基于点的几何模型及其CAD/CAM应用研究

摘要

CAD/CAM技术的发展，大大加速了产品的设计制造进程，是提升制造业竞争力的根本方式。几何模型是CAD/CAM应用的核心和基础，线框模型、曲面模型和实体模型作为CAD/CAM系统中的常规模型，得到了成熟而广泛的应用，满足了大量产品的应用需求。但仍存在一些具有复杂外形的产品，在应用CAD/CAM技术进行具体的产品设计制造时，很难用常规的几何模型表示，或是即使能用常规几何模型表示，也难以进行后续的设计修改和数控编程操作。随着测量技术的发展，高效高精度地获取物体表面数据成为可能，物体表面点集成为逆向工程应用的前提，点作为描述几何的基本体素，是曲线曲面表达和应用的基础，同时，由点集表示物体几何在计算机图形学领域兴起了研究热潮并得到日益广泛的应用。基于点的几何模型，简称点模型，以物体表面数据点集表示产品几何，并通过对点集的直接操作实现CAD/CAM功能，有常规几何模型所没有的特性，可以应用于CAD/CAM，完成某些产品的高效设计制造。 鞋楦是制鞋的模具，传统的鞋楦生产方式严重制约了我国鞋业的发展，将CAD/CAM技术引入鞋楦的设计与制造，是变革我国制楦业的根本方式。如何有效的表示鞋楦几何，并在此基础上开发适用的设计修改和数控编程功能，是实现鞋楦CAD/CAM的关键。 本文从CAD/CAM应用角度，以基于点的几何模型作为研究对象，对其相关理论、技术与应用进行了系统研究，并在以下方面取得了创新性成果： 1.根据当前CAD/CAM技术和数据测量技术的发展现状和趋势，结合基于点的几何模型在计算机图形学中的研究与应用，首次提出了应用于CAD/CAM的基于点的几何模型。给出了基于点的几何模型的定义及其CAD/CAM应用流程，分析了模型初始数据的获取方式，研究了模型精度的评价方法，根据点模型的结构特征和后续应用特点，将点模型分为非规则化点模型和规则化点模型，分别研究了模型固有的数据结构、几何属性的计算和点的插入与精简等方法。 2.给出了适用于点模型的平移、旋转、比例、等距等几何变换操作；通过变形区域和变形函数思想，实现了点模型的局部修改功能；通过生成点模型八叉树，进而进行空单元模型内外部区分和边界单元模型内外部计算，实现点模型的CSG功能；通过设置过渡区域实现点模型的组合设计。这些CAD方法是点模型应用于CAD/CAM的必要基础。3.点模型没有连续的几何表示，只能通过离散的点位信息计算刀具轨迹，在分析了当前基于常规CAD模型和直接基于点的CAM方法后，给出了适用于规则化点模型的参数线加工方法和通用的点模型刀具轨迹计算方法，并就加工仿真和相应的数控加工设备作了探讨。 4.点模型在产品中的具体应用，需要通过CAD/CAM系统实现，基于点的CAD/CAM系统开发，除了需要遵循软件工程的方法外，重要的是图形系统的开发，在给出了系统框架和功能需求后，提出了从底层做起、基于CAD/CAM开发平台、基于通用CAD/CAM系统和基于逆向软件等四种开发方法，根据我国国情，研究了专用产品的基于点的CAD/CAM系统开发与应用。 5.将基于点的几何模型及其CAD/CAM应用的相关理论应用于鞋楦，得到基于点的鞋楦CAD/CAM技术。首先给出基于点的鞋楦几何模型的定义，根据鞋楦几何和计算机辅助设计的特点，研究鞋楦点模型的CAD方法，并分别讨论了由实物样楦建立鞋楦模型、组合设计和局部修改技术，然后给出了鞋楦CAM的具体过程，最后给出鞋楦CAD/CAM系统开发与应用的成功案例。 本文对于基于点的几何模型的研究工作，对CAD/CAM技术提出了一种新的思想，并对其实现和应用做了初步的系统研究，随着相关技术的发展和研究的进一步深入，基于点的几何模型必将成为CAD/CAM技术的核心要素，在产品的设计制造中发挥重要作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1 CAD/CAM技术

1.1.1 CAD/CAM的概念

1.1.2 CAD/CAM在产品设计制造中的应用

1.1.3逆向工程技术及其应用

1.2产品几何模型

1.2.1产品几何模型的概念

1.2.2 CAD/CAM系统中的几何模型

1.2.3点描述几何的能力

1.3鞋楦CAD/CAM技术

1.3.1鞋楦及其特点

1.3.2我国制楦业发展现状

1.3.3鞋楦CAD/CAM技术

1.3.4鞋楦CAD/CAM技术国内外发展及研究现状

1.4学位论文的研究工作

1.4.1选题意义

1.4.2论文研究的主要内容

1.5小结

第2章基于点的几何模型

2.1引言

2.2基于点的几何模型

2.2.1定义

2.2.2应用

2.2.3初始数据的获取

2.2.4模型精度评价

2.3非规则化点模型

2.3.1点的K-邻域

2.3.2切平面和法线

2.3.3特征点的提取

2.3.4点的插入和精简

2.4规则化点模型

2.4.1模型获取

2.4.2数据结构

2.4.3几何性质

2.4.4点的插入和精简

2.5小结

第3章点模型的CAD方法

3.1引言

3.2点模型的几何变换

3.2.1平移变换

3.2.2旋转变换

3.2.3比例变换

3.2.4等距变换

3.3点模型的局部修改

3.3.1实现思想

3.3.2变形函数

3.3.3变形区域的选择和定义

3.4点模型的CSG方法

3.4.1点模型内外部的界定

3.4.2布尔运算的过程

3.5点模型的组合设计

3.5.1组合设计思想

3.5.2点模型的组合设计

3.5.3过渡区域的计算

3.6小结

第4章点模型的CAM方法

4.1引言

4.2基于常规CAD模型的CAM方法

4.3基于点的CAM方法

4.4规则化点模型参数线加工方法

4.5点模型刀具轨迹计算方法

4.5.1算法原理

4.5.2算法讨论

4.5.3算法应用

4.6加工仿真

4.7数控加工设备

4.8小结

第5章基于点的CAD/CAM系统开发

5.1引言

5.2系统实现框架

5.3系统功能需求

5.4系统开发方法

5.4.1从底层做起

5.4.2基于CAD/CAM软件平台

5.4.3基于通用CAD/CAM系统

5.4.4基于逆向软件

5.5针对专用产品的系统开发

5.5.1专用产品的系统应用

5.5.2系统实现框架

5.6小结

第6章基于点的鞋楦CAD/CAM技术

6.1引言

6.2基于点的鞋楦几何模型

6.2.1定义

6.2.2模型特点

6.3鞋楦CAD方法

6.3.1鞋楦CAD设计方式

6.3.2由实物样楦建立鞋楦模型

6.3.3组合式设计法

6.3.4局部修改

6.4鞋楦CAM方法

6.4.1鞋楦数控加工方式

6.4.2鞋楦数控加工刀具轨迹计算

6.4.3加工仿真

6.5鞋楦CAD/CAM系统开发

6.5.1面向对象的鞋楦设计模型

6.5.2系统模型

6.5.3系统实现

6.5.4系统应用

6.6小结

第7章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

附录

致谢