计算机辅助设计（CAD）技术从上世纪60年代开始发展至今。由原来以取代人手画图的两维CAD技术，到基于特征的参数化实体建模技术，已经不再单纯是为了要建立产品的实体模型，而是协助设计人员设计出更好产品的使能技术。过去，使用两维或三维计算机辅助设计工具的目的是为了产生工程图样，或是为了加工而建模。着眼点都放在工具所产生的结果（模型或工程图样）而并没有注意到使用这些工具的过程。今天，三维实体建模系统已经成为产品开发人员的主要设计手段，是设计过程中不可或缺的重要工具。
产品的设计在使用三维实体设计系统的过程中不断蜕变成长，最终成为完整的设计。换句话说，使用的设计工具与设计过程已经融为一体。当中有几项特别重要的使能技术，其一是实体模型的无异义性，能准确和可靠地描述产品的立体几何形状。其二是实体模型的可视化程度高，设计人员可以非常直观地观察及审视设计中的产品模型。其三就是互动性强，设计人员可随时拖动、旋转以及修改模型。在没有三维实体模型可观察和审视，又或者在模型难于互动和修改的条件下，设计人员只能凭经验及想象来进行设计。可视化程度高兼互动性强的三维实体设计系统使得实时建模变得可行。这种实时交互式的建模过程改变了设计人员传统的『想好了才画』的设计方法，使得产品建模过程变得更为互动，达到『边思考边建模』的设计方法。这种『边思考边建模』模式让设计人员做出更多“如果这样，会怎样？”的尝试，对设计做出更全面的考虑，从而达致更好的产品设计。实体建模的优点毋容置疑。直接在三维的环境中进行产品开发及设计是大势所趋，是企业走向数字化设计及制造的必经之路。是企业提高自主创新能力的重要手段。
基于历史的特征建模系统
目前，主流的参数化特征三维建模系统都是基于历史的。设计历史实质上是一种单向的特征依赖关系，即建模前期生成的特征决定建模后期生成的特征的形状和位置3。设计历史的作用主要是为在参数化实体建模系统中的设计意图提供可修改的机制。参数化实体建模系统可以建立全相关的三维实体模型。正如装配体是由许多单独的零件组成一样，基于特征的参数化实体建模系统中的零件模型是由许多单独的元素组成的，这些元素被称为特征。特征一般可分为草图特征和应用特征。
- 草图特征：基于二维草图的特征，通常该草图可以通过拉伸、旋转、扫描或放样转换为实体。
- 应用特征：直接创建在实体模型上的特征。例如圆角、倒角和拔模斜度等就是这种类型的特征。
所谓参数化即用于创建特征的尺寸与关系可以被记录并存于设计模型中。这不仅可使模型充分体现设计人员的设计意图，而且还能够快速而容易地修改模型。关于模型被改后如何表现的计划称为设计意图。例如，设计人员创建成了一个含有盲孔的凸台，当凸台移动时，盲孔也应该随之移动。同样，如果设计人员创建了有6个等距孔的圆周阵列，当把孔的数目改为8个后，孔之间的角度也应该能够自动改变。在设计过程中，使用什么方法来建立模型，决定于设计人员将如何体现设计意图，以及体现什么类型的设计意图。
设计历史记录了创建模型的特征顺序，即模型的特征结构。参数化实体建模系统一般通过一个被称为“设计树”或者“特征树”的界面显示模型的特征结构。“特征树”不仅可以显示特征创建的顺序，而且还可以得到特征的相关信息和对特征进行操作。图一所示为一个由多个特征组成的零件。图中显示了这些特征与它们在“特征树”列表中的一一对应关系。
图一：特征树与特征的对应关系
三维设计的挑战
