計算機輔助設計（CAD）技術從上世紀60年代開始發展至今。由原來以取代人手畫圖的兩維CAD技術，到基于特征的參數化實體建模技術，已經不再單純是為了要建立產品的實體模型，而是協助設計人員設計出更好產品的使能技術。過去，使用兩維或三維計算機輔助設計工具的目的是為了產生工程圖樣，或是為了加工而建模。著眼點都放在工具所產生的結果（模型或工程圖樣）而并沒有注意到使用這些工具的過程。今天，三維實體建模系統已經成為產品開發人員的主要設計手段，是設計過程中不可或缺的重要工具。
產品的設計在使用三維實體設計系統的過程中不斷蛻變成長，最終成為完整的設計。換句話說，使用的設計工具與設計過程已經融為一體。當中有幾項特別重要的使能技術，其一是實體模型的無異義性，能準確和可靠地描述產品的立體幾何形狀。其二是實體模型的可視化程度高，設計人員可以非常直觀地觀察及審視設計中的產品模型。其三就是互動性強，設計人員可隨時拖動、旋轉以及修改模型。在沒有三維實體模型可觀察和審視，又或者在模型難于互動和修改的條件下，設計人員只能憑經驗及想象來進行設計。可視化程度高兼互動性強的三維實體設計系統使得實時建模變得可行。這種實時交互式的建模過程改變了設計人員傳統的『想好了才畫』的設計方法，使得產品建模過程變得更為互動，達到『邊思考邊建模』的設計方法。這種『邊思考邊建模』模式讓設計人員做出更多“如果這樣，會怎樣？”的嘗試，對設計做出更全面的考慮，從而達致更好的產品設計。實體建模的優點毋容置疑。直接在三維的環境中進行產品開發及設計是大勢所趨，是企業走向數字化設計及制造的必經之路。是企業提高自主創新能力的重要手段。
基于歷史的特征建模系統
目前，主流的參數化特征三維建模系統都是基于歷史的。設計歷史實質上是一種單向的特征依賴關系，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。設計歷史的作用主要是為在參數化實體建模系統中的設計意圖提供可修改的機制。參數化實體建模系統可以建立全相關的三維實體模型。正如裝配體是由許多單獨的零件組成一樣，基于特征的參數化實體建模系統中的零件模型是由許多單獨的元素組成的，這些元素被稱為特征。特征一般可分為草圖特征和應用特征。
- 草圖特征：基于二維草圖的特征，通常該草圖可以通過拉伸、旋轉、掃描或放樣轉換為實體。
- 應用特征：直接創建在實體模型上的特征。例如圓角、倒角和拔模斜度等就是這種類型的特征。
所謂參數化即用于創建特征的尺寸與關系可以被記錄并存于設計模型中。這不僅可使模型充分體現設計人員的設計意圖，而且還能夠快速而容易地修改模型。關于模型被改后如何表現的計劃稱為設計意圖。例如，設計人員創建成了一個含有盲孔的凸臺，當凸臺移動時，盲孔也應該隨之移動。同樣，如果設計人員創建了有6個等距孔的圓周陣列，當把孔的數目改為8個后，孔之間的角度也應該能夠自動改變。在設計過程中，使用什么方法來建立模型，決定于設計人員將如何體現設計意圖，以及體現什么類型的設計意圖。
設計歷史記錄了創建模型的特征順序，即模型的特征結構。參數化實體建模系統一般通過一個被稱為“設計樹”或者“特征樹”的界面顯示模型的特征結構。“特征樹”不僅可以顯示特征創建的順序，而且還可以得到特征的相關信息和對特征進行操作。圖一所示為一個由多個特征組成的零件。圖中顯示了這些特征與它們在“特征樹”列表中的一一對應關系。
圖一：特征樹與特征的對應關系
三維設計的挑戰
實體建模的優點毋容置疑。要充份發揮參變數設計系統的強大功能，設計人員需要花時間學習和掌握實體建模系統。事實上，過去的三維設計系統過于復雜，難學難用，設計人員往往消耗大部分時間在思考能否及如何建模。今天的三維設計系統已經大有進步，但設計人員仍然花上一半的時間在使用設計系統上。未來的系統應該更具人性化，更易于使用和更便于交流。工程師及設計人員可以花絕大部分時間在思考產品設計及工程等問題，而不是忙于學習及忖摸如何使用設計工具。圖二所示為設計人員在過去，現在及未來花在使用三維設計工具及在產品設計上的時間比例。
