支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重建模型表達(dá)與建模方法

支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重建模型表達(dá)及建模方法研究*金濤童水光（浙江大學(xué)化工機械研究所，浙江杭州310027）摘要：本文提出了一種支持模型再設(shè)計的基于幾何特征變量化的重建模型表達(dá)和重建方法。因為傳統(tǒng)的采用參數(shù)曲面表達(dá)和曲面直接擬合的造型方法得到的三維重建模型，不便于模型的修改和再設(shè)計，而基于特征變量化表達(dá)重建模型，能方便地對模型特征進(jìn)行修改，最終達(dá)到改變整個模型即產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)的目的。實現(xiàn)上述表達(dá)的重建方法是基于幾何特征及約束進(jìn)行模型重建，首先根據(jù)幾何特征類型，在對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征及約束識別的基礎(chǔ)上，進(jìn)行特征數(shù)據(jù)分割；然后建立特征約束模型，通過求解模型得到滿足約束關(guān)系的對數(shù)據(jù)點的最佳逼近特征，實現(xiàn)對原形及原設(shè)計意圖的還原；最后再建立不同幾何特征的協(xié)同變形關(guān)系，使修改局部或單個特征時模型整體協(xié)同變形，達(dá)到對重建模型進(jìn)行再設(shè)計乃至創(chuàng)新設(shè)計的目的。關(guān)鍵詞：逆向工程模型重建創(chuàng)新設(shè)計基于特征約束擬合1.引言運用計算機輔助技術(shù)進(jìn)行實物零件乃至整個實物的復(fù)制過程通常被稱為逆向工程(Reverseengineering)，逆向工程的思想最初是來自從油泥模型到產(chǎn)品實物的設(shè)計過程，目前逆向工程技術(shù)已成為消化吸收先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品快速開發(fā)的重要手段。但在國內(nèi)，基于實物的逆向工程應(yīng)用最廣的還是進(jìn)行產(chǎn)品復(fù)制和仿制，尤其是外觀設(shè)計產(chǎn)品，因為不涉及到復(fù)雜的動力學(xué)分析、材料、加工熱處理等技術(shù)反求難題，相對容易實現(xiàn)。工作流程一般為：基于CAD/CAM系統(tǒng)，在進(jìn)行數(shù)字化掃描、完成實物的3D重建后，通過NC加工或快速成型快速地制造出模具，最終注塑得到所需的產(chǎn)品。這個過程已成為我國沿海地區(qū)許多家用電器、玩具、摩托車等產(chǎn)品企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)模式，但在這些產(chǎn)品中鮮有自己的技術(shù)，多數(shù)是復(fù)制（copy）和仿制國外的產(chǎn)品。盡管許多企業(yè)不具備創(chuàng)新設(shè)計能力，更多的是學(xué)習(xí)和模仿，但如果產(chǎn)品設(shè)計一昧的停留在模仿和仿制上，是沒有任何出路的，如果對方的產(chǎn)品是受專利保護(hù)的，則這種仿制還是一種侵權(quán)的行為。戰(zhàn)后日本通過先仿制美國及歐洲的產(chǎn)品，在采取各種手段獲取先進(jìn)的技術(shù)和引進(jìn)技術(shù)的消化、吸收的基礎(chǔ)上，建立了自己的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計體系，使經(jīng)濟迅速崛起，成為僅次于美國的制造大國。德國在1998年提出：“德國不能采用產(chǎn)品降價的辦法來提高競爭力，而是要通過持續(xù)地創(chuàng)新出其他國家沒有的產(chǎn)品來提高競爭力”。實際上任何產(chǎn)品問世，不管是創(chuàng)新、改進(jìn)還是仿制，都蘊涵著對已有科學(xué)、技術(shù)的繼承和應(yīng)用借鑒，逆向工程通過重構(gòu)產(chǎn)品零件的CAD模型，可對原型進(jìn)行修改和再設(shè)計，這為產(chǎn)品的再設(shè)計以及創(chuàng)新設(shè)計提供了數(shù)字原型，各種先進(jìn)的計算機輔助技術(shù)手段也為此提供了強有力的支持。因此，通過逆向工程，在消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，即在copy的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)進(jìn)而創(chuàng)新，這是提升我國制造業(yè)的必由之路。本文先對模型重建、參數(shù)化和變量化設(shè)計技術(shù)有關(guān)研究進(jìn)行了回顧，提出了重建模型的表達(dá)和重建方法。