基于曲率特征的点云数据区域分割和钣金件曲面拟合的技术研究

摘要

钣金件产品结构复杂，大多是按一定的特征进行设计和加工的，多数的钣金件表面是由平面、球面以及圆柱面等比较简单的解析曲面组成，并且这些曲面之间通常都具有一定的几何约束关系。钣金件的曲面重建不仅要重现结构特征，还要重现曲面间的约束关系，在满足约束的条件下对钣金件曲面重建，可以提高曲面重建的精度，更加符合设计者的设计意图，使得重建的钣金件曲面模型能够利于后续的改型设计和模具设计及生产加工等。
　　论文针对钣金件的结构特点，将钣金件的曲面重建分为点云数据预处理、点云数据区域分割、二次曲面特征识别与约束识别，基于特征和约束的曲面拟合四个阶段，具体工作如下：
　　1、点云数据预处理。估算散乱点云数据的法矢和曲率，并对法矢进行调整，为了避免边界附近数据点法矢和曲率估算不准确对曲面特征识别的影响，在数据点区域分割前提取出过渡区域的点云数据，对于钣金件，其过渡区域主要是圆角过渡，当主要区域拟合后，可通过三维软件直接生成；
　　2、点云数据区域分割。将预处理的点云数据的坐标、估算出的法矢、高斯曲率和平均曲率组成八维特征向量，应用基于遗传算法的模糊聚类算法实现点云数据的区域分割；
　　3、二次曲面特征识别与约束识别。采用最小二乘法获取平面初始特征参数，用判别式法确定其它类型曲面的初始参数，对曲面特征不完整的数据点，在判别式法的基础上采用无约束粒子群算法对分割后的数据点进行曲面类型判断和曲面拟合。采用参考特征离线参数化方法识别出曲面间的约束关系，并给出曲面间约束识别的具体实现方法。
　　4、基于特征和约束的曲面拟合。建立基于特征和约束的优化拟合模型，利用含约束粒子群算法求解优化拟合模型，降低求解难度，增加曲面拟合的准确度，最后通过对重建的分片曲面进行延伸、求交、裁剪、过渡等操作建立钣金件的曲面模型。
　　论文将钣金件的曲面重建的方法用程序实现，基于CATIA CAA平台对CATIA进行二次开发，用两个实例演示了钣金件曲面重建，所编制的程序能很好地实现钣金件曲面拟合。