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

1、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(jī)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

2、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(jī)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(Reverse engineering,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

3、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*教育部博士點基金資助項目行為。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

4、設(shè)計體系,使經(jīng)濟(jì)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(jī)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

5、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(jī)將模型的數(shù)據(jù)掃入,再建立計算機(jī)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。 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

6、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。CAD模型重建之前應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,過程工作包括數(shù)據(jù)平滑、排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)、壓縮和歸并冗余數(shù)據(jù)、遺失點補齊、數(shù)據(jù)分割、多次測量數(shù)據(jù)及圖象的數(shù)據(jù)定位對齊和對稱零件的對稱基準(zhǔn)重建1.2。物體表面測量數(shù)據(jù)的分割方法一般分為兩類,一是基于邊界分割法,二是基于區(qū)域分割法。其中基于邊界的分割法首先估計出測量點的法向矢量或曲率,然后根據(jù)將法向矢量或曲率的突變處判定為邊界的位置,基于區(qū)域的分割法是將具有相似幾何特征的空間點劃為同一區(qū)域1.2。CAD模型

7、重建是逆向工程的關(guān)鍵,根據(jù)實物外形的數(shù)字化信息,可以將測量得到的數(shù)據(jù)點分成兩類:有序點和無序點(散亂點,由不同的數(shù)據(jù)類型,形成了不同的的模型重建技術(shù)。目前較成熟的方法是通過重構(gòu)外形曲面來實現(xiàn)實物重建,常用的曲面模型有Bezier、B-Spline、NURBS和三角Beizer曲面,采用的方法是對測量數(shù)據(jù)點擬合得到實物的外形曲面。曲面擬合可以分為插值和逼近兩種方式。使用插值方法擬合曲面通過所有數(shù)據(jù)點,適合于測量設(shè)備精度高,數(shù)據(jù)點坐標(biāo)比較精確的場合;使用逼近的方法所擬合的曲面不一定通過所有的數(shù)據(jù)點,適用于測量數(shù)據(jù)較多,測量數(shù)據(jù)含噪聲較高的情況。國內(nèi)外的研究大多都集中于孤立曲面片擬合方法的選擇和算法

8、的優(yōu)化上1-6。上述的模型表達(dá)和曲面擬合方法已成為當(dāng)前模型重建的主要技術(shù)方法,并已應(yīng)用于商用逆向軟件,但這種技術(shù)方法在機(jī)械產(chǎn)品逆向工程的應(yīng)用上卻受到一定限制,在模型表達(dá)上,如果曲面是多個曲面片組成的復(fù)合曲面,采用自由形狀曲面表示時(如標(biāo)準(zhǔn)的B-樣條曲面,難以找到保證C0或更高階連續(xù)的分割曲線,而且用一簡單的B-樣條曲面擬合整個曲面不能反映曲面的分段特性。為解決這個問題,Pal Benko7提出了用B-Rep來表達(dá)重建模型,它根據(jù)零件外形曲面的特征,按照組成曲面的類型(如平面、Sweep曲面、Blend曲面等分別進(jìn)行擬合,最終的模型還必須保證曲面之間的約束如連續(xù)、相切等關(guān)系。這B-Rep表達(dá)為基

9、于特征和約束的模型重建方法提供了理論基礎(chǔ)。因為使用參數(shù)曲面片的方式表達(dá)零件的幾何形狀,不能表達(dá)零件對象更高層次的結(jié)構(gòu)特征信息,同時由于在曲面擬合過程中沒有考慮特征間的約束關(guān)系和模型的整體信息,重建得到的數(shù)據(jù)模型沒有還原原形的幾何特征,這種表達(dá)對只要求提供零件的位置信息的下游應(yīng)用,如零件數(shù)控仿形、直接生成模具等,是基本合適的,但涉及到產(chǎn)品改型、創(chuàng)新設(shè)計等,特別是自由曲面組成的外形,就存在編輯、修改的困難。因為大多數(shù)機(jī)械零件產(chǎn)品都是按一定特征設(shè)計制造的,同時特征之間還具有確定的幾何約束關(guān)系,在產(chǎn)品的模型重建過程中,僅還原特征而忽略幾何約束,得到的產(chǎn)品模型是沒有意義或是不準(zhǔn)確的8-12。因此基于特征