2有關(guān)研究的回顧當(dāng)前應(yīng)用于產(chǎn)品外形設(shè)計的逆向工程方法主要有兩種方式：一是由設(shè)計師、美工師事先設(shè)計好產(chǎn)品的油泥或木制模型，由坐標(biāo)測量機將模型的數(shù)據(jù)掃入，再建立計算機模型；另一種是針對已有的產(chǎn)品實物零件，經(jīng)過數(shù)字化測量和模型重建，獲得產(chǎn)品的數(shù)字模型，然后對這個數(shù)字模型進(jìn)行修改、再設(shè)計，以獲得一個與前面產(chǎn)品對象不同甚至完全不同的新的結(jié)構(gòu)外形，最終達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新之目的，基于逆向工程的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的過程見圖1。數(shù)字化數(shù)字化模型重建再設(shè)計（創(chuàng)新設(shè)計）下游過程圖1產(chǎn)品逆向創(chuàng)新設(shè)計過程逆向工程的基本過程包括：數(shù)字化、數(shù)據(jù)處理及整合、數(shù)據(jù)分割、曲面擬合或插值、曲面片縫合成整體。實物的數(shù)字化是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目前的三維數(shù)字化方法，根據(jù)測量探頭或傳感器是否和實物接觸，可分為接觸式和非接觸式兩大類[1]。砌CAD模型拼重建之前應(yīng)蓬進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)持處理，過程企工作包括數(shù)備據(jù)平滑、排仙除噪聲數(shù)據(jù)研和異常數(shù)據(jù)移、野壓縮和歸并錄冗余數(shù)據(jù)、正遺失點補齊蘿、數(shù)據(jù)分割燙、多次測量巾數(shù)據(jù)及圖象閱的數(shù)據(jù)定位厚對齊鞠和對稱零件弊的對稱基準(zhǔn)愧重建倒[1.2]礎(chǔ)。追物體表面測傻量數(shù)據(jù)的分跡割方法一般降分為兩類，洋一是基于邊懶界分割法，渡二是基于區(qū)尿域分割法。仙其中基于邊昆界的分割法教首先估計出手測量點的法塑向矢量或曲咽率，然后根價據(jù)將法向矢汽量或曲率的結(jié)突變處判定田為邊界的位普置，基于區(qū)呆域的分割法摔是將具有相壤似幾何特征居的空間點劃瘦為同一區(qū)域虜[1.2]褲。腿CAD模型種重建是逆向洽工程的關(guān)鍵宗，根據(jù)實物穩(wěn)外形的數(shù)字忍化信息，可罵以將測量得乘到的數(shù)據(jù)點結(jié)分成兩類：輪有序點和無筑序點（散亂距點），由不文同的數(shù)據(jù)類珠型，形成了楊不同的的模冠型重建技術(shù)匠。目前較成逃熟的方法是鈴?fù)ㄟ^重構(gòu)外蠻形曲面來實維現(xiàn)實物重建餡，常用的曲鴉面模型有B駱ezier瞧、B-Sp賤line、期NURBS芝和三角Be穗izer曲潮面，采用的政方法是對測鏡量數(shù)據(jù)點擬恒合得到實物刮的外形曲面井。結(jié)曲面擬合可戰(zhàn)以分為插值粉和逼近兩種依方式。使用泡插值方法擬斥合曲面通過仿所有數(shù)據(jù)點尊，適合于測表量設(shè)備精度枯高，數(shù)據(jù)點妥坐標(biāo)比較精碼確的場合；采使用逼近的愿方法所擬合鼻的曲面不一遷定通過所有右的數(shù)據(jù)點，栽適用于測量躬數(shù)據(jù)較多，掌測量數(shù)據(jù)含副噪聲較高的孩情況。國內(nèi)扣外的研究大賢多都集中于負(fù)孤立曲面片拔擬合方法的絲選擇和算法討的優(yōu)化上牢[1-6]照。損上述的模型疊表達(dá)和曲面巖擬合方法已壘成為當(dāng)前模龍型重建的主擇要技術(shù)方法炒，并已應(yīng)用情于商用逆向游軟件，但這恢種技術(shù)方法娃在機械產(chǎn)品代逆向工程的拐應(yīng)用上卻受惰到一定限制襯，在模型表知達(dá)上，如果劣曲面是多個循曲面片組成傲的復(fù)合曲面丸，采用自由脹形狀曲面表顛示時（如標(biāo)班準(zhǔn)的B-樣澆條曲面），孤難以找到保候證C0或更州高階連續(xù)的豬分割曲線，燒而且用一簡塔單的B-樣芒條曲面擬合蹦整個曲面不涉能反映曲面晚的分段特性遇。為解決這靜個問題，P五alBe熊nko咸[7]綁提出了用B幫-Rep來把表達(dá)重建模軍型，它根據(jù)切零件外形曲上面的特征，往按照組成曲攔面的類型（恒如平面、S翼weep曲欲面、Ble馬nd曲面等個）分別進(jìn)行俘擬合，最終拴的模型還必錫須保證曲面委之間的約束牌如連續(xù)、相股切等關(guān)系。鬼這B-Re染p表達(dá)為基鼠于特征和約愉束的模型重餐建方法提供太了理論基礎(chǔ)鹽。完因為腰使用參數(shù)曲漫面片的方式雞表達(dá)零件的墳幾何形狀，拒不能表達(dá)零盲件對象更高悟?qū)哟蔚慕Y(jié)構(gòu)眾特征信息，碎同時由于在神曲面攤擬合過程中招沒有考慮特濫征間的約束疑關(guān)系和模型速的整體信息封，重建得到絕的肢數(shù)據(jù)模型囑沒有還原原牲形的幾何特悔征，這種表蛙達(dá)對效只要求提供添零件的位置屈信息的下游惰應(yīng)用，如零孝件數(shù)控仿形殃、直接生成啞模具等，是醉基本合適的眼，但涉及到腎產(chǎn)品改型、傭創(chuàng)新設(shè)計等北，特別是自帳由曲面組成鍵的外形，就勝存在編輯、悲修改的困難名。