实体建模的优点毋容置疑。要充份发挥参变数设计系统的强大功能，设计人员需要花时间学习和掌握实体建模系统。事实上，过去的三维设计系统过于复杂，难学难用，设计人员往往消耗大部分时间在思考能否及如何建模。今天的三维设计系统已经大有进步，但设计人员仍然花上一半的时间在使用设计系统上。未来的系统应该更具人性化，更易于使用和更便于交流。工程师及设计人员可以花绝大部分时间在思考产品设计及工程等问题，而不是忙于学习及忖摸如何使用设计工具。图二所示为设计人员在过去，现在及未来花在使用三维设计工具及在产品设计上的时间比例。
图二：设计人员花在进行设计与思考使用CAD的时间比例
设计历史的引入为在参数化特征三维建模系统中维护设计意图提供了便利，但同时也带来一定的不便。为了有效地使用基于历史的参数化特征建模系统，设计者必须在建模之前考虑好设计意图。设计意图是关于模型被修改后如何表现的计划，模型创建的方式决定它将怎样被修改，不同的建模方式会影响到设计的可修改性。
目前，绝大多数使用基于历史的三维CAD系统的设计人员仍然花上不少时间在处理一些与设计没有直接关系的建模问题上，包括：
- 倒角和圆角特征的特殊应用技巧；
- 铸件和注塑件拔模面的特征次序重排；
- 添加和管理草图与装配体的约束关系。
在进行实体建模时除了要考虑草图尺寸标注及特征的选择外，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系统都采用一种树结构的表达方式来显示建模的特征历史。由于改变特征的先后次序会改变模型的形状，新的特征必须添加在模型特征树的适当位置上，才能达到理想中的结果。不正确添加或修改特征会使得模型错误地改变甚至会导致部分特征失效。直到目前为止，设计人员需要接受专门的培训和掌握相当的建模技巧和经验，才懂得在那里及如何添加新特征和对现有特征实施改变。
智能特征技术
智能特征技术(SWIFT)是一个技术平台，可以消除大量在建模及设计变更时所需要的手工劳动。智能特征技术能自动整理和排列应用特征的顺序，让设计人员可以专注产品的设计工作而非设计工具本身，尽可能减低使用三维CAD软件的成本。所谓“使用三维CAD软件的成本”即工程师花在思考如何使用三维CAD软件而并非在进行产品设计的时间。目前，绝大部分的企业都面临并意识到同样的挑战 – 快速产品开发，提高产品质量以及降低生产成本。设计人员花在思考如何使用三维设计工具的时间越长，则专注在产品设计的时间就越短，使用三维CAD软件的成本，即设计成本就越高。智能特征技术让新手能快速地掌握三维设计技巧，提高设计人员的工作效率，大大的降低设计成本。下面将具体说明智能特征技术如何提高设计人员的生产力。
圆角
基于多种的原因，可能是为了减低应力，又或者是防止刮痕或增强美感，设计人员很多时需要在模型的锐边上倒圆角。骤眼看去，倒圆角应该是非常简单而直截了當的工作，事实却不是这样。以图三中的零件为例。假如我们要对零件上所有的边线倒出2mm的圆角，利用手工逐一选取而又不漏掉任何一条边线的方法显然是非常麻烦和费时，并不可取。所以，设计人员一般都会采用大部分三维CAD系统都有提供的框选方法，一次性选取所有边线，再执行圆角的指令。但这方法也不是每一次都能成功，因为像图三这样一个包含了那么多边线的零件很难以单一的圆角指令来直接完成。如果强行要求CAD系统对所有边线进行一次性的倒圆角操作，系统一般都会报错，又或者只能完成部分任务。如图四所示。这时候，设计人员只好从头开始，以小组的形式选取边线，一组一组的进行倒圆角的操作。即使如此，对边线小组的指令也往往在没有明显的理由下出现报错的情形而无法完成。设计人员只好再选取别的边线组，继续尝试，直到完成所有圆角工作为止。这种人工的倒圆角迭代过程，即使对经验比较丰富的资深设计人员来说，往往也要花费好几个小时或者更多的时间。遇上更复杂的模型，经验相对比较浅或者是刚迁移到三维设计环境的设计人员，甚至要耗上数天的时间才能完成这项看似简单的倒圆角工作。
