反求建模理論與技術(共26頁)

1、機械與電子信息學院機械CAD/CAM機械與電子信息學院機械(jxi)CAD/CAM課程(kchng)第一次作業(yè)(zuy)題 目：反求建模理論與技術專 業(yè)：機械設計制造及其自動化姓 名： 趙耀 車明帆（072115-30 072115-31）學 院：機械與電子信息學院指導教師：文國軍2014年5月摘要(zhiyo)：反求工程(gngchng)是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程，是一個從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息(xnx)模型，并在此基礎上進行產(chǎn)品設計開發(fā)及生產(chǎn)的全過程。反求工程這一術語起源于20世紀60年代,但對它從工程的廣泛性去研究

2、,從反求的科學性進行深化還是從20世紀90年代初剛剛開始。其研究對象主要包括實物類、軟件類和影像類。反求工程的關鍵技術包括實物原型的數(shù)字化技術，數(shù)據(jù)點云的預處理技術，三維重構基本方法，曲線曲面光順技術和逆向工程的誤差分析與品質(zhì)分析。在工程設計領域,反求工程具有獨特的內(nèi)涵,可以說它是對設計的設計。本文從反求工程的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀、未來發(fā)展方向以及研究重點對反求工程CAD建模技術進行了全面介紹，并結(jié)合當今反求建模技術的發(fā)展情況給出了應用舉例。關鍵詞：反求工程；CAD建模；發(fā)展歷程；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向；研究重點Abstract：Reverse engineering refers to a cer

3、tain kind or model of measuring instruments to measure, according to the measurement data reconstruction kind of three-dimensional geometric CAD model by modeling process, from sample to generate a digital product information model, and on this basis product design and development and production of

4、the entire process. Reverse engineering the term originated in the 1960s, but it went from extensive research project, carried out from a scientific or reverse the deepening of the early 1990s had just begun. Its main object of study include physical classes, software classes and video classes.The k

5、ey technologies of reverse engineering include in-kind prototype digital technology, point cloud data preprocessing technology, three-dimensional reconstruction of basic methods, error analysis and quality curve and surface smoothing technology and reverse engineering analysis. In the field of engin

6、eering design, reverse engineering has unique content, you can say it is a design design. . In this paper, the development process of reverse engineering, research status, the direction of development and research focused on reverse engineering CAD modeling technology for a comprehensive introductio

7、n to the future and reverse modeling technology combined with todays development application examples are given.Key words：Reverse engineering; CAD modeling; Development process;Present research situation; Development direction; Research priorities目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc389039247 第一章反

8、求建模理論與技術的發(fā)展歷程與研究(ynji)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc389039247 h 3 HYPERLINK l _Toc389039248 1.1 反求工程(gngchng)的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc389039248 h 3 HYPERLINK l _Toc389039249 1.2 反求工程CAD建模理論與技術概述 PAGEREF _Toc389039249 h 3 HYPERLINK l _Toc389039250 1.2.1 反求建模理論與技術的描述 PAGEREF _Toc389039250 h 3 HYPERLINK l _Toc389039251 1.2.

9、2 反求建模理論與技術的主要應用領域 PAGEREF _Toc389039251 h 4 HYPERLINK l _Toc389039252 1.2.3 反求建模理論與技術的相關軟件 PAGEREF _Toc389039252 h 5 HYPERLINK l _Toc389039253 1.3 反求工程CAD建模理論與技術的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc389039253 h 5 HYPERLINK l _Toc389039254 1.3.1 反求工程CAD建模方法 PAGEREF _Toc389039254 h 5 HYPERLINK l _Toc389039255 1.3.2 反求工程

10、CAD建模的關鍵技術 PAGEREF _Toc389039255 h 7 HYPERLINK l _Toc389039256 第二章反求建模理論與技術的發(fā)展方向和研究重點 PAGEREF _Toc389039256 h 10 HYPERLINK l _Toc389039257 2.1 反求工程CAD建模的發(fā)展方向 PAGEREF _Toc389039257 h 10 HYPERLINK l _Toc389039258 2.2 反求工程CAD建模關鍵性研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc389039258 h 10 HYPERLINK l _Toc389039259 2.2.1 “點云”數(shù)據(jù)預處理

11、技術 PAGEREF _Toc389039259 h 11 HYPERLINK l _Toc389039260 2.2.2 三角曲面插值與計算 PAGEREF _Toc389039260 h 11 HYPERLINK l _Toc389039261 2.2.3 基于過渡曲面原型的NURBS曲面重構 PAGEREF _Toc389039261 h 12 HYPERLINK l _Toc389039262 第三章 反求工程CAD混合建模應用實例 PAGEREF _Toc389039262 h 13 HYPERLINK l _Toc389039263 3.1 模型分析 PAGEREF _Toc389

