基于特征建模的反求工程系统关键技术研究

摘要

反求工程是进行产品设计、开发和创新的先进制造技术，其中产品外形表面的数字化和几何模型重建是反求工程的两项关键技术，而对反求得到的数字模型进行再创新是反求工程的核心。 由于基于三角形和四边形网格的曲面重构方法易丢失产品设计意图，从而造成产品再创新的困难。而几何建模应服务于产品的再创新与制造，特征技术是实现信息共享与系统集成的有效手段，本文以基于截面特征的反求策略为基础，对反求工程中特征建模的关键技术进行了研究，主要的研究结果如下。 (1)探讨了反求工程中特征的定义、数据结构及反求工程系统的模型。本文从实现基于特征建模的反求工程系统的需要和结合反求工程的实际特点，定义了反求工程中的各种特征。并在分析了当前各种CAD模型系统后，提出了易于扩展和维护的基于组件技术的面向对象的CAD系统来实现基于特征建模的反求工程CAD系统，并定义了符合组件技术和面向对象技术的要求的数据结构和特征类。 (2)探讨了点云模型的数据结构与预处理技术。随着测量技术的发展，实物数字化后数据点规模越来越庞大。如何高效地实现点云数据的拓扑重建，加快数据的检索是目前反求工程研究的难点。本文以点云数据的外包围盒和空间网格划分技术为基础，实现了自适应K近邻拓扑结构重建。利用自适应K近邻拓扑结构重建得到的点云易于检索点及相邻点的特点，用基于弦高误差控制自适应删减技术直接对点云数据删减，在保持点云形状特征的前提下，大大减小的点云数据规模，取得约90％的压缩率。 (3)重点讨论了任意方向切片技术的快速实现及平面无序点集有序化方法。切片算法是实现截面特征反求策略的前提，本文利用切片平面与点云数据外包围盒的交线快速定位相交子立方格，从而快速求得与切片平面相交的数据点集。对于由切片得到的无序点集，分别探讨了用改进的Dijkstra最短路径逼近算法和蚁群算法来实现平面无序点集有序化。由于首次将蚁群算法引入反求工程曲线重建过程中，因此重点研究了蚁群算法在平面无序点集有序化过程中各种参数的设置和实现过程，经实验验证，取得了很好的效果。 (4)着重讨论了平面特征的识别和曲线匹配方法。平面特征识别和曲线匹配是图像图形学中的难点。本文用角度差分法和最小二乘曲线拟合法相结合的方法实现平面特征的识别，即首先用角度差分法初步识别角点，然后用最小二乘曲线拟合法识别出角点中的特征点，最后再识别出直线、圆弧和自由曲线。由于传统基于曲线各种属性的曲线匹配算法不能很好地实现曲线匹配和对比，本文提出用Fourier-Mellin变换的图像配准技术来实现曲线匹配和对比，不仅能实现一般曲线的匹配，而且能对经过平移、旋转和缩放的曲线实现匹配，经实验验证，效果很好。 (5)着重讨论了简单三维特征的识别。本文采用增量最小二乘法自动分区并识别平面和球面。而对于拉伸体、回转体及扫描体等较为复杂平面，首先用高斯球曲率映射法得到曲面的拉伸(扫描)方向或旋转轴，然后用切片技术和Fourier-Mellin曲线匹配技术，实现了拉伸体、回转体及扫描体等造型特征的识别。 (6)结合实际应用，利用快速成型实验验证了基于本文算法开发的反求工程原型软件TrSurf1.0的有效性和实用性。 本文结合正向工程的特征技术和反求工程几何建模特点，提出了基于截面特征的反求工程特征建模系统模型并开发了系统原型软件TrSruf1.0。用TrSruf1.0得到的反求模型具有高层次的信息，为后续的再创新与制造提供了更强大的支持，符合现代产品设计的发展趋势。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1反求工程技术与发展现状