僑因為大多數(shù)青機械零件產(chǎn)咳品都是按一加定特征設(shè)計財制造的，同棗時特征之間尺還具有確定孫的幾何約束拒關(guān)系，在產(chǎn)婦品的模型重水建過程中，頑僅還原特征慌而忽略幾何衡約束，得到乏的產(chǎn)品模型塊是沒有意義樣或是不準(zhǔn)確江的億[8-12葛]崖。因此基于賭特征及約束衛(wèi)的模型重建此方法就隨之叮而提出，可杯以這么認(rèn)為緞在機械領(lǐng)域毫，基于特征豈及約束的三斯維模型重建汪技術(shù)是逆向遇造型的一個位發(fā)展方向。期其關(guān)鍵技術(shù)丹有兩點：一枯是特征識別糠和抽取，二抖是在特征恢發(fā)復(fù)時考慮特匪征間的約束旅關(guān)系。目前否面向逆向工臂程的特征建承模研究剛剛椒展開，已進(jìn)盯行的研究多殘集中在應(yīng)用必于數(shù)據(jù)分割遼的表面棱線免、區(qū)域邊界轉(zhuǎn)和部分規(guī)則贏表面（平面奉、柱面）特獎?wù)鞯淖R別上固[9.10孤]揪，對自由曲顯面的重建，枝只是從曲面牧擬合的角度碧研究了旋轉(zhuǎn)輛[15]貫、掃成紅[13.1艙4]懲、放樣銳[16]陳曲面的重叨建問題，尚優(yōu)無完整的特竿征建模方法辣，對面向逆壯向工程的特拆征定義、分啟類、特征數(shù)古據(jù)模型定義蘆、基于特征硬的模型測量透規(guī)劃等則少宜有研究涉及匙。部分研究隱考慮了特征紹間的約束關(guān)校系，提出了雕處理簡單約撇束關(guān)系，主借要是規(guī)則幾丙何特征的位目置約束的約達(dá)束擬合方法透[11.1罰7]偉。倚基于特征及禍約束的模型盈重建具有瓶能捕捉和還忌原原設(shè)計意辟圖、準(zhǔn)確表做述零件的幾界何關(guān)系，攔CAD模型森包含的幾何論特征信息有調(diào)利于后續(xù)的藝CAPP/輝CAM過程變的特征識別沾、啄易于實現(xiàn)測袋量數(shù)據(jù)和零誰件的定位和半裝配等優(yōu)點門。但目前的咬基于幾何特秒征及約束的美模型重建技亞術(shù)仍是以恢姐復(fù)和還原原虛形為目標(biāo)，涌目前模型重潛建的主要方號式還是先擬盆合曲面片，娘然后再建立瞞產(chǎn)品的曲面駱整體模型以叫及實體模型緒，這樣的建梳模方法對恢漂復(fù)原形是有厲效的，但如沿果我們要對搭CAD模型衰進(jìn)行修改或鼻再設(shè)計，操綁作起來就顯感得十分困難首，這種模型湯孤立的曲面油片表示及擬剖合就成為模延型修改的瓶再頸，因此，但這樣的建模往方法和模型吉表示對創(chuàng)新捆設(shè)計是不適匙宜的，應(yīng)尋獎求新的模型財表達(dá)及建模檔方法。匙3支持創(chuàng)行新設(shè)計的重凡建模型表達(dá)許3.1C月AD造型技寇術(shù)回顧量從20世紀(jì)慢60年代開怎始，CAD屠造型技術(shù)由盒線框、自由咬曲面，發(fā)展弟到目前仍占渾據(jù)主流的基災(zāi)于約束的實知體造型技術(shù)沉，主要有以桿PTC公具司的Pro粘/E軟件為宰代表的參數(shù)健化造型理論挑和以EDS巧公司的I-臥DEAS軟育件為代表的婚變量化造型野理論兩大技擦術(shù)流派。牢參數(shù)化造型犬是由編程者墳預(yù)先設(shè)置一錫些幾何圖形顯約束，然后垃供設(shè)計者在股造型時使用坐，與一個幾怪何相關(guān)聯(lián)的撤所有尺寸參行數(shù)可以用來斗產(chǎn)生其它幾搬何。采用參錯數(shù)化技術(shù)可第以克服自由瑞建模的無約妥束狀態(tài)，幾役何形狀均可嘆通過尺寸的泡形式來控制壩。如零件形悄狀需要修改熟時，只需改德變尺寸的數(shù)歉值即可實現(xiàn)才形狀上的改酬變，尺寸驅(qū)族動已經(jīng)成為遵當(dāng)今造型系咱統(tǒng)的基本功揚能。餃變量化技術(shù)釣或稱變量化漫設(shè)計（Va渠riati訂onal炸Desig舉n），它保到留了參數(shù)化盛技術(shù)基于持功征、全數(shù)莊據(jù)相關(guān)、尺脂寸驅(qū)動設(shè)計簽修改的優(yōu)點衰，但在約束跨定義方面做山了根本性改逢變，它將參衛(wèi)數(shù)化技術(shù)中龜所需定義的巡尺寸蝶“布參數(shù)埋”肥進(jìn)一步區(qū)分期為形狀約束領(lǐng)和尺寸約束倘，而不是象恭參數(shù)化技術(shù)擇那樣只用尺例寸來約束全遭部幾何，這戀樣就賦予了墻設(shè)計修改更反大的自由度雪。盲兩種技術(shù)的都根本區(qū)別在倘于是否要全丟約束以及以袖什么形式來效施加約束。車從應(yīng)用上來烈說，參數(shù)化絨系統(tǒng)特別適馳用于那些技薦術(shù)已相當(dāng)穩(wěn)屯定成熟的零懇配件行業(yè)。仗這樣的行業(yè)氣，零件的形雕狀改變很少弱，經(jīng)常只需騙采用棟類比辛設(shè)計，即形優(yōu)狀基本固定打，只需改變定一些關(guān)鍵尺鄉(xiāng)寸就可以得速到新的系列樓化設(shè)計結(jié)果羽。再者就是絲由二維到三艱維的抄圖式尋設(shè)計，圖紙遍往往是絕對繞符合全約束兔條件的。而撥變量化系統(tǒng)兩除了一般的改系列化零件肥設(shè)計，比較虹適用于新產(chǎn)叔品開發(fā)、老貍產(chǎn)品改形設(shè)壯計這類創(chuàng)新敗式設(shè)計。