圖二：設計人員花在進行設計與思考使用CAD的時間比例
設計歷史的引入為在參數化特征三維建模系統中維護設計意圖提供了便利，但同時也帶來一定的不便。為了有效地使用基于歷史的參數化特征建模系統，設計者必須在建模之前考慮好設計意圖。設計意圖是關于模型被修改后如何表現的計劃，模型創建的方式決定它將怎樣被修改，不同的建模方式會影響到設計的可修改性。
目前，絕大多數使用基于歷史的三維CAD系統的設計人員仍然花上不少時間在處理一些與設計沒有直接關系的建模問題上，包括：
- 倒角和圓角特征的特殊應用技巧；
- 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系。
在進行實體建模時除了要考慮草圖尺寸標注及特征的選擇外，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系統都采用一種樹結構的表達方式來顯示建模的特征歷史。由于改變特征的先后次序會改變模型的形狀，新的特征必須添加在模型特征樹的適當位置上，才能達到理想中的結果。不正確添加或修改特征會使得模型錯誤地改變甚至會導致部分特征失效。直到目前為止，設計人員需要接受專門的培訓和掌握相當的建模技巧和經驗，才懂得在那里及如何添加新特征和對現有特征實施改變。
智能特征技術
智能特征技術(SWIFT)是一個技術平臺，可以消除大量在建模及設計變更時所需要的手工勞動。智能特征技術能自動整理和排列應用特征的順序，讓設計人員可以專注產品的設計工作而非設計工具本身，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軟件而并非在進行產品設計的時間。目前，絕大部分的企業都面臨并意識到同樣的挑戰 – 快速產品開發，提高產品質量以及降低生產成本。設計人員花在思考如何使用三維設計工具的時間越長，則專注在產品設計的時間就越短，使用三維CAD軟件的成本，即設計成本就越高。智能特征技術讓新手能快速地掌握三維設計技巧，提高設計人員的工作效率，大大的降低設計成本。下面將具體說明智能特征技術如何提高設計人員的生產力。
圓角
基于多種的原因，可能是為了減低應力，又或者是防止刮痕或增強美感，設計人員很多時需要在模型的銳邊上倒圓角。驟眼看去，倒圓角應該是非常簡單而直截了當的工作，事實卻不是這樣。以圖三中的零件為例。假如我們要對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時，并不可取。所以，設計人員一般都會采用大部分三維CAD系統都有提供的框選方法，一次性選取所有邊線，再執行圓角的指令。但這方法也不是每一次都能成功，因為像圖三這樣一個包含了那么多邊線的零件很難以單一的圓角指令來直接完成。如果強行要求CAD系統對所有邊線進行一次性的倒圓角操作，系統一般都會報錯，又或者只能完成部分任務。如圖四所示。這時候，設計人員只好從頭開始，以小組的形式選取邊線，一組一組的進行倒圓角的操作。即使如此，對邊線小組的指令也往往在沒有明顯的理由下出現報錯的情形而無法完成。設計人員只好再選取別的邊線組，繼續嘗試，直到完成所有圓角工作為止。這種人工的倒圓角迭代過程，即使對經驗比較豐富的資深設計人員來說，往往也要花費好幾個小時或者更多的時間。遇上更復雜的模型，經驗相對比較淺或者是剛遷移到三維設計環境的設計人員，甚至要耗上數天的時間才能完成這項看似簡單的倒圓角工作。
圖三：有315條邊線的零件