图三：有315条边线的零件
图四：对所有边线进行圆角操作时，系统报错
利用智能特征技术就可以很轻松的解决上述倒圆角问题。智能特征技术的特征专家能处理产生圆角特征时所遇到的问题。当圆角指令出现报错时，特征专家会将圆角特征分成若干小组，按可以产生特征的顺序自动排列，形成特征历史结构树。当设计人员加入或改变因重新计算而可能导致错误的圆角特征时，特征专家会自动修正错误。有了特征专家，设计人员再也不必为模型中圆角的生成顺序费尽心思。现在，只需框选零件中的所有边线，再执行圆角指令。特征专家会确定如何最好地生成圆角，边线分组和特征排序等繁复迭代过程完全在系统的后台进行。设计人员只需通过单一操作就可得出结果而不必担心特征生成的顺序。以图三这个零件为例，特征专家会将315条边线分成4个圆角特征组，在数分钟内就可以自动完成整个倒圆角任务，而无需任何的人手干预。结果如图五所示。
有的时候，设计人员未必要求所有圆角都有着同一圆角半径，又或者需要留下若干边线不作圆角，如图五零件的底座部分。要达到以上目的，传统的三维CAD系统要求设计人员修改或编辑现有的圆角特征，或者删除边线上多余的圆角。这样一来，设计人员便需要更改设计历史的内容或次序。在很多的情况下，这些改变会导致原来的圆角失效，设计人员只好重新整理现有的特征。一个简单的设计变更往往为设计人员带来极大的麻烦，又重回到前面所描述的人工迭代过程，浪费很多宝贵的设计时间。
图六所示为利用智能特征技术来处理复杂的圆角产生先后次序问题。传统的CAD倒圆角方法往往无法在单一指令下完成如此复杂的多边线相互交叉圆角。即使能完成，也要花费很多时间。要修改还须从头再来。相反地，智能特征技术允许设计人员修改或删除个别的圆角特征而毋须改变其它特征。万一在修改或删除的过程中导致其它的特征失效，特征专家会自动修复受到影响的特征而无须设计人员的干预。
图五：智能特征技术能在单次操作形成315条边线的圆角特征
图六：智能特征技术能自动处理复杂的圆角生成先后顺序问题
另一种在基于历史的参数化特征三维建模系统中常见的问题就是特征与特征间的单向依赖关系。 理想的规范化建模方法应该将主要的零件特征关联起来，而又独立于圆角、倒角之类的局部特征外。因此，富经验的三维设计人员都知道应该将倒圆角留在后面，作为模型建模的最后一道工序。目的是确保别的特征不会对圆角产生依赖关系（也称为儿子关系）。但是，在实际的建模过程中，由于前面所述的问题，设计人员都不想等到模型建模完成后才进行倒圆角。往往是一边建模一边倒圆角。图七所示为附有多个依赖特征的圆角特征。这种做法使得后续的特征或多或少都会与圆角等局部特征形成单向的依赖关系，使得日后对模型的修改变得困难。令原来功能强大的参数化特征三维建模方法难以发挥应有的功效。
智能特征技术的特征专家能自动判别和处理圆角与其它特征的相互关系。当特征专家处理圆角时发现已有或将会有其它特征依赖该圆角特征时，特征专家会尝试打断这些依赖关系而建立更便于修改的模型特征树。图八所示为特征专家为图七模型建立新的特征树，可以看到再也没有其它特征依赖于原来的圆角特征。结果是实体模型更便于修改和更新、能更好地被重复使用。
图七：多个子特征依赖于圆角特征
图八：其它特征独立于圆角特征
拔模
对于注塑件或者是铸件而言，设计人员都知道在设计过程中应该尽可能避免产生与拔模方向平行的面。这是由于当模具沿着拔模方向打开时，这些与拔模方向平行的面会将模具锁死甚至破坏零件。要防止在开模时锁死模具，设计人员一般都会对某一组面（拔模面）施加一个小斜度，即所谓的拔模斜度。目前，大部分的三维CAD软件都提供拔模特征功能，让设计人员在完成主要的特征后，对某些面添加拔模斜度。这种做法主要是由于对整体模型施加拔模特征会比在产生单个特征时同时产生拔模特征来得容易。