1.1.1反求工程的基本概念

1.1.2反求工程的基本步骤及关键技术的发展现状

1.1.3反求工程的应用领域

1.2特征技术及在反求工程中应用

1.2.1特征技术的定义

1.2.2特征技术的发展史

1.2.3基于特征的反求工程技术的建模方法

1.2.4基于特征的反求工程建模策略

1.2.5 反求工程中引入特征技术的意义

1.2.6现有商用反求工程软件特征功能评述

1.3论文的主要研究内容

1.3.1选题的意义

1.3.2课题来源、研究内容、方案与实现目标

第2章 反求工程系统的系统模型与数据结构

2.1特征理论简介

2.1.1特征定义与分类

2.1.2特征表达

2.1.3特征识别

2.1.4特征数据库模型

2.1.5基于特征的设计

2.2反求工程的特征定义及其分类

2.2.1特征点与特征曲线

2.2.2特征曲面

2.3 反求工程原型软件的系统模型

2.3.1 反求工程系统的功能结构

2.3.2 几种典型的CAD系统模型

2.3.3基于组件技术与OOP技术的反求工程系统CAD模型

2.4特征模型的数据结构

2.4.1 几种典型的非流型数据结构

2.4.2特征模型的数据结构

2.5本章小结

第3章 点云数据的拓扑结构重建

3.1 自适应K近邻空间拓扑关系的建立

3.1.1 点云数据拓扑结构重建简介

3.1.2 自适应K近邻方法

3.1.3 β值的确定

3.2点云数据的曲率计算与精简算法

3.2.1 点云数据曲率计算与精简算法研究现状简介

3.2.2基于弦差的自适应数据压缩与曲率计算方法

3.3算法实例

3.4本章小结

第4章 点云数据的切片技术

4.1 点云切片技术的定义与研究难点

4.1.1切片的定义

4.1.2切片算法的难点

4.2点云切片技术中的快速求交算法

4.2.1立方格坐标序号计算公式

4.2.2快速定位相交立方格方法描述

4.2.3平面与点云求交

4.3基于Dijkstra最短路径优化算法

4.3.1 混合式曲线重建算法

4.3.2 Dijkstra最短路径优化算法

4.4蚁群算法在曲线重建中的应用

4.4.1蚁群算法的原理

4.4.2蚁群算法在曲线重建中的算法描述与实现

4.4.3蚁群算法的改进

4.4.4算法复杂性分析

4.5 曲线重建后续处理

4.6计算实例

4.7本章小结

第5章切片数据的特征提取与特征匹配

5.1平面切片数据的特征元提取

5.1.1层析数据特征元分割技术简介

5.1.2基于左右领域的最小二乘曲线拟合识别特征算法

5.1.3角度差分法与最小二乘曲线拟合方法相结合的特征识别方法

5.1.4直线线段的识别

5.1.5圆弧线段的识别

5.1.6三次B样条曲线的拟合

5.2曲线匹配和对比

5.2.1 Fourier_mellin图像配准技术原理

5.2.2基于Fourier-Mellin变换的曲线匹配方法

5.2.3基于Fourier-Mellin变换的曲线匹配算法的时间复杂度分析及改进措施

5.2.4 曲线匹配实例

5.3本章小结

第6章 三维曲面特征的提取

6.1 增量式最小二乘法提取二次曲面特征

6.1.1 二次曲面特征识别现状简述

6.1.2二次曲面模型

6.1.3最小二乘法的增量形式

6.1.4增量式最小二乘法提取平面、球面

6.1.5 实例

6.2规则扫描面的识别

6.2.1规则扫描面的定义

6.2.2规则扫描面的判别方法

6.2.3扫描曲面的生成

6.2.4旋转面和拉伸面的生成

6.2.5实例计算

6.3本章小结

第7章 反求工程CAD系统TrSurf1.0软件介绍与案例应用

7.1 TrSurf1.0软件介绍

7.1.1 TrSurf1.0简介

7.1.2 TrSurf1.0系统结构

7.1.3 TrSurf1.0反求建模步骤

7.2花洒建模实例

7.2.1特征分析

7.2.2特征提取

7.3 自由曲面建模实例

7.3.1陶瓷工艺品建模实例

7.3.2钣金件表面重建

7.4本章结论

第8章 结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果