10、及約束的模型重建方法就隨之而提出,可以這么認(rèn)為在機(jī)械領(lǐng)域,基于特征及約束的三維模型重建技術(shù)是逆向造型的一個發(fā)展方向。其關(guān)鍵技術(shù)有兩點:一是特征識別和抽取,二是在特征恢復(fù)時考慮特征間的約束關(guān)系。目前面向逆向工程的特征建模研究剛剛展開,已進(jìn)行的研究多集中在應(yīng)用于數(shù)據(jù)分割的表面棱線、區(qū)域邊界和部分規(guī)則表面(平面、柱面特征的識別上9.10,對自由曲面的重建,只是從曲面擬合的角度研究了旋轉(zhuǎn)15、掃成13.14、放樣16曲面的重建問題,尚無完整的特征建模方法,對面向逆向工程的特征定義、分類、特征數(shù)據(jù)模型定義、基于特征的模型測量規(guī)劃等則少有研究涉及。部分研究考慮了特征間的約束關(guān)系,提出了處理簡單約束關(guān)系,主

11、要是規(guī)則幾何特征的位置約束的約束擬合方法11.17?；谔卣骷凹s束的模型重建具有能捕捉和還原原設(shè)計意圖、準(zhǔn)確表述零件的幾何關(guān)系,CAD模型包含的幾何特征信息有利于后續(xù)的CAPP/CAM過程的特征識別、易于實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)和零件的定位和裝配等優(yōu)點。但目前的基于幾何特征及約束的模型重建技術(shù)仍是以恢復(fù)和還原原形為目標(biāo),目前模型重建的主要方式還是先擬合曲面片,然后再建立產(chǎn)品的曲面整體模型以及實體模型,這樣的建模方法對恢復(fù)原形是有效的,但如果我們要對CAD模型進(jìn)行修改或再設(shè)計,操作起來就顯得十分困難,這種模型孤立的曲面片表示及擬合就成為模型修改的瓶頸,因此,這樣的建模方法和模型表示對創(chuàng)新設(shè)計是不適宜的,應(yīng)尋

12、求新的模型表達(dá)及建模方法。3 支持創(chuàng)新設(shè)計的重建模型表達(dá)3.1 CAD造型技術(shù)回顧從20世紀(jì)60年代開始,CAD造型技術(shù)由線框、自由曲面,發(fā)展到目前仍占據(jù)主流的基于約束的實體造型技術(shù),主要有以PTC 公司的Pro/E軟件為代表的參數(shù)化造型理論和以EDS公司的I-DEAS軟件為代表的變量化造型理論兩大技術(shù)流派。參數(shù)化造型是由編程者預(yù)先設(shè)置一些幾何圖形約束,然后供設(shè)計者在造型時使用,與一個幾何相關(guān)聯(lián)的所有尺寸參數(shù)可以用來產(chǎn)生其它幾何。采用參數(shù)化技術(shù)可以克服自由建模的無約束狀態(tài),幾何形狀均可通過尺寸的形式來控制。如零件形狀需要修改時,只需改變尺寸的數(shù)值即可實現(xiàn)形狀上的改變,尺寸驅(qū)動已經(jīng)成為當(dāng)今造型系

13、統(tǒng)的基本功能。變量化技術(shù)或稱變量化設(shè)計(Variational Design,它保留了參數(shù)化技術(shù)基于持征、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改的優(yōu)點,但在約束定義方面做了根本性改變,它將參數(shù)化技術(shù)中所需定義的尺寸“參數(shù)”進(jìn)一步區(qū)分為形狀約束和尺寸約束,而不是象參數(shù)化技術(shù)那樣只用尺寸來約束全部幾何,這樣就賦予了設(shè)計修改更大的自由度。兩種技術(shù)的根本區(qū)別在于是否要全約束以及以什么形式來施加約束。從應(yīng)用上來說,參數(shù)化系統(tǒng)特別適用于那些技術(shù)已相當(dāng)穩(wěn)定成熟的零配件行業(yè)。這樣的行業(yè),零件的形狀改變很少,經(jīng)常只需采用類比設(shè)計,即形狀基本固定,只需改變一些關(guān)鍵尺寸就可以得到新的系列化設(shè)計結(jié)果。再者就是由二維到三維的抄圖