圖四：對所有邊線進行圓角操作時，系統報錯
利用智能特征技術就可以很輕松的解決上述倒圓角問題。智能特征技術的特征專家能處理產生圓角特征時所遇到的問題。當圓角指令出現報錯時，特征專家會將圓角特征分成若干小組，按可以產生特征的順序自動排列，形成特征歷史結構樹。當設計人員加入或改變因重新計算而可能導致錯誤的圓角特征時，特征專家會自動修正錯誤。有了特征專家，設計人員再也不必為模型中圓角的生成順序費盡心思。現在，只需框選零件中的所有邊線，再執行圓角指令。特征專家會確定如何最好地生成圓角，邊線分組和特征排序等繁復迭代過程完全在系統的后臺進行。設計人員只需通過單一操作就可得出結果而不必擔心特征生成的順序。以圖三這個零件為例，特征專家會將315條邊線分成4個圓角特征組，在數分鐘內就可以自動完成整個倒圓角任務，而無需任何的人手干預。結果如圖五所示。
有的時候，設計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。要達到以上目的，傳統的三維CAD系統要求設計人員修改或編輯現有的圓角特征，或者刪除邊線上多余的圓角。這樣一來，設計人員便需要更改設計歷史的內容或次序。在很多的情況下，這些改變會導致原來的圓角失效，設計人員只好重新整理現有的特征。一個簡單的設計變更往往為設計人員帶來極大的麻煩，又重回到前面所描述的人工迭代過程，浪費很多寶貴的設計時間。
圖六所示為利用智能特征技術來處理復雜的圓角產生先后次序問題。傳統的CAD倒圓角方法往往無法在單一指令下完成如此復雜的多邊線相互交叉圓角。即使能完成，也要花費很多時間。要修改還須從頭再來。相反地，智能特征技術允許設計人員修改或刪除個別的圓角特征而毋須改變其它特征。萬一在修改或刪除的過程中導致其它的特征失效，特征專家會自動修復受到影響的特征而無須設計人員的干預。
圖五：智能特征技術能在單次操作形成315條邊線的圓角特征
圖六：智能特征技術能自動處理復雜的圓角生成先后順序問題
另一種在基于歷史的參數化特征三維建模系統中常見的問題就是特征與特征間的單向依賴關系。 理想的規范化建模方法應該將主要的零件特征關聯起來，而又獨立于圓角、倒角之類的局部特征外。因此，富經驗的三維設計人員都知道應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對圓角產生依賴關系（也稱為兒子關系）。但是，在實際的建模過程中，由于前面所述的問題，設計人員都不想等到模型建模完成后才進行倒圓角。往往是一邊建模一邊倒圓角。圖七所示為附有多個依賴特征的圓角特征。這種做法使得后續的特征或多或少都會與圓角等局部特征形成單向的依賴關系，使得日后對模型的修改變得困難。令原來功能強大的參數化特征三維建模方法難以發揮應有的功效。
智能特征技術的特征專家能自動判別和處理圓角與其它特征的相互關系。當特征專家處理圓角時發現已有或將會有其它特征依賴該圓角特征時，特征專家會嘗試打斷這些依賴關系而建立更便于修改的模型特征樹。圖八所示為特征專家為圖七模型建立新的特征樹，可以看到再也沒有其它特征依賴于原來的圓角特征。結果是實體模型更便于修改和更新、能更好地被重復使用。
圖七：多個子特征依賴于圓角特征
圖八：其它特征獨立于圓角特征
拔模
對于注塑件或者是鑄件而言，設計人員都知道在設計過程中應該盡可能避免產生與拔模方向平行的面。這是由于當模具沿著拔模方向打開時，這些與拔模方向平行的面會將模具鎖死甚至破壞零件。要防止在開模時鎖死模具，設計人員一般都會對某一組面（拔模面）施加一個小斜度，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，讓設計人員在完成主要的特征后，對某些面添加拔模斜度。這種做法主要是由于對整體模型施加拔模特征會比在產生單個特征時同時產生拔模特征來得容易。