司逆向工程的忠模型重建技燙術(shù)離不開現(xiàn)同有的CAD住基礎(chǔ)理論，瀉從上面的分鏈析可以看出俘，如果重建多模型選擇參新數(shù)化或變量馳化表示，根甚據(jù)參數(shù)化和蔬變量化技術(shù)遭的特點，它偉們都在一定許程度上支持坡模型的修改錄設(shè)計，而且磁都具有方便逃的可操作性卻，滿足支持借創(chuàng)新設(shè)計的否模型表達(dá)的勇要求。滋基于參數(shù)化槳的重建模型席表示警模型的外形斑幾何表示為茄參數(shù)化形式由，這樣可以睛通過修改尺配寸實現(xiàn)模型食的修改，根嗓據(jù)實物的外濾形幾何特點別，我們將模紙型分成兩種違類型，一是斬具有規(guī)則幾后何特征的外面形，二是由夸自由曲面組股成的復(fù)雜外永形。對前者利來說，較適灑宜采用參數(shù)暗化表示，而螞且也容易實維現(xiàn)；對后者借來說，由于孔自由曲面（行曲線）從整艦體來說，較割難表示為某僅種幾何及尺暈寸約束，但袍對一些具有遍確定的解析鄭計算公式表駝示的曲線或收曲面，仍可絕選擇參數(shù)化禾表示。悶因為直接對默三維模型建評立參數(shù)化仍貝然存在困難范，因此，目自前的參數(shù)化虛造型都是先怪建立全尺寸剃約束二維草許圖，經(jīng)過拉叫伸、旋轉(zhuǎn)、屯掃掠等幾何外造型形成三醋維模型的。某為將重建模美型表現(xiàn)為參徑數(shù)化模型，恥可將模型分炭解為由一系慶列特征和操貪作組合而成瓶的三維形體肯，由于重建疲模型多選擇照曲面表示，杯因此參數(shù)化魂也主要針對啊曲面進(jìn)行。植圖2給出了訓(xùn)重建模型的亭參數(shù)化結(jié)構(gòu)得。重建的曲面模型重建的曲面模型幾何特征幾何特征幾何特征……二維約束圖二維約束圖二維約束圖……特征操作：求交、剪裁、過渡等拉伸特征庫平面、球、橢圓、二次曲面等旋轉(zhuǎn)掃掠尸圖2網(wǎng)賤重建模型的嚷參數(shù)化表示妻從圖1看遠(yuǎn)出，模型實魄現(xiàn)參數(shù)化表京示的關(guān)鍵是假特征分解和碌約束施加，襪即將組成模藍(lán)型的所有幾累何特征分解完成二維特征機約束圖+特悶征操作，這椒樣整個模型坡即實現(xiàn)尺寸吃驅(qū)動。袍基于變量化所的重建模型槳表示陽變量化技術(shù)村賦予了模型耕表示和修改苗更大的自由菜度，因此變肢量化表示既岸適合于規(guī)則憑外形和自由奔曲面組成的寒外形?；谕磷兞炕哪嫣较蚰Ｐ徒Y(jié)構(gòu)濱基本和參數(shù)牧化結(jié)構(gòu)相同壺，只是二維拉幾何圖可以座是欠約束的箱。直下面我們僅貨討論基于特粒征參數(shù)化的潮支持創(chuàng)新設(shè)調(diào)計的模型重讀建方法。辨4.支持創(chuàng)祝新的模型重概建方法著在CAD造彎型技術(shù)中，差實現(xiàn)參數(shù)化蘋設(shè)計的方法灘主要有：編刺程參數(shù)化、撞交互參數(shù)化饞、離線參數(shù)炎化和三維參揭數(shù)化等。首編程參數(shù)化球通過編程來墨進(jìn)行參數(shù)化成設(shè)計。交互蒜參數(shù)化是通救過交互的方我法來進(jìn)行參際數(shù)化設(shè)計，皺其生成方法許又包括多種使：變動幾何景法、作圖規(guī)緩則匹配、幾長何作圖局部晚求解法、輔蕉助線作圖法未、變量流技驕術(shù)和交互生緞成參數(shù)繪圖夕命令等。離快線參數(shù)化是裕將幾何模型左向參數(shù)化模椒型轉(zhuǎn)換，它勵分成兩個步窄驟：其一：盟在已有圖形傲基礎(chǔ)上通過殺標(biāo)注尺寸建憶立約束關(guān)系柳，其二，在瓦已有圖形和底尺寸的基礎(chǔ)門上，通過尺黨寸框架的識歌別搜索建立嗽約束關(guān)系。艇三維參數(shù)化鏟的實現(xiàn)有兩覆種途徑：一伯是由二維參坑數(shù)化圖形通副過拉伸、旋崇轉(zhuǎn)、掃掠等懂操作得到三帆維參數(shù)化圖贊形，二維圖敗形改變，三幻紹圖形隨之匹變化；二即嘩是建立基于陳特征的三維咳參數(shù)化模型敗，特征模型帶中包含特征共定位和特征柴間的關(guān)聯(lián)信鑼息，因而可鎮(zhèn)以實現(xiàn)參數(shù)趕化。酬根據(jù)逆向造肅型的特點和希CAD造型宵實現(xiàn)參數(shù)化黨的幾種方法偽，我們可以綁得出適合于撫逆向建模的顛參數(shù)化實現(xiàn)屠方法，即離肉線參數(shù)化和尖三維參數(shù)化員。如圖8.疑13所示，搬其處理過程效為數(shù)據(jù)分割州、特征約束截識別、確定武特征造型過看程、特征的噸參數(shù)化建立禁。這里我們降主要對特征屢約束識別和帶特征參數(shù)化糊方法展開討玻論。冰4.1幾何給特征識別鍬實現(xiàn)圖1過慌程的關(guān)鍵技悠術(shù)首先為為鳥特征約束識射別，如果能怒將模型分解種為不同特征旅的組合和確笨定特征間的啞約束關(guān)系，鏟將為幾何特脂征轉(zhuǎn)換為參個數(shù)化表示提懼供實現(xiàn)的基愁礎(chǔ)。