但是，拔模特征与前面的圆角特征有着同样的问题。那就是拔模特征的形成需要与很多周边的面或者特征产生互动，很多时候这些互动会引起特征之间的冲突，当冲突无法解决时，就会导致拔模特征失败又或者产生出不符合设计人员要求的模型。因此，有经验的三维设计人员都知道应该将拔模特征放在主特征之后，而又在圆角特征之前。这种要求使得拔模特征在操作上变得复杂，难以实施。
图九中所示为两块上下重叠的方块。一般来说，若要对所有垂直面添加拔模斜度，应该先拔模，再倒圆角。如果直接对图九中的模型进行拔模操作，几乎所有基于历史的特征三维建模系统都会出现报错而不能完成该指令。原因是由于拔模特征会影响到周边的其它特征，包括圆角特征。在这个例子中，新增的拔模特征会影响到部分的圆角特征无法与原来相切的面保持相切而导致失效，因此系统会出现报错。有部分系统就算能勉强完成任务，所生成的模型也并非设计人员想要的理想结果。图十所示为由图九模型直接添加拔模特征，原来的圆角特征出现过切现象，并不符合设计人员的设计意图。
图九：对这样一个简单零件添加拔模特征也需要将现有的特征重组
图十：有的软件在圆角特征后生成的拔模特征会导致模型出现过切情况
在现实设计工作中，设计人员往往忘记了在倒圆角前先进行拔模的操作。又或者是由于制造的要求而需要对已完成的设计再添加拔模斜度。在这种情况下，设计人员只好退回到“特征树”中还没有产生圆角特征的状态，再加入拔模特征。对于比较简单的模型（如图九中的模型），这种操作还不算困难，可是遇上更复杂的模型，就会变成对设计人员的重大挑战。
智能特征技术的特征专家能自动判别并将拔模特征放置在圆角特征或其它会导致拔模失败的特征的前面--即使拔模斜度是设计完成以后才需要添加的一个特征。这样一来，设计人员就可以专注设计而不必浪费时间在那些令人沮丧的拔模和圆角迭代尝试。图十一所示为利用智能特征技术对图九中的模型添加拔模特征。特征专家会自动找出模型中与拔模特征有关联的圆角特征，将拔模特征加入在这些圆角特征前面。图十二为添加拔模特征前后的特征树结构，能看到拔模特征被加入在原来圆角特征之前。
图十一：智能特征技术自动产生拔模特征
图十二：拔模加入在原来圆角特征之前
草图
二维草图是创建三维模型的基础。很多时候，三维模型都是首先在二维环境建立草图特征，再通过拉伸、旋转、扫描、放样等三维手段形成实体模型。一般来说，三维CAD系统都包含草图工具让设计人员建立和修改草图。草图是二维几何图形的组合，用于建立实体特征。各种类型的二维几何元素，如直线、圆弧和矩形等几何体构成了草图。几何关系，如水平或竖直，可以应用于绘制几何体，这些几何关系限制了草图实体的移动。每个草图都有一个状态来决定它可否使用，这些状态为：完全定义、欠定义、或者过定义。视乎个别软件而异，有的三维CAD系统允许草图在不完全定义下生成三维实体， 有的则要求草图必须完全定义才可进一步产生三维实体。不管采用的是那一种方式，适当的添加几何约束关系可以更有效的保留设计人员的设计意图，令日后三维模型的变化具可测性和更易于修改。以图十三这个简单的圆筒形特征为例。假若设计人员需要为这个特征建立完整的系列产品，那么，设计人员该如何定义草图中各几何元素的相互关系？
图十三：不同大小的圆筒形特征
图十四：圆筒形特征的二维草图
这个零件的二维草图如图十四所示。要充分定义这个草图，设计人员必须添加下列约束条件：