但是，拔模特征與前面的圓角特征有著同樣的問題。那就是拔模特征的形成需要與很多周邊的面或者特征產生互動，很多時候這些互動會引起特征之間的沖突，當沖突無法解決時，就會導致拔模特征失敗又或者產生出不符合設計人員要求的模型。因此，有經驗的三維設計人員都知道應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雜，難以實施。
圖九中所示為兩塊上下重疊的方塊。一般來說，若要對所有垂直面添加拔模斜度，應該先拔模，再倒圓角。如果直接對圖九中的模型進行拔模操作，幾乎所有基于歷史的特征三維建模系統都會出現報錯而不能完成該指令。原因是由于拔模特征會影響到周邊的其它特征，包括圓角特征。在這個例子中，新增的拔模特征會影響到部分的圓角特征無法與原來相切的面保持相切而導致失效，因此系統會出現報錯。有部分系統就算能勉強完成任務，所生成的模型也并非設計人員想要的理想結果。圖十所示為由圖九模型直接添加拔模特征，原來的圓角特征出現過切現象，并不符合設計人員的設計意圖。
圖九：對這樣一個簡單零件添加拔模特征也需要將現有的特征重組
圖十：有的軟件在圓角特征后生成的拔模特征會導致模型出現過切情況
在現實設計工作中，設計人員往往忘記了在倒圓角前先進行拔模的操作。又或者是由于制造的要求而需要對已完成的設計再添加拔模斜度。在這種情況下，設計人員只好退回到“特征樹”中還沒有產生圓角特征的狀態，再加入拔模特征。對于比較簡單的模型（如圖九中的模型），這種操作還不算困難，可是遇上更復雜的模型，就會變成對設計人員的重大挑戰。
智能特征技術的特征專家能自動判別并將拔模特征放置在圓角特征或其它會導致拔模失敗的特征的前面--即使拔模斜度是設計完成以后才需要添加的一個特征。這樣一來，設計人員就可以專注設計而不必浪費時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對圖九中的模型添加拔模特征。特征專家會自動找出模型中與拔模特征有關聯的圓角特征，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結構，能看到拔模特征被加入在原來圓角特征之前。
圖十一：智能特征技術自動產生拔模特征
圖十二：拔模加入在原來圓角特征之前
草圖
二維草圖是創建三維模型的基礎。很多時候，三維模型都是首先在二維環境建立草圖特征，再通過拉伸、旋轉、掃描、放樣等三維手段形成實體模型。一般來說，三維CAD系統都包含草圖工具讓設計人員建立和修改草圖。草圖是二維幾何圖形的組合，用于建立實體特征。各種類型的二維幾何元素，如直線、圓弧和矩形等幾何體構成了草圖。幾何關系，如水平或豎直，可以應用于繪制幾何體，這些幾何關系限制了草圖實體的移動。每個草圖都有一個狀態來決定它可否使用，這些狀態為：完全定義、欠定義、或者過定義。視乎個別軟件而異，有的三維CAD系統允許草圖在不完全定義下生成三維實體， 有的則要求草圖必須完全定義才可進一步產生三維實體。不管采用的是那一種方式，適當的添加幾何約束關系可以更有效的保留設計人員的設計意圖，令日后三維模型的變化具可測性和更易于修改。以圖十三這個簡單的圓筒形特征為例。假若設計人員需要為這個特征建立完整的系列產品，那么，設計人員該如何定義草圖中各幾何元素的相互關系？
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
這個零件的二維草圖如圖十四所示。要充分定義這個草圖，設計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
- 草圖上的其中一點已被固定