另外，絲為實現(xiàn)參數(shù)毒化需完整地漸給出特征的紀(jì)約束關(guān)系，業(yè)不僅僅是用覺尺寸來建立噸圖形元素約呢束的位置關(guān)稅系，因為無狹法通過尺寸紐標(biāo)注來確定掏兩圖形元素耀相切的關(guān)系丈，盡管變量挨化方法不需裂要建立全約刮束關(guān)系，但角對產(chǎn)品修改潮來說，如果背產(chǎn)品具有裝瞧配關(guān)系，模金型的變化是眼相互關(guān)聯(lián)的姨，這時零部萬件之間整體供協(xié)同變形的葛約束關(guān)系是眉必需的。約江束關(guān)系建立簡或確定的難洽點在于模型退數(shù)字化后，要測量數(shù)據(jù)點失幾乎不包含病幾何特征的移約束關(guān)系，凈應(yīng)通過原形斤分析來判斷搏推理，但這武樣獲得約束飽關(guān)系不可避腔免地帶有不務(wù)完整性和不鑄確定性。獲1.特征分歐類楚對模型重建責(zé)我們僅需考浸慮與造型相旅關(guān)的形狀幾墨何特征，而袋且主要是構(gòu)立成模型的低位層幾何體素谷及其構(gòu)造特鵝征，如點、蛛線、面等。評為方便后續(xù)醫(yī)的特征識別妙，根據(jù)幾何猴特征的特點龍和識別方法藝的不同，我豆們將幾何特期征分成規(guī)則儀幾何特征和皺造型特征，列兩類特征的鈴組成見表1娛、2。萌表1規(guī)則權(quán)幾何特征r俊egula詠r故點榜線揪面脹測量點舟

包(基準(zhǔn)點)充頂點援圓心點脈拋物面的焦陷點等廚輪廓線馳表面棱線娃中心線等秒平面(基準(zhǔn)倉面)胸二次曲面乎表2造型泥特征化拉伸曲面它旋轉(zhuǎn)曲面林掃略曲面萍混合曲面半放樣曲面坊四邊曲面億等截面掃略罵變截面掃略隸等截面放樣宣變截面放樣謎造陰型特征實際河上是自由曲泳面特征，在煩幾何造型時疼，組成零件啊外形的復(fù)雜攪曲面都是基蹄于上述造型掌手段由曲面峽片組合而成尿，在模型重奪建時，如果潔能識別原形倆的造型方法迅，就為曲面頂還原提供了閣幾何基礎(chǔ)。曾2.特征等模型零件幾何外形零件幾何外形幾何層特征層零件實物層特征間約束關(guān)系零件外形與組成特征的關(guān)系特征與組成曲面片的關(guān)系曲面片幾何特征巡圖3特征鹿模型分層定標(biāo)義阻根據(jù)零件外瞞形組成、特茶征表達(dá)及特被征間的約束女關(guān)系，零件長的特征模型州被定義為一淋個三層結(jié)構(gòu)驅(qū)，見圖3。董第一層是零糊件幾何外形陷層，包含零岔件實體和特踐征的幾何尺幣寸參數(shù)；第壁二層是幾何改特征層，包辯含特征構(gòu)造秘圖和特征間襖的約束關(guān)系拳；第三層是速幾何信息層猶，包含構(gòu)成島特征的參數(shù)窮曲面片或B刃ezier熔、NURB腫S曲面片。遣3.特征識偵別硬（1）規(guī)則病幾何特征的恭識別貝規(guī)則幾何特課征是構(gòu)成零狂件外形的基間本幾何特征拔，對機械零番件產(chǎn)品，在航外形測量時干即可由坐標(biāo)慈測量機完成媽部分特征的厘識別和測量姑，如平面、絹直線、圓（榆?。┑?。但軌對于一些具貼有復(fù)雜外形閘的產(chǎn)品覆蓋凱件，一方面妹組成特征不轟明顯，另外悄，由于曲面糟形狀變化，蒼使孔槽特征抬的輪廓線沒紀(jì)有位于一個擾平面內(nèi)，更五由于制造誤褲差使輪廓外狠形產(chǎn)生變形結(jié)，特征識別銳就變得重要圣。否針對規(guī)則特楊征的特征匹碗配識別方法饒的步驟包括雨：蜜Step1道:建立匹配彈特征庫；踩Step怪2:初步蘭判定特征類班型；抽Step3固:確定匹風(fēng)配定位點；塞Step4辱:進(jìn)行特藝征匹配；錢Step5消:完成特呼征識別，提黎取已識別特笨征的幾何參率數(shù)，實施特催征參數(shù)化。新特征類型的買初步確定主赤要通過數(shù)據(jù)狡幾何特征由窄人工判定。命特征的匹配抽定位點根據(jù)貌特征的不同念，其定位方爬式主要分為臉點定位和點遇-軸定位。妨點定位主要站用于圓、圓隙弧及球體的里定位，可以倉通過計算測垃量數(shù)據(jù)點的出重心得到；顆點-軸定位勁主要用于橢猜圓、拋物線份（面）等二過次曲線、面絨的定位，軸濕主要是特征現(xiàn)的對稱軸，瞞對稱軸的建驕立可由邊界認(rèn)輪廓的相互嗽鏡像求出。屑特征匹配過穿程需要處理舟待識別的特泄征輪廓線不撇處于一個平雹面內(nèi)時，如答曲面表面的羅孔槽、斜孔罷和由于測量岡誤差使掃描緞截面線成為賞一空間曲線細(xì)的情況，在伏匹配之前應(yīng)獸將其對應(yīng)的樹離散數(shù)據(jù)點耍投影在一個貼平面內(nèi)?？變H槽、斜孔的樂投影平面即底為其草繪平昂面，可先重衣建軸線，再展構(gòu)建投影平望面；掃描截稱面線的投影圍平面的建立挽較容易，即爹為測量時固走定的坐標(biāo)軸朱平面。吉特征識別主鎖要由選擇的議特征判據(jù)確研定，特征技斑術(shù)中特征匹培配識別采取脊的判據(jù)是特律征線的重合英率匙[16]貨，方法是先續(xù)從特征庫中身選取不同尺特寸的一匹配絲特征，然后洞減小它們之迷間的距離，貸這樣可以得卻到一最小距座離內(nèi)的最大坐數(shù)據(jù)包容量苗，最終特征街可取二者的黨平均得到。驚這種方法不隙必進(jìn)行曲線勒（面）擬合吐計算，在匹挎配識別的同羊時即可完成萍特征的重建咬，可有效用校于大部分規(guī)追則特征的識奇別，如直線捧、平面、圓辣（球）、橢戀圓、拋物線狼面等。通圖4給出幾傳種特征的匹蹤配關(guān)系圖。定位點定位點定位軸腰沿氧望絡(luò)券禮（匠a）擠殿源平（b）們腸示將慕（c）旗圖4匹配特魂征及定位示贏意圖(a.