14、式設(shè)計,圖紙往往是絕對符合全約束條件的。而變量化系統(tǒng)除了一般的系列化零件設(shè)計,比較適用于新產(chǎn)品開發(fā)、老產(chǎn)品改形設(shè)計這類創(chuàng)新式設(shè)計。逆向工程的模型重建技術(shù)離不開現(xiàn)有的CAD基礎(chǔ)理論,從上面的分析可以看出,如果重建模型選擇參數(shù)化或變量化表示,根據(jù)參數(shù)化和變量化技術(shù)的特點,它們都在一定程度上支持模型的修改設(shè)計,而且都具有方便的可操作性,滿足支持創(chuàng)新設(shè)計的模型表達(dá)的要求。3.2基于參數(shù)化的重建模型表示模型的外形幾何表示為參數(shù)化形式,這樣可以通過修改尺寸實現(xiàn)模型的修改,根據(jù)實物的外形幾何特點,我們將模型分成兩種類型,一是具有規(guī)則幾何特征的外形,二是由自由曲面組成的復(fù)雜外形。對前者來說,較適宜采用參數(shù)化表

15、示,而且也容易實現(xiàn);對后者來說,由于自由曲面(曲線從整體來說,較難表示為某種幾何及尺寸約束,但對一些具有確定的解析計算公式表示的曲線或曲面,仍可選擇參數(shù)化表示。因為直接對三維模型建立參數(shù)化仍然存在困難,因此,目前的參數(shù)化造型都是先建立全尺寸約束二維草圖,經(jīng)過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等幾何造型形成三維模型的。為將重建模型表現(xiàn)為參數(shù)化模型,可將模型分解為由一系列特征和操作組合而成的三維形體,由于重建模型多選擇曲面表示,因此參數(shù)化也主要針對曲面進(jìn)行。圖2給出了重建模型的參數(shù)化結(jié)構(gòu)。 圖2 重建模型的參數(shù)化表示從圖1 看出,模型實現(xiàn)參數(shù)化表示的關(guān)鍵是特征分解和約束施加,即將組成模型的所有幾何特征分解成二維特征

16、約束圖+特征操作,這樣整個模型即實現(xiàn)尺寸驅(qū)動。3.3基于變量化的重建模型表示變量化技術(shù)賦予了模型表示和修改更大的自由度,因此變量化表示既適合于規(guī)則外形和自由曲面組成的外形?；谧兞炕哪嫦蚰Ｐ徒Y(jié)構(gòu)基本和參數(shù)化結(jié)構(gòu)相同,只是二維幾何圖可以是欠約束的。下面我們僅討論基于特征參數(shù)化的支持創(chuàng)新設(shè)計的模型重建方法。4.支持創(chuàng)新的模型重建方法在CAD造型技術(shù)中,實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的方法主要有:編程參數(shù)化、交互參數(shù)化、離線參數(shù)化和三維參數(shù)化等。編程參數(shù)化通過編程來進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。交互參數(shù)化是通過交互的方法來進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計,其生成方法又包括多種:變動幾何法、作圖規(guī)則匹配、幾何作圖局部求解法、輔助線作圖法、變量流技

17、術(shù)和交互生成參數(shù)繪圖命令等。離線參數(shù)化是將幾何模型向參數(shù)化模型轉(zhuǎn)換,它分成兩個步驟:其一:在已有圖形基礎(chǔ)上通過標(biāo)注尺寸建立約束關(guān)系,其二,在已有圖形和尺寸的基礎(chǔ)上,通過尺寸框架的識別搜索建立約束關(guān)系。三維參數(shù)化的實現(xiàn)有兩種途徑:一是由二維參數(shù)化圖形通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等操作得到三維參數(shù)化圖形,二維圖形改變,三紹圖形隨之變化;二即是建立基于特征的三維參數(shù)化模型,特征模型中包含特征定位和特征間的關(guān)聯(lián)信息,因而可以實現(xiàn)參數(shù)化。根據(jù)逆向造型的特點和CAD造型實現(xiàn)參數(shù)化的幾種方法,我們可以得出適合于逆向建模的參數(shù)化實現(xiàn)方法,即離線參數(shù)化和三維參數(shù)化。如圖8.13所示,其處理過程為數(shù)據(jù)分割、特征約束識別、

