，可以随着该类零件的特点进行组合与互换，形成同类箱体的变型产品，增加了设计的柔性，同时由于内部特征单元的规范化和合理化，控制了设计零件和工夹具数量，缩短了产品设计开发周期，减少了产品成本。 4 小结 针对机械产品的结构形状提取出特征单元，使特征单元的变换与产品的设计过程相结合，真正把特征单元变成设计师思考和创造的语言。利用特征单元的ICON信息可以方便地进行产品零件的建模。 本文实现了基于特征单元的箱体类产品设计，提出了一系列操作算法。作为支持设计全过程的产品信息设计的特征单元技术，使设计工作在更高层次上进行，使设计师摆脱了传统的基于几何拓扑的低层次交互设计方法，集中精力处理高层次的设计问题，使得设计更加快速和方便，促进了智能CAD的发展。 | 