禮圓b.拋腔物線c.還橢圓)廊下（2）造型盆特征識別終在本文中，撇我們將自由受曲面特征定眨義為造型特隆征，因為對惜絕大多數(shù)設(shè)撈計產(chǎn)品來說英，組成其外悠形的曲面都腫是由設(shè)計人園員選擇一定啄的造型方式果，形成一簡胸單的特征子來曲面，再由館簡單子曲面峰組成高層次每的復(fù)合特征積曲面。因此寧我們可以采救取和原曲面滲相同的構(gòu)造梅方法來還原芬曲面。主要擴的曲面造型榜方法包括：隱拉伸、旋轉(zhuǎn)晝、掃略、融品合和放樣等綱，對上述造撫型方法，其門已知或要求拜的造型條件沉（信息）見田表3。伏但曲面造型個完成后，上激述條件信息吸部分或全部礎(chǔ)隱含在曲面腔中，人工交堤互識別也只植能測量出一辣近似的造型蕩信息，這點斑和規(guī)則特征欺有所不同，若如對于一個殊旋轉(zhuǎn)曲面，依由于其旋轉(zhuǎn)工軸不能準(zhǔn)確芒建立，截面看掃描測量得氣到的截面點莖以及生成的狀截面曲線只安是原設(shè)計截依面的一近似數(shù)截面，用這孟個截面旋轉(zhuǎn)配得到的模型樓也是一近似業(yè)模型，模型葵不能準(zhǔn)確構(gòu)揉建。濟為解決上述勢造型特征問蠟題，我們提責(zé)出一種曲面棉特征識別方謙法，其原理浙步驟為：撇Step1艱:人工標(biāo)識自測量路徑和財采樣點，作碼為初始造型妨信息和模型已匹配檢驗參飼考點；鉗Step2塵:截面擬合自，產(chǎn)生一光使滑參數(shù)或樣班條曲線，數(shù)紀(jì)據(jù)計算，得蒼到旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)頃軸；籍Step3長:根據(jù)原形純曲面外觀特魔征，選擇一富匹配造型特凝征（造型方團(tuán)法）；制Step4聚:特征曲面凍造型；纖Step5多:曲面匹配釘評價，通過缸計算曲面到途參考點的距比離；建Step6覽:如精度超環(huán)出要求，將好特征曲面對竄參考點作擬繡合；號Step7柜:得到一精病度要求下的醫(yī)逼近曲面，胞再選擇此逼攀近曲面的網(wǎng)脊格截面線和定基準(zhǔn)線（旋翠轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)引羅線）作為下趴一次特征曲勤面造型的特虜征信息，進(jìn)揭行特征曲面如造型；駕Step8尤:重復(fù)（5飛）-（8）尚步驟，直到芹得到一最佳攔逼近曲面；方Step9瓜:組成曲面肅的特征曲線賭參數(shù)化。其在流程圖見圖舅5。截面數(shù)據(jù)擬合截面數(shù)據(jù)擬合選擇匹配特征選擇匹配特征（造型方式）曲面造型曲面造型以擬合曲面網(wǎng)格為新的造型截面線對參考點擬合重新選擇匹配特征以擬合曲面網(wǎng)格為新的造型截面線對參考點擬合重新選擇匹配特征曲面匹配評價曲面匹配評價特征抽取特征抽取特征參數(shù)化特征參數(shù)化灑圖5.曲面傻匹配造型流虧程母這樣我們即手通過造型方豬法，獲得了順測量數(shù)據(jù)點莖的一個最佳漿匹配自由曲絞面特征，即巷滿足曲面的拳精度要求，本也提供了一蔥參數(shù)化的曲欲面特征，為死曲面修改提痛供了幾何基僻礎(chǔ)。笑表3曲面別造型信息恥曲面類型闊拉伸曲面隆旋轉(zhuǎn)曲面灘掃略曲面掙混合曲面技放樣曲面破四邊曲面閑已知信息敬初始截面線聲初始截面線飄旋轉(zhuǎn)軸礙初始截面線貌（中間截面條線）寧導(dǎo)引線斧初始截面線舒中間截面線獸導(dǎo)引線歷初始截面線閃中間截面線銜二邊輪廓烏四邊輪廓穴需注意的總是，在選擇蜜初始匹配特綱征時，如果采曲面造型的珍引導(dǎo)線能測退量或識別確脊定，可選S紐weep或鞭Blend城方法，否則識選Loft疏方法；圖6秧給出一Sw虎eep曲面考產(chǎn)生示意圖愉。導(dǎo)引線導(dǎo)引線參考點截面線務(wù)圖6.Sw堵eep曲面匹重建架4.2境約束識別殃幾何特征間痕的約束關(guān)系梯類型有：灑包容約束、母位置約束、遭距離約束和濟裝配約束等罪，由于測量走點中沒有包界含約束信息眾，約束識別掠主要通過測令量進(jìn)行，即乓用人工方式敲，通過測量梢機進(jìn)行約束采關(guān)系識別，雅能識別散位置約束、捧距離約束和丸裝配約束。義4.3特匆征重建和特終征參數(shù)化炊采用上述特嗎征識別方法誓，在識別的湯同時也完成蹦了特征的構(gòu)雙建，因此特甩征及模型重群建階段的主余要工作是組槐合簡單的特突征以構(gòu)成高喬層次的復(fù)合隊特征，組合淘方式包括延摘伸、剪裁、訂求交、倒角溉等，最終形屑成一完整的記幾何實體，忘提供后續(xù)的常應(yīng)用。應(yīng)指肉出的是特征毒以及模型重千建時應(yīng)考慮徒特征的幾何懂約束關(guān)系，備否則最終的拉原形是不準(zhǔn)次確的。傾對規(guī)則幾何雙特征，根據(jù)叮前面的分析榆，可以將特喜征分解為組敲成特征的二握維約束圖，女并建立基準(zhǔn)吵繪圖平面，嘆這樣可進(jìn)行測截面形狀尺箭寸以及實現(xiàn)際方式（如拉引伸距離、旋造轉(zhuǎn)角）的參綿數(shù)化，實現(xiàn)桂尺寸驅(qū)動圖耽形變化，達(dá)仗到變形設(shè)計劉的目的。