12、039263 h 13 HYPERLINK l _Toc389039264 3.2 建模方案 PAGEREF _Toc389039264 h 14 HYPERLINK l _Toc389039265 3.3 反求建模 PAGEREF _Toc389039265 h 15 HYPERLINK l _Toc389039266 3.3.1 特征提取 PAGEREF _Toc389039266 h 15 HYPERLINK l _Toc389039267 3.3.2 建模 PAGEREF _Toc389039267 h 18 HYPERLINK l _Toc389039268 分工說明 PAGEREF

13、 _Toc389039268 h 20 HYPERLINK l _Toc389039269 結(jié)束語 PAGEREF _Toc389039269 h 20 HYPERLINK l _Toc389039270 參考文獻 PAGEREF _Toc389039270 h 22反求建模理論(lln)與技術的發(fā)展(fzhn)歷程與研究(ynji)現(xiàn)狀1.1 反求工程的發(fā)展歷程在20世紀60年代，“反求工程”作為一個學術術語被提出，并開始作為一門專門的學問進行研究。而反求工程的這種思想的出現(xiàn)是在二戰(zhàn)結(jié)束以后。二次大戰(zhàn)中，幾十個國家卷入戰(zhàn)火，深受戰(zhàn)爭創(chuàng)傷。戰(zhàn)爭結(jié)束后，各國急于恢復和振興經(jīng)濟，特別是戰(zhàn)敗國。 H

14、YPERLINK /japan_area.html t _blank 日本在60年代初提出了科技立國的方針:“一代引進，二代國產(chǎn)化，三代改進出口，四代占領國際市場”，其中在汽車、電子、光學設備和家電等行業(yè)上最為突出。日本引進大量的先進設備，為了國產(chǎn)化、出口、占領國際市場，需要對這些先進設備進行消化、吸收和改進，這種思維就是反求工程(Reverse Engineering, RE)思想。反求工程技術的大量應用使得日本經(jīng)濟迅猛發(fā)展。由于先進設備的引進和改造使得生產(chǎn)效率不斷提高，同時日本還不斷對己有設備進行改進和提高，創(chuàng)造、開發(fā)各種新產(chǎn)品，一進行出口，占領國際市場，經(jīng)濟迅速恢復、國民生產(chǎn)總值不斷增加

15、，從而創(chuàng)造了讓全世界為之震驚的“世界奇跡”，變?yōu)橐粋€經(jīng)濟強國。由于反求工程技術在經(jīng)濟中所起的作用越來越重要，進入90年代，反求工程技術引起各國工業(yè)界的高度重視。從此以后，有關反求工程技術的研究與應用就一直受到政府、企業(yè)和個人的關注，特別是隨著現(xiàn)在計算機技術和測量技術的發(fā)展，利用CAD/CAM技術、先進制造技術來實現(xiàn)產(chǎn)品實物的反求工程已成為CAD/CAM領域的一個研究熱點，并成為反求工程技術應用的主要內(nèi)容。反求工程技術的應用，盡管己經(jīng)在全球制造業(yè)中獲得了極大的成功，但它仍是一項發(fā)展中的技術，制成的產(chǎn)品在精度、強度、速度和成本方面尚需不斷發(fā)展和完善。1.2 反求工程(gngchng)CAD建模理論

16、(lln)與技術概述1.2.1 反求建模理論(lln)與技術的描述反求工程CAD建模技術與傳統(tǒng)的產(chǎn)品正向設計方法不同, 它是對已有設計的再設計, 是按產(chǎn)品引進、消化、吸收、創(chuàng)新的思路, 以“實物原理功能三維重構再設計”框架進行工作，其中最重要的是根據(jù)原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設計概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型。反求工程CAD建模, 一方面為提高工程設計、加工、分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息, 一方面充分利用先進的CAD/CAE/CAM技術對已有的產(chǎn)品進行再創(chuàng)新設計。通過反求工程CAD 建模過程, 可以全面地理解原型的設計思路, 發(fā)現(xiàn)其優(yōu)缺點, 增加反求設計產(chǎn)品及工程的可靠性, 完成基于數(shù)字化模型的產(chǎn)品優(yōu)化設