假如上面的五項約束沒有被定義，這草圖就可以不按照規則移動和改變形狀，令設計人員無法預測它的形狀變化。
大多數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系。但CAD系統沒有那么聰明，需要使用者明確的逐一定義這些約束關系。為草圖逐一定義這些顯而易見的幾何約束關系是一件單調沉悶的，冗長乏味的工作。因此，大多數的三維CAD系統都提供自動化的工具來輔助設計人員完成此項工作。有些約束關系在設計人員繪制草圖時就會自動產生。比如說，設計人員在草圖上繪制一條水平直線，系統會自動給繪制的直線添加一個“水平”的幾何關系，有的系統則會同時顯示直線的長度。自動添加幾何約束關系的功能一般是通過光標的反饋符號和推理線來實現。光標的反饋符號可以顯示出當前繪制的幾何體的情況（如“水平”或“豎直”），同時還可以表明對現有幾何體的捕捉情況，如捕捉到端點、中點 或者重合點等類型。以虛線顯示的推理線也可以幫助設計人員排列現有幾何體。推理線可以包括現有的線矢量、法線、平行、垂直、相切和同心等。需要注意的是，一些推理線會捕捉到確切的幾何關系，而其他的推理線則只是簡單地作為草圖繪制過程中的指引線或參考線來使用。
利用光標反饋符號和推理線等工具雖然可以幫助設計人員在繪制草圖時同時添加部分的幾何約束關系，但假如繪制的是一個很復雜的草圖，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軟件所繪制的火車輪子的二維剖面圖。將二維圖導入到三維CAD系統的草圖環境中，再通過旋轉就可以產生如圖十六所示的火車輪子實體模型。
像圖十五這一類從二維系統導進來，本身不包含幾何約束關系信息的草圖，設計人員需要在三維系統的草圖環境下對草圖從新標注尺寸和添加約束關系，才可以對模型進行參數化修改。要達到草圖完全定義、符合設計要求、又要避免在過程中對某些幾何元素造成過約束關系，是一件極富挑戰性，絕不簡單的任務。因此，許多三維CAD系統都進一步提供“草圖自動完全定義”功能，可以對草圖自動標注尺寸和添加幾何約束關系。圖十七所示為利用“草圖自動完全定義”功能后的結果 - 尺寸自動標注而且整齊排列，幾何約束關系如水平、豎直、平行、垂直、相切等自動添加，達到了草圖完全定義的效果。這種先進功能為設計人員帶來方便，舒緩了從二維遷移到三維的瓶頸，提高了設計效率。
但是，在實際的設計過程中，由系統自動標注的尺寸和自動添加的約束不一定是設計人員所需要的。這時候，設計人員必須對已經完全定義的草圖進行再定義。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。無論是采用何種手段，一般都會導致一部分草圖尺寸和幾何關系過約束而另外一部分草圖尺寸和幾何關系欠約束，形成內部沖突。目前的三維CAD系統都無法有效處理這些沖突，設計人員只好費時間用手工的方法來解決問題。
圖十七：完全定義的火車輪子草圖
圖十八：未完全定義的二維草
智能特征技術的草圖專家提供了多種解決方法來幫助設計人員了解草圖中的尺寸和幾何關系。了解草圖中的幾何關系使捕獲設計意圖變得更容易。草圖專家會為設計人員提供解決方案，幫助處理草圖尺寸和幾何關系中存在的任何沖突。以前，設計人員需要花很長時間才可以理解和解決這些沖突。圖十八所示是一個未完全定義的草圖。草圖專家首先會按照設計人員的設定為草圖自動完成尺寸標注和添加幾何關系（圖十九），形成完全定義草圖。當設計人員再添加新的尺寸或幾何關系而引起沖突時，草圖專家會作出警報并以不同顏色顯示所有受到影響的相關尺寸和幾何關系（圖二十）。最重要的是草圖專家會進一步提出多個解決方案供設計人員選擇（圖二十一 和圖二十二），使得設計人員在最低程度的干預下，能快速地調整草圖內的驅動尺寸和幾何元素間的約束關系，同時又可保持草圖完全定義。這樣一來，智能特征技術讓設計人員可以隨時對已經完全定義的草圖進行再定義而不必擔心因修改帶來的種種難于處理的約束沖突問題。