18、確定特征造型過程、特征的參數(shù)化建立。這里我們主要對特征約束識別和特征參數(shù)化方法展開討論。4.1幾何特征識別實現(xiàn)圖1過程的關(guān)鍵技術(shù)首先為為特征約束識別,如果能將模型分解為不同特征的組合和確定特征間的約束關(guān)系,將為幾何特征轉(zhuǎn)換為參數(shù)化表示提供實現(xiàn)的基礎(chǔ)。另外,為實現(xiàn)參數(shù)化需完整地給出特征的約束關(guān)系,不僅僅是用尺寸來建立圖形元素約束的位置關(guān)系,因為無法通過尺寸標(biāo)注來確定兩圖形元素相切的關(guān)系,盡管變量化方法不需要建立全約束關(guān)系,但對產(chǎn)品修改來說,如果產(chǎn)品具有裝配關(guān)系,模型的變化是相互關(guān)聯(lián)的,這時零部件之間整體協(xié)同變形的約束關(guān)系是必需的。約束關(guān)系建立或確定的難點在于模型數(shù)字化后,測量數(shù)據(jù)點幾乎不包含幾何

19、特征的約束關(guān)系,應(yīng)通過原形分析來判斷推理,但這樣獲得約束關(guān)系不可避免地帶有不完整性和不確定性。1.特征分類對模型重建我們僅需考慮與造型相關(guān)的形狀幾何特征,而且主要是構(gòu)成模型的低層幾何體素及其構(gòu)造特征,如點、線、面等。為方便后續(xù)的特征識別,根據(jù)幾何特征的特點和識別方法的不同,我們將幾何特征分成規(guī)則幾何特征和造型特征,兩類特征的組成見表1、2。表1 規(guī)則幾何特征regular 表2 造型特征 造型特征實際上是自由曲面特征,在幾何造型時,組成零件外形的復(fù)雜曲面都是基于上述造型手段由曲面片組合而成,在模型重建時,如果能識別原形的造型方法,就為曲面還原提供了幾何基礎(chǔ)。2. 特征模型 圖3 特征模型分層定

20、義根據(jù)零件外形組成、特征表達(dá)及特征間的約束關(guān)系,零件的特征模型被定義為一個三層結(jié)構(gòu),見圖3。第一層是零件幾何外形層,包含零件實體和特征的幾何尺寸參數(shù);第二層是幾何特征層,包含特征構(gòu)造圖和特征間的約束關(guān)系;第三層是幾何信息層,包含構(gòu)成特征的參數(shù)曲面片或Bezier、NURBS曲面片。3.特征識別(1規(guī)則幾何特征的識別規(guī)則幾何特征是構(gòu)成零件外形的基本幾何特征,對機(jī)械零件產(chǎn)品,在外形測量時即可由坐標(biāo)測量機(jī)完成部分特征的識別和測量,如平面、直線、圓(弧等。但對于一些具有復(fù)雜外形的產(chǎn)品覆蓋件,一方面組成特征不明顯,另外,由于曲面形狀變化,使孔槽特征的輪廓線沒有位于一個平面內(nèi),更由于制造誤差使輪廓外形產(chǎn)生

21、變形,特征識別就變得重要。針對規(guī)則特征的特征匹配識別方法的步驟包括:Step1:建立匹配特征庫;Step2: 初步判定特征類型;Step3: 確定匹配定位點;Step4: 進(jìn)行特征匹配;Step5: 完成特征識別,提取已識別特征的幾何參數(shù),實施特征參數(shù)化。特征類型的初步確定主要通過數(shù)據(jù)幾何特征由人工判定。特征的匹配定位點根據(jù)特征的不同,其定位方式主要分為點定位和點-軸定位。點定位主要用于圓、圓弧及球體的定位,可以通過計算測量數(shù)據(jù)點的重心得到;點-軸定位主要用于橢圓、拋物線(面等二次曲線、面的定位,軸主要是特征的對稱軸,對稱軸的建立可由邊界輪廓的相互鏡像求出。特征匹配過程需要處理待識別的特征輪廓