17、計, 達到進一步改進原型設計的目的。目前,國內(nèi)外有關反求工程CAD建模的研究, 主要集中在產(chǎn)品幾何形狀及與“功能”要素相關的結(jié)構求反?；诖?反求工程CAD建模可定義為: 將產(chǎn)品原型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型的有關數(shù)字化測量技術、數(shù)據(jù)處理技術、計算機輔助設計技術、幾何模型重建技術的總稱1。1.2.2 反求建模理論與技術的主要應用領域反求工程作為一種新的設計方法和理念,在實際中有著廣泛的應用,主要表現(xiàn)為以下方面：1. 在缺乏二維設計圖紙或者原始設計參數(shù)情況下,需要將實物零件轉(zhuǎn)化為計算機表達的CAD模型,以便充分利用現(xiàn)有的計算機輔助分析(CAE)、計算機輔助制造 (CAM)等先進技術,并進行再創(chuàng)新設計。2.

18、 有些零件有較高的美學、空氣動力學要求,難以在計算機上直接造型。設計時往往首先制作勃土或者油泥的比例模型,然后進行各種實驗,如風洞實驗、水池實驗等一旦外形確定,就需要使用反求工程技術將其轉(zhuǎn)化為CAD模型。3. 一些零件可能需要經(jīng)過多次修改,如在模具(mj)制造中,經(jīng)常需要通過反復試沖和修改模具型面,方可得到最終符合要求的模具。反求工程(gngchng)成為(chngwi)制造一檢驗一修正一建模一制造這一環(huán)節(jié)中重要的快速建模手段2。4. 在生物醫(yī)學工程領域,采用反求工程技術,擺脫原來的以手工或者按標準制定為主的落后制造方法。通過定制人工關節(jié)和人工骨骼,保證重構的人工骨骼在植入人體后無不良影響。在

19、牙齒矯正中,根據(jù)個人制作牙模,然后轉(zhuǎn)化為CAD模型,經(jīng)過有限元計算矯正方案,大大提高矯正成功率和效率。通過建立數(shù)字化人體幾何模型,可以根據(jù)個人定制特種服裝,如宇航服,頭盔等。5. 應用反求工程技術,還可以對工藝品、文物等進行復制；可以方便的生成基于實物模型的計算機動畫等。從反求工程的應用領域分析可以看出,反求工程在復雜外形產(chǎn)品的建模和新產(chǎn)品開發(fā)中有著不可替代的重要作用。充分利用反求工程技術,并將其和其他先進設計和制造技術相結(jié)合,能夠提高產(chǎn)品設計水平和效率,加快產(chǎn)品創(chuàng)新步伐,提高企業(yè)的市場競爭能力,為企業(yè)帶來活力和顯著的經(jīng)濟價值3。1.2.3 反求建模理論與技術的相關軟件伴隨著反求工程及其相關技

20、術基礎研究的進行,其成果的商業(yè)應用也受到重視。初期是在一些商品化的CAD/CAM軟件中集成專用的反求工程處理模塊,如Pro/Engineer的SCAN一TOOLS模塊、UGll的點云處理、曲線及曲面擬合功能模塊和TSR工M100的自動生成曲面功能模塊。為適應反求工程技術發(fā)展和應用的要求,許多公司著手開發(fā)專用的反求工程軟件。目前比較具代表性的有SDRC公司的ImagewareSurfaeer軟件、RaindropGeomagic公司的Geomagie軟件、Paraform公司的Paraform軟件、UGS公司的QuiekShape軟件、PTC公司的ICEMSurf軟件、DELCAM公司的Copy

21、CAD軟件、MDTV公司的SurfaceReeonstruction軟件,以及AliasWavefront公司的SurfaceStudoi逆向軟件等。這些系統(tǒng)通過人機交互方式操作完成對實物對象的表面重建工作,并可生成GIES、DXF、TSL等交換數(shù)據(jù)供其它系統(tǒng)應用。1.3 反求工程(gngchng)CAD建模理論(lln)與技術的研究(ynji)現(xiàn)狀1.3.1 反求工程CAD建模方法反求工程是根據(jù)已有實物,設計或者制造出相同產(chǎn)品,甚至更先進產(chǎn)品的設計理念和方法.其已經(jīng)發(fā)展為CAD/CAM中一個相對獨立的范疇,與傳統(tǒng)的正向設計與產(chǎn)品制造有著質(zhì)的區(qū)別,如圖1-1和圖1-2。反求工程建模是由實物開始

