散乱数据的NURBS曲面建模与数控加工技术研究

摘要

随着当前数字化测量技术的快速发展,反求工程技术在工程中已经得到广泛的应用.与此相应,对点云数据的曲面重构研究也引起了足够的重视.该文主要研究了散乱数据的NURBS曲面重构和在重构网格基础上的后续数控加工路径规划问题.散乱数据重建存在点与点之间几何拓扑关系建立困难和存在大量冗余数据两大难点.为了实现数据的精确压缩,简化点与点之间拓扑结构的建立,把散乱数据转化为扫描线数据,对点云数据进行了直接分层处理,采用了基于最小距离关联点对的线面截交算法和截面轮廓数据的八方向编码追踪算法,并用实例验证了方法的可行性.基于截面轮廓数据,详细探讨了NURBS曲线的拟合方法.用积累弦长的方法对截面轮廓数据进行参数化;给出了节点矢量选择的合理数学模型;用最小二乘法对截面轮廓数据进行了NURBS曲线的拟合;二分法寻找最优控制点的算法使NURBS曲线的拟合达到全自动化的程度.基于轮廓曲线,详细探讨了网格生成技术.在曲线相容、蒙皮的基础上,形成了四边形网格;在曲线相容的基础上,实现了三角剖分算法;通过计算NURBS曲线的曲率,实现了三角网格简化算法,并且分析了简化后三角网格的精度.最后用实例验证了算法的可行性.面向数控加工,该论文讨论了STL模型的刀具路径规划问题.在STL切片的基础上,对切片数据进行三次分段NURBS曲线插值,通过刀触点计算出刀位点,实现了数控加工路径的规划.最后对论文的工作进行了总结.介绍了建模模块的界面、整体框架以及OpenGL下曲线、曲面的显示.文中还给出了一个具体工程实例,验证了该建模模块的功能.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

1绪论

1.1概述

1.2逆向工程的定义

1.3逆向工程的应用

1.4原型的数字化测量技术

1.4.1离散数据的类型

1.5离散数据的三维重建

1.5.1点云数据的预处理

1.5.2离散数据的几何建模方法

1.6文献综述

1.6.1离散数据的几何造型

1.7本文的内容组织

2散乱数据的直接分层技术

2.1算法的思想来源

2.2分层原理

2.3直接分层算法

2.3.1分层位向的选择

2.3.2切片轮廓线数据的提取方法

2.4轮廓数据的追踪

2.4.1八方向编码

2.4.2网格尺寸的确定

2.4.3轮廓追踪算法

2.5程序运行实例

2.6本章小结

3 NURBS曲线的拟合技术

3.1 NURBS曲线的定义

3.2数据的参数化和节点向量的选择

3.2.1数据的参数化

3.2.2节点矢量的选择

3.3最小二乘的拟合算法

3.4最优控制点个数的计算方法

3.5程序运行实例

3.6本章小节

4基于NURBS曲线的网格生成技术

4.1 NURBS曲面的定义

4.2 NURBS曲线的相容性处理

4.2.1德布尔算法

4.2.2相容性操作

4.3 NURBS曲面的蒙皮操作

4.4三角剖分算法

4.5三角网格的简化算法

4.5.1 NURBS曲线的曲率计算

4.6 STL文件的形成

4.6.1法矢量的计算

4.7网格精度分析

4.7.1网格的空间划分

4.7.2测量点到三角片间的距离计算

4.8应用实例

4.9本章小结

5 STL模型的数控加工路径规划

5.1几个重要概念

5.2前人的方法

5.3本文的方法

5.4 STL模型切片

5.5三次NURBS分段插值曲线

5.6计算刀位点

5.6.1刀触点位置的计算

5.6.2刀触点方向的计算

5.7应用实例

5.8本章小结

6建模模块功能的实现

6.1界面的实现

6.2建模功能实现的整体框架

6.3曲线、曲面的显示

6.3.1 NURBS曲线的显示

6.3.2三角网格的显示

6.4应用实例

6.5本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