具有复杂刻线的航空模具逆向建模技术研究

摘要

传统的飞机设计制造模式采用了大量的实体制造依据来保证飞机的制造准确度和生产过程中的互换协调，一定程度上制约了航空制造企业生产力的发展，并造成了储存、维护、管理等诸多方面的压力。为顺应数字化转型的趋势，需将实物原型转换成数字制造依据。从实物测量数据重建产品CAD模型的逆向工程技术为这一问题提供了良好的解决方案。本文以既有自由曲面外形又带有复杂刻线的航空模具工装为具体对象，开展航空实物依据的逆向建模技术研究，主要研究内容涵盖了航空模具的三维数字化测量、多要素测量数据预处理、数字化模型建立等方面。论文的具体研究工作概括如下： （1）总结并分析了航空模具等实物制造依据的结构特点和设计要素，在此基础上综合采用摄影测量、结构光扫描测量、光学追踪下的接触式测量的三种视觉测量方法完成了产品实物几何外形、刻线基准等多要素的数据采集，归纳了测量方案实施的过程和策略。 （2）针对数据采集过程获得的异构测量数据特点对其进行相应的预处理，着重研究了刻线离散点数据的管理办法。综合运用统计学、几何图论知识提出了复杂刻线测量数据的分组排序方法，使数据的组织形式方便后续建模过程，从而提高了模型重建效率。 （3）结合逆向工程中现有曲线曲面重构理论和方法，以专业CAD软件为主、自主开发软件为辅，实现航空模具CAD模型的重建。总结了模具重建的一般性方法和流程，其中包括模具主要型面的重构，复杂刻线的重构和曲线曲面重建结果的融合等。在方法研究的基础上，针对具体验证实例，构建相应的CAD模型并进行重建质量评价，印证了本文方法的有效性。 （4）将基于约束的模型重建思想引入到航空模具逆向建模的具体实践中，研究并解决了模型重建过程中曲线、曲面特征之间的部分约束满足问题，对重建模型具有一定的优化作用，使其更为接近产品的原始设计意图。

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摘 要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 逆向工程技术及其研究现状

1.2.1 三维数字化测量技术

1.2.2 测量数据预处理技术

1.2.3 离散数据点曲线重建

1.2.4 基于约束的模型重建

1.3 研究内容和章节安排

第二章 航空模具测量方案

2.1 航空实物制造依据的类型

2.2 航空实物制造依据设计要素分析

2.3 测量方案的制定与实施

2.3.1 测量方案的选择

2.3.2 视觉综合测量方案

2.3.3 测量方案的实施

2.4 测量数据特点与预处理

2.5 本章小结

第三章 复杂刻线数据的处理与重构

3.1 刻线重构方法分析

3.2 复杂刻线分组排序

3.2.1 基于搜索的数据分组排序

3.2.2 基于EMST的数据点排序

3.2.3基于测量信息的数据分组排序

3.3 平行截面的创建

3.4 规则曲线约束重构

3.4.1 曲面展开与数据转移

3.4.2 基于特征点识别的轮廓数据分段

3.4.3 平面数据点的直线和圆弧拟合

3.4.4 约束表达与识别

3.5 本章小结

第四章 航空模具曲面分析与重构

4.1 模型坐标系的建立

4.2 一般自由曲面重构

4.2.1 曲面重构方法分析

4.2.2 曲面模型重构实例

4.3 对称曲面约束分析

4.4 本章小结

第五章 软件开发与应用实例

5.1 CATIA及其二次开发技术简介

5.2 软件主要模块的设计与实现

5.2.1 刻线数据管理模块

5.2.2 曲面约束重构模块

5.2.3 曲线约束重构模块

5.3 航空模具重建实例

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致 谢

在学期间的研究成果及发表的论文