- 底线是水平的
- 两边的竖直线是等长的
- 顶部的圆弧与两边线相切
- 图形的高度与宽度已给出
- 草图上的其中一点已被固定
假如上面的五项约束没有被定义，这草图就可以不按照规则移动和改变形状，令设计人员无法预测它的形状变化。
大多数人单凭观察上述草图的轮廓和形状，就可以推断出前三条的约束关系。但CAD系统没有那么聪明，需要使用者明确的逐一定义这些约束关系。为草图逐一定义这些显而易见的几何约束关系是一件单调沉闷的，冗长乏味的工作。因此，大多数的三维CAD系统都提供自动化的工具来辅助设计人员完成此项工作。有些约束关系在设计人员绘制草图时就会自动产生。比如说，设计人员在草图上绘制一条水平直线，系统会自动给绘制的直线添加一个“水平”的几何关系，有的系统则会同时显示直线的长度。自动添加几何约束关系的功能一般是通过光标的反馈符号和推理线来实现。光标的反馈符号可以显示出当前绘制的几何体的情况（如“水平”或“竖直”），同时还可以表明对现有几何体的捕捉情况，如捕捉到端点、中点 或者重合点等类型。以虚线显示的推理线也可以帮助设计人员排列现有几何体。推理线可以包括现有的线矢量、法线、平行、垂直、相切和同心等。需要注意的是，一些推理线会捕捉到确切的几何关系，而其他的推理线则只是简单地作为草图绘制过程中的指引线或参考线来使用。
利用光标反馈符号和推理线等工具虽然可以帮助设计人员在绘制草图时同时添加部分的几何约束关系，但假如绘制的是一个很复杂的草图，要完全定义草图仍然是一件不轻松的工作。图十五中所示为利用二维CAD软件所绘制的火车轮子的二维剖面图。将二维图导入到三维CAD系统的草图环境中，再通过旋转就可以产生如图十六所示的火车轮子实体模型。
像图十五这一类从二维系统导进来，本身不包含几何约束关系信息的草图，设计人员需要在三维系统的草图环境下对草图从新标注尺寸和添加约束关系，才可以对模型进行参数化修改。要达到草图完全定义、符合设计要求、又要避免在过程中对某些几何元素造成过约束关系，是一件极富挑战性，绝不简单的任务。因此，许多三维CAD系统都进一步提供“草图自动完全定义”功能，可以对草图自动标注尺寸和添加几何约束关系。图十七所示为利用“草图自动完全定义”功能后的结果 - 尺寸自动标注而且整齐排列，几何约束关系如水平、竖直、平行、垂直、相切等自动添加，达到了草图完全定义的效果。这种先进功能为设计人员带来方便，舒缓了从二维迁移到三维的瓶颈，提高了设计效率。
但是，在实际的设计过程中，由系统自动标注的尺寸和自动添加的约束不一定是设计人员所需要的。这时候，设计人员必须对已经完全定义的草图进行再定义。方法不外乎是先添加新的尺寸和约束，再删除多余的尺寸和约束。又或者是先删除多余的尺寸和约束，再添加新的尺寸和约束。无论是采用何种手段，一般都会导致一部分草图尺寸和几何关系过约束而另外一部分草图尺寸和几何关系欠约束，形成内部冲突。目前的三维CAD系统都无法有效处理这些冲突，设计人员只好费时间用手工的方法来解决问题。
图十七：完全定义的火车轮子草图
图十八：未完全定义的二维草
智能特征技术的草图专家提供了多种解决方法来帮助设计人员了解草图中的尺寸和几何关系。了解草图中的几何关系使捕获设计意图变得更容易。草图专家会为设计人员提供解决方案，帮助处理草图尺寸和几何关系中存在的任何冲突。以前，设计人员需要花很长时间才可以理解和解决这些冲突。图十八所示是一个未完全定义的草图。草图专家首先会按照设计人员的设定为草图自动完成尺寸标注和添加几何关系（图十九），形成完全定义草图。当设计人员再添加新的尺寸或几何关系而引起冲突时，草图专家会作出警报并以不同颜色显示所有受到影响的相关尺寸和几何关系（图二十）。最重要的是草图专家会进一步提出多个解决方案供设计人员选择（图二十一 和图二十二），使得设计人员在最低程度的干预下，能快速地调整草图内的驱动尺寸和几何元素间的约束关系，同时又可保持草图完全定义。这样一来，智能特征技术让设计人员可以随时对已经完全定义的草图进行再定义而不必担心因修改带来的种种难于处理的约束冲突问题。