圖十九：采用系統自動完全定義的結果
圖二十：添加新尺寸引起約束沖突
圖二十一：草圖專家提供解決方案一
圖二十二：草圖專家提供解決方案二
配合
與二維草圖內的幾何元素一樣，三維裝配體里面的各個子裝配體和零部件之間存在著各種約束關系，即所謂“配合關系”。裝配體越大，零部件越多，零部件之間的配合關系就越復雜。每當要修改裝配體，又或者要替換個別的子裝配和零部件，原來的配合關系就可能無法保持或與新添加的配合關系發生沖突。設計人員往往要花費很多時間來處理這些沖突。事實上，很多設計人員寧可刪掉原有的配合關系而重新定義。
智能特征技術的配合專家允許設計人員查看裝配體錯誤并強制配合解決問題。配合狀態顯示在狀態欄中。當顯示配合警告或錯誤時，單擊該狀態可運行“查看配合”。配合專家可以處理裝配體配合沖突。設計人員可以分離問題，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
隨著約束求解技術和特征建模技術的日趨成熟，基于歷史的的參數化特征三維建模方法已經成為當今三維CAD系統的主流 。其好處是零部件與裝配體和工程圖全關聯，便于進行設計變更和修改。可是，這種系統要求設計人員在建模之初就要考慮好設計意圖。對新手或者是剛遷移到三維設計環境，對三維建模過程不了解，但有著豐富設計經驗的資深工程師來說反而變成一種負擔。在使用過程中往往適得其反，非但不能發揮三維CAD系統的優勢，反而浪費很多時間在處理一些與設計無關的工作上，尤其是在忖摸如何處理在建模時因特征順序錯位而產生的種種問題。
智能特征技術（SWIFT）是一個嶄新的技術平臺，讓基于歷史的特征設計方法跨越了從自動化到智能化的門檻。 設計人員不僅具備了將復雜的操作簡化為最少量命令的全新方式 ，他們現在還具備了大多數有造詣的三維建模專家才具有的智慧和專門知識。智能特征技術包括了特征專家、草圖專家、和配合專家等，它們可以消除大量在建模及設計變更時所需要的手工勞動。智能特征技術能自動整理和排列應用特征的順序，讓設計人員可以專注產品的設計而非設計工具本身，大大的提高了設計人員的設計效率，最大程度的減低使用三維CAD軟件的成本。智能特征技術將影響今后CAD技術的發展并引領三維設計進入新潮流。
參考文獻
[1] Ibrahim Zeid, “CAD/CAM, Theory and Practice”, McGraw Hill, 1991
[2] J. Shah, M.Mantyla. “Parametric and Feature-Based CAD/CAM”. Wiley-Interscience 1995.
[3] 王彥偉, 陳立平, 黃正東, 鐘毅芳等. “面向與歷史無關造型的三維約束求解方法研究”. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2004, 16(5): pp648~654.
[4] 葉修梓, 陳超祥主編. “SolidWorks 2005 基礎教程: 零件與裝配體”. 電子工業出版社, 2005.10.
[5] 陳超祥, “設計分析一體化—— 嶄新的產品 開發手段”. 中國制造業技術信息化 (PLM)年會文集, 廣州, 2005.12, pp13~18.
[6] 陳超祥,“超越實體建模——互動式的裝配體建模技術”. 機械設計雜志 2006 增 刊, 中國機械工程學會機械設計分會, 2006.8 (23): pp227~229.
[7] 陳超祥,“SolidWorks 2007 引領三維設計新潮流