22、,經(jīng)過測量、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分塊與曲面擬合、CAD模型重建、加工制造等一系列操作再到實物的過程,涉及計算機、圖像處理、圖形學、計算幾何、激光測量和數(shù)控等眾多交叉學科和領域。圖1-1 一般產(chǎn)品正向設計圖1-2 反求工程基本過程在這個建模過程中,根據(jù)處理對象及所采用的測量手段和技術的不同,有以下幾種反求工程建模方法:1. 以三坐標測量機或者激光測量機為基礎,在人為制定的測量規(guī)劃的指導下,將模型劃分為若干區(qū)域,分區(qū)域測量并進行數(shù)據(jù)處理,然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通用CAD/CAM系統(tǒng)可以接受的數(shù)學模型文件,完成反求工程建模；2. 通過非接觸式激光掃描測量機對物理模型進行密集掃描,并將這些數(shù)據(jù)(shj)直接用于

23、數(shù)控加工；或者經(jīng)過對掃描數(shù)據(jù)的一系列處理,產(chǎn)生構造物體表面模型所需要的主要幾何特征,根據(jù)這些(zhxi)幾何特征,最終由通用的CAD/CAM系統(tǒng)建立實物(shw)的表面模型；3. 利用工業(yè)CT或者層析測量方法,得到物體二維輪廓線,對二維輪廓線進特征分析、提取,利用相鄰層面的特征相似、特征關聯(lián)等性質(zhì)完成模型重構。產(chǎn)品反求工程建模,一般有兩個階段,第一個階段為從數(shù)據(jù)測量到幾何特征提取和表面模型生成；第二個階段為實體生成。后一階段可以通過數(shù)據(jù)接口,轉(zhuǎn)換到通用CAD/CAM系統(tǒng)中完成,因此反求工程的研究熱點在第一階段的各個關鍵技術中展開,具體包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分塊、曲面擬合及模型重建等4。

24、1.3.2 反求工程CAD建模的關鍵技術在CAD/ CAM 應用中,對于具有自由曲面的產(chǎn)品,難以直接根據(jù)產(chǎn)品功能和用途用傳統(tǒng)的正向設計方法進行造型。因此,反求工程中基于實物樣件的CAD 建模技術,成為這類產(chǎn)品造型的有力工具。它根據(jù)現(xiàn)有參考零件,首先用測量設備獲取零件表面各點的空間坐標值,然由獲得的測量數(shù)據(jù)構造出產(chǎn)品的CAD 模型。該過程主要由表面數(shù)字化、散亂數(shù)據(jù)誤差修正、散亂數(shù)據(jù)規(guī)則化、曲面重構和CAD 建模五個部分組成,其中以曲面重構最為關鍵5。產(chǎn)品表面數(shù)字化在反求工程中,產(chǎn)品表面數(shù)字化即利用掃描或三維測量設備將實體的表面離散為大規(guī)模、散亂的型值點數(shù)據(jù)。常見的測量方法有接觸式機械測量和非接觸

25、式光學測量。目前,實現(xiàn)零件表面數(shù)字化的硬件技術已基本成熟, 通常采用坐標測量機、激光測量機、層攝像術、逐層切削照相等方法來獲取零件表面的數(shù)字化信息。但由于在實際的產(chǎn)品中,曲面對象邊界和形狀有時極其復雜,產(chǎn)品型面往往是由多張曲面混合而成( 如過渡、相交、裁剪等)。因此,需要在充分分析曲面的特征和設計意圖的基礎上,分離出多個曲面的控制點和角點位置。同時,由于測量設備的限制,若出現(xiàn)多視數(shù)據(jù)問題(即從不同方向或位置測量的數(shù)據(jù)塊),還必須通過平移、旋轉(zhuǎn)變換矩陣進行坐標系變換,使所有測量數(shù)據(jù)具有共同的基準和坐標系6。2. 散亂(sn lun)數(shù)據(jù)誤差修正要實現(xiàn)實物(shw)原型的準確構建,測量數(shù)據(jù)必須(b

26、x)精確。但由于實物樣件的表面粗糙度不同,測量中隨機誤差的存在以及測量設備等因素的存在,使得采集的三維坐標數(shù)據(jù)存在一定的誤差。它直接導致重構模型和參考實物之間存在差距, 嚴重影響了產(chǎn)品的精度和性能要求。測量過程中產(chǎn)生的主要誤差來源,如圖1-3所示7。由于上述測量誤差的存在, 若直接將測量數(shù)據(jù)用于曲線、曲面造型, 勢必造成重構模型和原始實物之間存在差距。因此, 需要根據(jù)產(chǎn)品曲面的幾何特性及生成規(guī)律,在實施曲面重構之前進行測量數(shù)據(jù)的誤差修正,對數(shù)據(jù)點的可靠性進行檢測。其主要工作, 包括測量數(shù)據(jù)的去噪和均化、冗余數(shù)據(jù)的壓縮和歸并、殘缺數(shù)據(jù)的平滑填補等處理8。圖1-3 測量造型中的主要誤差來源3散亂數(shù)