養(yǎng)對造型特征情，主要將組沒成曲面的截印面幾何曲線珍和實現(xiàn)方式籃（如swe苦ep導(dǎo)引線勞等）進(jìn)行參卵數(shù)化，這樣深改變曲面形李狀可以在控遙制點調(diào)控的縱基礎(chǔ)上，增陪加尺寸驅(qū)動橫的方式。付4.4建潔立特征變形諷協(xié)同關(guān)系匆在完成特征藏識別和特征顛參數(shù)化后，痛即完成的了板實物零件的己幾何特征的軟重建和約束職關(guān)系的恢復(fù)敬，但對一些律復(fù)雜產(chǎn)品，荒其組成產(chǎn)品潔外形的幾何騙特征有時是它跨零件的，機特征間的變牢形協(xié)同關(guān)系仿，對跨零件西曲面以及整員體協(xié)同變形秘曲面建立邊枯界約束關(guān)系臭根據(jù)變形區(qū)冊域、變形方擋式和變形量搬確定約束類挑型和約束參龍數(shù)。尖對規(guī)則幾何修特征，可建倘立特征造型紹的歷史樹，掘確立特征間恐的協(xié)同變形勝（父子關(guān)系綿）關(guān)系，以值保證父特征山改變時，子握特征也發(fā)生來相應(yīng)的變化著，如不需要聽協(xié)同變形，含也可以取消稻父子關(guān)系。翼杏對造型特征處（自由曲面具特征），主勾要建立特征屈邊界的協(xié)同鑼變形關(guān)系，辯如一swe浴ep曲面和耐一extr叛ude曲面出的邊界約束覽關(guān)系，可以太考慮兩種情訓(xùn)況，一是邊丑界約束固定粘的，及邊界遍不發(fā)生改變怕；另一種是鄉(xiāng)邊界自由的識，這時一個隨曲面改變后曠，另一與之若有邊界連結(jié)嫂的曲面也應(yīng)毛發(fā)生相應(yīng)的撲變化。5.實例亮獵圖7-8給告出了一摩托們車前大板的管基于逆向工縮程的改形設(shè)超計的圖例。聰少劑拉（a）蘆顛觀淘搭列辣續(xù)尋（b）懂圖7.某華摩托車前大耍板三維模型手（a.正視庸圖b.軸測脈圖）哥抵斥些（a）糟丸杜種霜部伶亮艘（b）嬸圖8.基嘴于逆向工程濟的改形（創(chuàng)役新）設(shè)計圖聚（a.正視宣圖b.軸測勺圖）6.總結(jié)吃本文提出支糕持創(chuàng)新設(shè)計宣的概念、模園型表達(dá)和實張現(xiàn)方法，在享現(xiàn)有CAD貍造型技術(shù)條指件下，選擇踏基于特征的溝參數(shù)化或變號量化表達(dá)來旬描述重建模茂型，將便于冠對模型進(jìn)行鉛修改和再設(shè)勉計操作，達(dá)怨到改變產(chǎn)品吩外形，實現(xiàn)炒形狀創(chuàng)新設(shè)牲計的目的。鬼其技術(shù)關(guān)鍵點在于重建原較形的幾何特油征及約束關(guān)云系，在此基毯礎(chǔ)上，根據(jù)工造型方法將達(dá)幾何特征分俯解為二維截找面約束圖，痕建立造型關(guān)活系樹，實現(xiàn)旅特征的參數(shù)撤化表達(dá)，最絲終通過尺寸膏驅(qū)動來改變露形狀。這種替方法可以有弟效處理規(guī)則魄幾何特征組威成的產(chǎn)品零障件，難點在切于復(fù)雜組合斜特征的識別帆和重建，以拐及自由曲面流特征之間的處變形約束關(guān)酒系的構(gòu)建，千上述問題是繭今后的研究償重點。若參考文索獻(xiàn)者Tamas秩Vara碎dy,R敬alph盆Marti鉗n,Jo很rdan色Cox.禿Rever掙seEn茶ginee省ring值ofGe損ometr勢icMo看dels—別anin岡trodu姜ction慰,爐Compu統(tǒng)terA機ided剪Desig識n,屢句1997彎,脹Vol.還29鞠:253~報254蓬Leona慰rdis損A.Ja燙klic勻A.So鐮lina余F.Su霧perqu宴adric什sfor飼segm優(yōu)entin畫gand跪mode罰ling揮range瓜data老.IEE島EPAM近I199慶7,19(任1):12慕89-95步EckM旋.Hop謝peH.夸.Aut想omati汽crec遼onstr顧uctio壓nof耳B-spl桿ines垂urfac衡esof喜arbi轟tary毯topol拜ogica呈ltyp餅e.Co暗mpute亮rGra構(gòu)phics卸(SIGG凡RAPH.壇96),懶vol.恰30,19擱96.驚MaW.舟and東Kruth動JP.別.Par宵ametr徹izati惰onof按rand降omly堆measu弓redp倆oints帝for肆least費squa剛refi旅tting耐ofB固-spli吃necu墨rves田ands摧urfac牢e,Co彩mpute沫rAid遲edDe慧sign,梁1995,踏27(9箏):663惠~675茫YauH蓮ong-T礦zong萬,燙Chen叼Jenq-淺Shyon愛g風(fēng).形rever蔑seen渡ginee雜ring顯ofco渠mplex岡geom寫etry尿using爛rati厭onal插B-spl淹ines貢.鞭Inter桃natio嶄nalJ部ourna益lof更Advan戴cedM全anufa因cturi枯ngTe培chnol爪ogy嫩,1997胞,扁13科(壘8隊):館548-5冊55染穆國旺多.怎逆向工程中沿NURBS缺曲面的重構(gòu)門.北京航車空航天大學(xué)搏博士學(xué)位論這文況，北京，芹2001.其1概PalB猛enko,與Ralp帳hR.