图十九：采用系统自动完全定义的结果
图二十：添加新尺寸引起约束冲突
图二十一：草图专家提供解决方案一
图二十二：草图专家提供解决方案二
配合
与二维草图内的几何元素一样，三维装配体里面的各个子装配体和零部件之间存在着各种约束关系，即所谓“配合关系”。装配体越大，零部件越多，零部件之间的配合关系就越复杂。每当要修改装配体，又或者要替换个别的子装配和零部件，原来的配合关系就可能无法保持或与新添加的配合关系发生冲突。设计人员往往要花费很多时间来处理这些冲突。事实上，很多设计人员宁可删掉原有的配合关系而重新定义。
智能特征技术的配合专家允许设计人员查看装配体错误并强制配合解决问题。配合状态显示在状态栏中。当显示配合警告或错误时，单击该状态可运行“查看配合”。配合专家可以处理装配体配合冲突。设计人员可以分离问题，了解哪些配合存在冲突，然后采取步骤将零部件安排到理想的配合位置。
小结
随着约束求解技术和特征建模技术的日趋成熟，基于历史的的参数化特征三维建模方法已经成为当今三维CAD系统的主流 。其好处是零部件与装配体和工程图全关联，便于进行设计变更和修改。可是，这种系统要求设计人员在建模之初就要考虑好设计意图。对新手或者是刚迁移到三维设计环境，对三维建模过程不了解，但有着丰富设计经验的资深工程师来说反而变成一种负担。在使用过程中往往适得其反，非但不能发挥三维CAD系统的优势，反而浪费很多时间在处理一些与设计无关的工作上，尤其是在忖摸如何处理在建模时因特征顺序错位而产生的种种问题。
智能特征技术（SWIFT）是一个崭新的技术平台，让基于历史的特征设计方法跨越了从自动化到智能化的门槛。 设计人员不仅具备了将复杂的操作简化为最少量命令的全新方式 ，他们现在还具备了大多数有造诣的三维建模专家才具有的智慧和专门知识。智能特征技术包括了特征专家、草图专家、和配合专家等，它们可以消除大量在建模及设计变更时所需要的手工劳动。智能特征技术能自动整理和排列应用特征的顺序，让设计人员可以专注产品的设计而非设计工具本身，大大的提高了设计人员的设计效率，最大程度的减低使用三维CAD软件的成本。智能特征技术将影响今后CAD技术的发展并引领三维设计进入新潮流。
参考文献
[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] 王彦伟, 陈立平, 黄正东, 钟毅芳等. “面向与历史无关造型的三维约束求解方法研究”. 计算机辅助设计与图形学学报, 2004, 16(5): pp648~654.
[4] 叶修梓, 陈超祥主编. “SolidWorks 2005 基础教程: 零件与装配体”. 电子工业出版社, 2005.10.
[5] 陈超祥, “设计分析一体化—— 崭新的产品 开发手段”. 中国制造业技术信息化 (PLM)年会文集, 广州, 2005.12, pp13~18.
[6] 陈超祥,“超越实体建模——互动式的装配体建模技术”. 机械设计杂志 2006 增 刊, 中国机械工程学会机械设计分会, 2006.8 (23): pp227~229.
[7] 陈超祥,“SolidWorks 2007 引领三维设计新潮流