27、據(jù)規(guī)則化對于具有復雜曲面和邊界的實物, 利用接觸式三坐標測量儀獲得的三維坐標數(shù)據(jù)是大量的散亂云狀數(shù)據(jù)。若直接將測量數(shù)據(jù)經(jīng)誤差修正之后用于曲面重構, 不僅會使生成曲面與實際物體表面之間的誤差大,精度降低,而且很容易造成曲面上不同特征間的結(jié)合處產(chǎn)生畸變等變形,甚至導致擬合曲面無法進行。因此, 為了確保測量造型中分塊曲面之間的拼接、過渡、縫合等處理能順利進行,必須對測量獲得的散亂云狀數(shù)據(jù)進行規(guī)則化處理。即將散亂數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸?guī)則四邊形網(wǎng)格的有序數(shù)據(jù)組9,形成多塊易于曲面造型的數(shù)據(jù)塊。4曲面(qmin)重構曲面重構的技術難點主要(zhyo)體現(xiàn)在根據(jù)點云數(shù)據(jù)擬合的算法和曲面重構方法兩個方面。在實際(s

28、hj)的產(chǎn)品中,曲面對象邊界和形狀有時極其復雜,產(chǎn)品型面往往是由多張曲面混合而成為保證曲面模型的整體性能,必須有合理的曲面重構方法。 在實際應用中,如果未采用合理的曲面重構技術,則很難保證曲面模型的整體性能。下述兩種10典型情況：(1)為了追求局部性能,僅對點云關鍵部位擬合曲面,對過渡曲面采用曲面的合并, 使得過渡曲面的精度難以保證,容易出現(xiàn)畸變；(2)擬合曲面時不限定邊界,擬合后裁剪曲面實現(xiàn)曲面的邊界,容易導致曲面間出現(xiàn)小縫隙, 生成的曲面數(shù)據(jù)不能直接用于后續(xù)的加工工序。從工程角度出發(fā), 評價曲面重構的重要指標是模型的精確性、光順性、幾何不變性及對大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)的重構能力。目前, 在反求工程

29、中,主要有3種曲面重構的方案。其中,一是以spline 曲線或NURBS( 非均勻有理B 樣條) 曲線為基礎的曲面構造方案；二是以三角Bezier 曲面為基礎的曲面構造方案；三是以多面體方式來描述曲面物體11。由于NU RBS 方法可通過控制點和權因子靈活改變形狀, 具有優(yōu)良的局部形狀控制能力和幾何不變性, 提高了造型能力。根據(jù)本例中產(chǎn)品的曲面構造特點,本文采用以NURBS 曲線為基礎的曲面構造方案。首先,利用造型軟件強大的曲線構造功能,生成多條插值于型值點的NURBS 截面曲線( u 向, v 向截面線分別生成)。其次,為保證生成的曲面模型連續(xù)、封閉, 構造出封閉的NURBS 邊界曲線, 該

30、曲線插值于u 向和v 向的邊界型值點。再次, 在已構造完成的u 向、v 向NU RBS 截面曲線以及封閉的NU RBS 邊界曲線的基礎上,利用曲面造型技術分別擬合生成若干個封閉、光滑的NURBS 曲面。最后, 將各分塊曲面進行拼接、過渡、延伸、裁剪、光順等技術處理, 最終獲得在實體表面形狀、尺寸精度范圍內(nèi)的曲面模型。該曲面模型必須同時保證單張曲面的性能和各個連接曲面之間光滑、平順、封閉和連續(xù), 才能保證曲面模型的整體性能12。5CAD 模型(mxng)的建立生成的曲面模型若沒有出現(xiàn)局部的皺折、翹曲(qio q)、不正確的曲率特性等缺陷, 且保證(bozhng)了曲面間的位置連續(xù)性、切線連續(xù)性和