22、線不處于一個平面內(nèi)時,如曲面表面的孔槽、斜孔和由于測量誤差使掃描截面線成為一空間曲線的情況,在匹配之前應(yīng)將其對應(yīng)的離散數(shù)據(jù)點投影在一個平面內(nèi)?？撞邸⑿笨椎耐队捌矫婕礊槠洳堇L平面,可先重建軸線,再構(gòu)建投影平面;掃描截面線的投影平面的建立較容易,即為測量時固定的坐標(biāo)軸平面。特征識別主要由選擇的特征判據(jù)確定,特征技術(shù)中特征匹配識別采取的判據(jù)是特征線的重合率16,方法是先從特征庫中選取不同尺寸的一匹配特征,然后減小它們之間的距離,這樣可以得到一最小距離內(nèi)的最大數(shù)據(jù)包容量,最終特征可取二者的平均得到。這種方法不必進(jìn)行曲線(面擬合計算,在匹配識別的同時即可完成特征的重建,可有效用于大部分規(guī)則特征的識別,如

23、直線、平面、圓(球、橢圓、拋物線面等。圖4給出幾種特征的匹配關(guān)系圖。定位軸定位點(a(b (c圖4匹配特征及定位示意圖(a.圓 b.拋物線 c.橢圓 (2造型特征識別在本文中,我們將自由曲面特征定義為造型特征,因為對絕大多數(shù)設(shè)計產(chǎn)品來說,組成其外形的曲面都是由設(shè)計人員選擇一定的造型方式,形成一簡單的特征子曲面,再由簡單子曲面組成高層次的復(fù)合特征曲面。因此我們可以采取和原曲面相同的構(gòu)造方法來還原曲面。主要的曲面造型方法包括:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略、融合和放樣等,對上述造型方法,其已知或要求的造型條件(信息見表3。但曲面造型完成后,上述條件信息部分或全部隱含在曲面中,人工交互識別也只能測量出一近似的造型

24、信息,這點和規(guī)則特征有所不同,如對于一個旋轉(zhuǎn)曲面,由于其旋轉(zhuǎn)軸不能準(zhǔn)確建立,截面掃描測量得到的截面點以及生成的截面曲線只是原設(shè)計截面的一近似截面,用這個截面旋轉(zhuǎn)得到的模型也是一近似模型,模型不能準(zhǔn)確構(gòu)建。為解決上述造型特征問題,我們提出一種曲面特征識別方法,其原理步驟為:Step1:人工標(biāo)識測量路徑和采樣點,作為初始造型信息和模型匹配檢驗參考點;Step2:截面擬合,產(chǎn)生一光滑參數(shù)或樣條曲線,數(shù)據(jù)計算,得到旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)軸;Step3:根據(jù)原形曲面外觀特征,選擇一匹配造型特征(造型方法;Step4:特征曲面造型;Step5:曲面匹配評價,通過計算曲面到參考點的距離;Step6:如精度超出要求,將特征

25、曲面對參考點作擬合;Step7:得到一精度要求下的逼近曲面,再選擇此逼近曲面的網(wǎng)格截面線和基準(zhǔn)線(旋轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)引線作為下一次特征曲面造型的特征信息,進(jìn)行特征曲面造型;Step8:重復(fù)(5-(8步驟,直到得到一最佳逼近曲面;Step9:組成曲面的特征曲線參數(shù)化。其流程圖見圖5。 圖5.曲面匹配造型流程這樣我們即通過造型方法,獲得了測量數(shù)據(jù)點的一個最佳匹配自由曲面特征,即滿足曲面的精度要求,也提供了一參數(shù)化的曲面特征,為曲面修改提供了幾何基礎(chǔ)。 的引導(dǎo)線能測量或識別確定,可選Sweep 或Blend 方法,否則選Loft 方法;圖6給出一Sweep 曲面產(chǎn)生示意圖。 圖6.Sweep曲面重建4.2約