馬Marti別n,Ta福masV政arady宋.Alg席orith煩msfo恭rrev火erse怠engin盯eerin鉆gbou辣ndary墨repr村esent候ation饒mode趕ls.C階omput哄erAi掛dedD尋esign歷,200管1,33:黎839-8尚51告Thomp葡sonW夕illia唇mB.皇,綢Owen察Jonat勵hanC沙.適,飲deSt惕.Ger野main,鴉H.J背ames燈,ctc名..聯(lián)Feat夫ure-b瘋ased幻rever漠seen類ginee摧ring具ofme烏chani煮calp隸arts酸.拍IEEE父Trans錢actio筋nson錦Robo命tics輸andA盞utoma厚tion認(rèn),蝦袍1999,梳15弱(粗1奇):綢57-66吊李江雄餓，攪柯映林扯.終基于特征的沿復(fù)雜曲面反等求建模技術(shù)墨研究框.莖機械工程學(xué)票報，壽2000,譯36(5)航.18-2沿2罵陽道善，陳掩吉紅，周濟岡等院.蘋測量數(shù)據(jù)云未中規(guī)則表面沖的自動識別蔽.券計算機工程爸，沈2001,冷27(5)柄22-24案N.Wer海ghi,顏R.Fis給her,杜C.Ro或berts的onet脂c.Ob改ject抗recon忍struc掌tion唉byin貿(mào)corpo況ratin裕gfeo棗metri解ccon胞strai簡ntsi魂nrev畏erse振engin斜eerin醬g.Co浴mpute閱rAid梁edDe濫sign,琴1999,晝31:36乞3-399稅Thomp綱sonW救B,Ow膠enJC怠,St棚Germa奸inHJ等D,St模arkS屠R,He英nders隸onTC阻.委Feat腸ure-b磚ased取rever輛seen探ginee業(yè)ring施ofme迎chani鉤calp盤arts間,泄IEEE彎Tran潔sacti筐ons崖on毫Robo針tics磨andA機utoma牽tion洞,閱1999你,橫15(1主):57酒-66傾Ueng扔絨Wen-D敏er公,彎Lai票純Jiing供-Yih徐,屑Doong濃況Ji-Li秋ang顯.季Surf脈acer危econs醒truct街ionf亞rom3吊Dmea茶sured軌data磚usin劉gtra五nslat消ional嫂swee貓ping苗,露Jour最nalo默fthe顆Chin盈eseS腔ociet用yof低Mecha妄nical膏Engi串neers性,Tra哲nsact至ions征ofth蝦eChi惰nese增Insti瘦tute獻(xiàn)ofEn外ginee卸rs,狹1999,損20(3恨):艙191-2受00泄Wen-D哪erUe漢ng,J炸iing-炸YihL乳ai,J蓮i-Lia漁ngDo再ong.狹Sweep題-surf惱acer典econs啄truct坡ionf每romt救hree-姑dimen由siona榮lmea格sured仗data戒.奴C考o(jì)mput役erAi執(zhí)ded士D模esign層,筐199初8另,協(xié)30(10塔)缸:笨791-8緊05鴿Jiing乞-Yih原Lai,竟Wen-率DerU錄eng傘.企Recon張struc事tion祝ofsu裁rface孔sof華revol查ution滔from安meas擦ured穴point壓s蝴.忍Compu格ters池inIn它dustr泉y剝,倍2000雕,掩41亦:灶147–1征61拾LinC目.Y.歉,鍬Liou飯C.S.框,恐LaiJ較.Y.刮.綿Surf吵ace-l帶oftin毯gapp爬roach溉for旋smoot圓h-sur轟face頂recon益struc脆tion述from盲3Dme冒asure秩ment危data買.刮Compu虎ters崗inIn馳dustr漲y席,199償7,液34福(企1弄):堆73-85鋸PalB挺enko,沿Geza州Kos,碧Tama知sVar扔adye組tc暈.析Cons單train詠tsfi僵tting廢inr或evers撞eeng盈ineer耀ing.冬Compu薪terA那ided疫Desig填n,20須02,19艇:173-充205抵Arep滴resen次tatio貢nmod貍elof薯3Dr居econs尾truct廉iono等bject冷supp酬ortin竊gpro叫duct秋redes傅ign&猴inno按vativ新edes坦igna恒ndre著const塑ructi倍onpr紫ocess屠es高JINT免aoT占o(jì)ngS夕hui-g很uang嘆(歡Insti催tute將ofC裕hemic核alMa染chine將ry,盾Zheji豐angU瀉niver碰s務(wù)ity,界Hangz次hou,毒31002準(zhǔn)7,Ch泳ina匆)繡Abstr堡act:貓Int訴hisp作aper敏,每ana凝pproa煙ch神isp千ropos腎edto戀solv棄ethe貝reco謎nstru阿cted碗objec晃t民’香sred未esign戴prob糞lemi扔nrev冰erse朵engin枯eerin熔g,th暴econ柱venti牙onal遮appro糾achi金sto紋adopt示simp刑lean刑alyti樂cals徹urfac敬e,B-所splin承essu遇rface輩,or揀NURBS沫漂direc鐘tlyf嘗ittin集gto蝶me