31、曲率連續(xù)性上的要求。在此基礎上, 便可進一步分離出產(chǎn)品的特征信息,如幾何特征、形狀特征、精度特征和性能特征。進而,利用隆起、加厚、特征造型等實體造型技術,構造出封閉、完整的實體模型。該實體模型的形狀信息和幾何信息,可直接用于模具設計,以及CAM, RPM, PDM, CIMS 等技術進行處理和管理13。反求建模理論與技術的發(fā)展方向和研究重點2.1 反求工程CAD建模的發(fā)展方向反求工程的研究已經(jīng)日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業(yè)軟件和坐標丈量機的研究開發(fā)上已經(jīng)取得了很大的成績。但是在實際應用當中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，操縱者的經(jīng)驗和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，

32、自動重建曲面的光順性難以保證，下面將是反求工程主要的發(fā)展方向：1. 數(shù)據(jù)丈量方面：發(fā)展(fzhn)面向逆向工程的專用丈量設備，能夠高速、高精度的實現(xiàn)產(chǎn)品幾何外形的三維數(shù)字化，并能進行自動丈量和規(guī)劃路徑；2. 數(shù)據(jù)(shj)的預處理方面：針對不同(b tn)種類的丈量數(shù)據(jù)，開發(fā)研究一種通用的數(shù)據(jù)處理軟件，完善改進目前的數(shù)據(jù)處理算法；3. 曲面擬合：能夠控制曲面的光順性和能夠進行光滑拼接；4. 集成技術：發(fā)展包括丈量技術、模型重建技術、基于網(wǎng)絡的協(xié)同設計和數(shù)字化制造技術等的逆向工程技術14-16。2.2 反求工程CAD建模關鍵性研究內(nèi)容回顧國內(nèi)外在反求工程CAD建模領域的研究現(xiàn)狀,存在的問題還很多

33、:一方面,有關“點云”數(shù)據(jù)造型問題的理論研究還不夠系統(tǒng)、全面,針對“點云”數(shù)據(jù)處理和曲面造型的方法需要改進或提高其可操作性；另一方面,已有的商業(yè)CAD系統(tǒng)不能接受這類“點云”,或本身功能不全面,難以順利解決復雜反求工程CAD建模問題；總的來說,遇到的主要問題包括:數(shù)據(jù)預處理可視化程度低;操作對象主要是來源于“點云”的點和線,缺乏對曲面尤其是特征曲面或?qū)嶓w的直接運算；分塊NURBS曲面構造過程中,相鄰曲面之間的光滑拼接和保形條件難以達到或根本達不到要求；在NURBS曲面重構中,缺乏對曲面的特征識別,直接影響反求模型的保形性或微分性質(zhì),難以滿足外形美觀要求高的產(chǎn)品設計的需求；重構曲面與原始數(shù)據(jù)之間

34、的誤差分析和評價要求更直觀、形象；缺乏變形設計和修改等重要的修形設計理論和功能。針對曲面反求重建中的這些問題,本文總結(jié)并歸納出下列需要進一步探討的內(nèi)容：2.2.1 “點云”數(shù)據(jù)(shj)預處理技術在解決復雜表面(biomin)零件的反求工程(gngchng)CAD建模問題上,目前普遍采用效率較高的表面測量技術,如:非接觸式激光掃描測量(線掃描或點掃描),基于照相原理的局部快速拍照測量,以及接觸式掃描測量等。由這些測量方法提供的數(shù)據(jù)多半是大規(guī)模而且密集的“點云”,一般的CAD系統(tǒng)難以直接對其進行處理,因此,在進行三維CAD建模之前,需要對“點云”數(shù)據(jù)進行相應的預處理,主要預處理內(nèi)容包括:針對不同

35、的數(shù)據(jù)來源,根據(jù)數(shù)字信號處理理論和方法,研究解決噪聲點的局部快速過濾和平滑技術；解決不同方向多視數(shù)據(jù)的拼合,以及漏測區(qū)域的輔助補全和局部二次采樣；基于多分辨率模型以及高斯球的概念,研究解決重要幾何特征的識別、提取、表達和特征重構技術；基于特征保持和精度控制的三維分區(qū)三角網(wǎng)格化及網(wǎng)格優(yōu)化與編輯技術；基于特征的全局三角網(wǎng)格精度控制壓縮處理技術等17-19。2.2.2 三角曲面插值與計算采用以三角曲面插值作為過渡模型解決反求工程CAD建模問題的策略,除了已經(jīng)受到人們重視的三角曲面G1插值理論和方法外,還需要進一步研究面向工程應用的三角曲面造型的相關技術,包括:基于物理模型的復合三角曲面光順、變形理論