26、束識別幾何特征間的約束關(guān)系類型有:包容約束、位置約束、距離約束和裝配約束等,由于測量點中沒有包含約束信息,約束識別主要通過測量進(jìn)行,即用人工方式,通過測量機(jī)進(jìn)行約束關(guān)系識別,能識別位置約束、距離約束和裝配約束。4.3 特征重建和特征參數(shù)化采用上述特征識別方法,在識別的同時也完成了特征的構(gòu)建,因此特征及模型重建階段的主要工作是組合簡單的特征以構(gòu)成高層次的復(fù)合特征,組合方式包括延伸、剪裁、求交、倒角等,最終形成一完整的幾何實體,提供后續(xù)的應(yīng)用。應(yīng)指出的是特征以及模型重建時應(yīng)考慮特征的幾何約束關(guān)系,否則最終的原形是不準(zhǔn)確的。對規(guī)則幾何特征,根據(jù)前面的分析,可以將特征分解為組成特征的二維約束圖,并建立

27、基準(zhǔn)繪圖平面,這樣可進(jìn)行截面形狀尺寸以及實現(xiàn)方式(如拉伸距離、旋轉(zhuǎn)角的參數(shù)化,實現(xiàn)尺寸驅(qū)動圖形變化,達(dá)到變形設(shè)計的目的。對造型特征,主要將組成曲面的截面幾何曲線和實現(xiàn)方式(如sweep導(dǎo)引線等進(jìn)行參數(shù)化,這樣改變曲面形狀可以在控制點調(diào)控的基礎(chǔ)上,增加尺寸驅(qū)動的方式。4.4 建立特征變形協(xié)同關(guān)系在完成特征識別和特征參數(shù)化后,即完成的了實物零件的幾何特征的重建和約束關(guān)系的恢復(fù),但對一些復(fù)雜產(chǎn)品,其組成產(chǎn)品外形的幾何特征有時是跨零件的,特征間的變形協(xié)同關(guān)系,對跨零件曲面以及整體協(xié)同變形曲面建立邊界約束關(guān)系根據(jù)變形區(qū)域、變形方式和變形量確定約束類型和約束參數(shù)。對規(guī)則幾何特征,可建立特征造型的歷史樹,確

28、立特征間的協(xié)同變形(父子關(guān)系關(guān)系,以保證父特征改變時,子特征也發(fā)生相應(yīng)的變化,如不需要協(xié)同變形,也可以取消父子關(guān)系。對造型特征(自由曲面特征,主要建立特征邊界的協(xié)同變形關(guān)系,如一sweep 曲面和一extrude 曲面的邊界約束關(guān)系,可以考慮兩種情況,一是邊界約束固定的,及邊界不發(fā)生改變;另一種是邊界自由的,這時一個曲面改變后,另一與之有邊界連結(jié)的曲面也應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的變化。5.實例圖7-8給出了一摩托車前大板的基于逆向工程的改形設(shè)計的圖例。 (a (b (a (b 圖6.總結(jié)本文提出支持創(chuàng)新設(shè)計的概念、模型表達(dá)和實現(xiàn)方法,在現(xiàn)有CAD造型技術(shù)條件下,選擇基于特征的參數(shù)化或變量化表達(dá)來描述重建模型

29、,將便于對模型進(jìn)行修改和再設(shè)計操作,達(dá)到改變產(chǎn)品外形,實現(xiàn)形狀創(chuàng)新設(shè)計的目的。其技術(shù)關(guān)鍵在于重建原形的幾何特征及約束關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)造型方法將幾何特征分解為二維截面約束圖,建立造型關(guān)系樹,實現(xiàn)特征的參數(shù)化表達(dá),最終通過尺寸驅(qū)動來改變形狀。這種方法可以有效處理規(guī)則幾何特征組成的產(chǎn)品零件,難點在于復(fù)雜組合特征的識別和重建,以及自由曲面特征之間的變形約束關(guān)系的構(gòu)建,上述問題是今后的研究重點。參考文獻(xiàn)1.Tamas Varady, Ralph Martin, Jordan Cox. Reverse Engineering of Geometric Modelsan introduction, C

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