36、(包括基于能量原理、小波變換理論的曲面光順算法,變形問題的數(shù)學理論、力學背景以及高效率的人機交互技術等)；基于多分辨率模型等理論指導的三角曲面變形設計的實用算法；基于特征的局部區(qū)域分劃、分離、逼近、光順和再采樣技術；曲面求交、延伸、過渡、裁剪等高級計算問題20。2.2.3 基于過渡(gud)曲面原型的NURBS曲面(qmin)重構將三角曲面插值模型作為過渡性操作模型或?qū)ο?根據(jù)產(chǎn)品的基本特征信息和交互分劃曲線(qxin)網(wǎng)絡,通過區(qū)域分治重構NURBS曲面模型的方法,是本文作者提出的一種新的解決復雜曲面產(chǎn)品反求工程CAD建模問題的策略,其中涉及到的關鍵技術主要包括:特征求精、再現(xiàn)以及自動分離理

37、論與算法的研究(主要是自動提取和分離二次曲面,如平面、柱面、球面、錐面等特征)；自由曲面分區(qū)重構技術,重點是自動求解和協(xié)調(diào)曲面塊之間的光滑拼接問題；重構曲面的可視化誤差分析,包括相鄰曲面間的夾角、距離誤差,任意截面輪廓誤差、曲面輪廓誤差等；重構NURBS曲面塊的全局協(xié)調(diào)光順理論和方法；NURBS曲面的IGES標準輸出等。以上羅列的僅僅是對復雜曲面零件反求工程CAD建模研究的一些看法,不能反映這一領域研究的全部21。第三章 反求工程(gngchng)CAD混合(hnh)建模應用實例(shl)圖3-1為某發(fā)動機葉片測量數(shù)據(jù),采用激光測量設備采集數(shù)據(jù)點40,712個,數(shù)據(jù)點包圍盒大小為5.3mmx2

38、.6mmx10.3mm23。圖3-1 某發(fā)動機叫片測量數(shù)據(jù)3.1 模型分析葉片的結(jié)構分為葉身和樺頭兩個部分:葉身為氣流作用面,由間隔的二維葉型曲線蒙皮生成；樺頭為葉片的裝夾部分,由二維截面輪廓線拉伸而成。反求建模時通過過渡曲面構成葉片。葉身為蒙皮曲面,延伸后由平面3和平面4裁剪。樺頭為截面特征拉伸面,由平面1和平面2裁剪,如圖3-2所示。圖3-2 葉片(ypin)模型分析3.2 建模方案(fng n)圖3-3 葉片(ypin)反求建模樹按照模型分析結(jié)果,可以確定葉片(ypin)的反求建模方案,建立反求建模樹,如圖3-3 所示。建模時首先將測量數(shù)據(jù)分為(fn wi)葉身、過渡、樺頭三個部分(b

39、fen),提取過渡特征參數(shù)。用平面對葉身數(shù)據(jù)切片,得到一系列二維截面線,用于蒙皮,并提取葉身頂端平面4,用于裁剪.對于樺頭,同樣用平面切片,得到二維截面線,并進行優(yōu)化,按照拉伸方向拉伸。提取平面3用于對葉身裁剪,提取平面1和平面2,用于裁剪樺頭。3.3 反求建模3.3.1 特征提取圖3-4 平面特征提取圖3-5 過渡(gud)特征提取平面(pngmin)特征提取如圖3-4所示,過渡(gud)特征提取如圖3-5所示,它們提取結(jié)果見表3-1。表3-1 特征參數(shù)提取圖3-6 三維截面特征樺頭的二維截面特征(tzhng)組成比較復雜,共有直線段17條,圓弧過渡18條,如圖3-6所示,該截面(jimin

40、)特征具有對稱性。截面(jimin)平面為Y-Z平面,Ll、LZ、L3互相平行,且與L16、L17垂直,各直線與過渡圓弧相切。直線和圓弧的參數(shù)分別如表3-2和表3-3所示。表3-2 直線參數(shù)表3-3圓弧過渡參數(shù)3.3.2 建模首先(shuxin)進行葉身蒙皮曲面構造,在點云數(shù)據(jù)(shj)上截取(jiq)一系列截面線,如圖3-7所示,蒙皮曲面如圖3-8所示。檢查17616個點,最大誤差為0.01711mm,平均誤差為O.O0464mm。編輯樺頭二維截面線,并生成拉伸曲面,如圖3-9所示.最后將葉身與樺頭組合,進行過渡,完成最終參數(shù)化模型,見圖3-10。圖3-7 葉身截面(jimin)線 圖3-8

41、 葉身蒙皮(mn p)曲面圖3-9 榫頭(sn tou)拉伸面圖3-10 葉片參數(shù)化模型分工(fn gng)說明趙耀：負責(fz)中英文摘要，提供應用舉例；車明帆：負責(fz)查找、借閱相關資料，正文的寫作、修改和整篇論文最后的整理。結(jié)束語趙耀個人感受： 通過這次查資料讓我對反求工程了有進一步了解，掌握了部分自己不了解的基礎知識。比如反求工程的歷史、發(fā)展、應用、缺點等。反求工程是綜合性很強的術語，它是以設計方法學為指導，以現(xiàn)代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業(yè)人員的工程設計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設計的設計，這就是反求工程的含義，特別強調(diào)再創(chuàng)造是反

42、求的靈魂。通過查閱相關文獻與資料，對反求工程有了進上步的了解，了解反求工程的發(fā)展歷史、研究內(nèi)容、關鍵技術、使用方法、現(xiàn)階段研究中的不足、未來研究方向與應用展望。充分認識到反求工程在制造與設計中的優(yōu)越性，激發(fā)了很大的學習興趣。反求工程還有很大的發(fā)展空間，很是值得我們?nèi)W習，去研究。同時，反求工程的研究與應用，也有助于培養(yǎng)我們的思維能力。要完成一項反求任務，進而再創(chuàng)造，需學習和掌握眾多知識和經(jīng)驗，促使人們不斷去探討“為什么這樣做”，進而深化提高到“應該怎樣做”。逆向工程技術在產(chǎn)品研究開發(fā)中是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術。采用逆向工程技術，不僅能夠得到實物的精確數(shù)字模型和復制品，而且還可以進

43、一步修改并生成新的數(shù)學模型和產(chǎn)品工程圖，從而使產(chǎn)品的消化吸收和二次開發(fā)工作準確快捷。不但縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，而且提高了產(chǎn)品創(chuàng)新的成功率。車明帆個人感受：在這次關于反求建模理論與技術的撰寫過程中，我首先在網(wǎng)上檢索了反求工程的相關文獻資料，對反求工程CAD建模技術有了一定的了解之后，開始確定這次寫作的大概內(nèi)容，并列出提綱。在論文的具體寫作過程中，我下載、借閱了大量相關(xinggun)資料，對反求建模理論與技術的發(fā)展歷史，研究現(xiàn)狀及其主要研究內(nèi)容有了更多的了解，認識到了反求建模技術在當今科技發(fā)展領域的重要地位。由于之前并未接觸過這方面的知識(zh shi)，目前我還不能使用CAD軟件進行這方面的實

44、踐應用，但是今后(jnhu)我會更多的關注反求建模技術，拓展自己的知識面，全面發(fā)展自己。在正文的寫作過程中，查閱相關資料是非常重要的部分。經(jīng)過這次寫作，我學到了很多查閱文獻的方法，知道了很多相關網(wǎng)站，文獻檢索的能力得到了鍛煉和提高。對于理工科學生來說，掌握論文的正確格式是非常必要的。以前在撰寫課程報告時沒有太在意格式是否正確，這次老師對于論文的格式要求比較嚴，在寫作過程中我掌握了一些論文格式的相關要求與規(guī)范，為以后撰寫畢業(yè)論文和科研論文打下了基礎。參考文獻1 劉慶玲.基于(jy)反求工程(gngchng)CAD建模技術(jsh)研究J.機械管理開發(fā).2005,(6):88.2 李 岳,凡陳鋒.

45、反求工程技術在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用J.機械設計與制造.2006(3):129130.3 李東澤,王敏杰等.反求工程交互建模應用技術研究J.中國機械工程.2003,14(19):16771680.4 劉之生,黃純穎.反求工程技術.北京:機械工業(yè)出版社,1992.5 瞿建武,李江雄,柯映林.基于實物的復雜曲面零件反求工程中未知區(qū)域測量數(shù)據(jù)補充及曲面重構技術.機械工程學報,2002,38(9):110一113.6 Elaine Cohen，et al . Discrete B-spiines and subdivision techniguesin computer-aided geometric design and computer graphicsJ. Computer Graphics and Image Processing，1980，14（2）：87-111.7 金 濤,匡繼勇.產(chǎn)品反向工程的誤差分析J.機械設計與制造.2000, 12(6):6668.8 王青,王融清,鮑虎軍.散亂數(shù)據(jù)點的增量快速曲面