基于逆向的轮胎花纹层次化建模方法及其CAD系统研究

摘要

由于轮胎花纹结构的复杂性，以及凹槽、缝隙等微细特征的存在，在轮胎硫化工序中，制造出的成型花纹经常会与设计花纹存在一定量的偏差，以至于对已有轮胎花纹噪声、滑水、抓地等方面性能的分析研究具有失真性。针对此问题，本文对胎面花纹逆向层次化建模关键技术及其CAD系统开发展开研究，以便组建花纹语义规则库和轮胎语义模型库，用于指导花纹的设计，分析花纹性能，优化加工工艺。具体研究内容如下:
　　(1)分析了逆向工程的关键技术。详细归纳总结了点云数据的采集、去噪、修复、精简、分割、特征提取、光顺及拟合等技术理论，并将其在轮胎点云数据中的应用进行了探索性尝试与比较。
　　(2)研究了轮胎花纹的特征和造型。综合花纹正向设计流程，将花纹进行拆分设计，提出了基于特征的层次化建模方法，用以规范其逆向设计流程。
　　(3)对轮胎点云数据预处理展开了研究。参考轮胎花纹的造型规律，在球型与扇形混合空间分割的基础上，提出了一种基于聚类的主成分统计分析方法。通过借鉴切片分层的思想，将三维点云数据转化为具有层次性的深度图像，绕开了在微细特征处因扫描精度出现的数据缺失问题。
　　(4)对轮胎花纹边界特征提取进行了研究。通过对几种特征提取算法在轮胎花纹边界提取中的验证与对比，借鉴投影图像特征提取的方法，在将深度图像转化为灰度图像的基础上，提出了一种融合花纹边界区域增长规律的特征提取算法。
　　(5)对轮胎花纹曲线逼近与重构技术进行了研究。结合轮胎模具型腔的加工特点，借助三次样条插值方法将曲线离散化处理为一簇等间距坐标点的形式，并根据最佳一致逼近的定义实现自适应相切连续圆弧直线的花纹曲线逼近。
　　(6)轮胎逆向层次化智能建模系统的开发。以CATIA V5作为设计平台，SQL Server2008为数据管理平台，VS2005和CAA-RADE为开发工具，制定了集设计、分析、管理为一体的研发平台。将花纹逆向设计的操作处理进行了封装整合，实现了花纹的逆向层次化快速建模。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题概述

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 花纹设计的国内外研究现状

1．2．1 胎面花纹概述

1．2．2 轮胎花纹正向设计技术

1．2．3 轮胎花纹逆向技术

1．2．4 轮胎花纹CAD技术

1．3 论文研究内容与组织结构

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文研究思路与组织结构

1．4 本章小结

第二章 逆向技术理论研究与分析

2．1 点云数据采集

2．1．1 轮胎工业中两种常用扫描设备及原理简介

2．1．2 两种设备扫描点云数据的分析对比

2．2 点云数据去噪

2．3 点云数据修复

2．4 点云数据精简

2．4．1 基于距离的精简算法

2．4．2 基于网格的精简算法

2．5 数据分割与配准

2．6 特征信息提取

2．6．1 基于局部二次参数曲面平均曲率的特征提取方法

2．6．2 基于灰度图像栅格表的边界特征提取方法

2．7 曲线光顺及拟合

2．8 本章小结

第三章 基于逆向特征的胎面花纹层次化建模方法

3．1 模型重构要求及实现流程

3．1．1 模型重构要求

3．1．2 模型重构流程

3．2 层次化建模方法

3．2．1 层次化设计概念

3．2．2 轮胎花纹层次化知识元分解

3．2．3 基于逆向特征的花纹层次化建模

3．3 驱动层次单元规则关系的执行机制

3．3．1 驱动点云到特征点的数据处理机制

3．3．2 驱动特征点到特征曲线的拟合机制

3．3．3 驱动特征曲线到特征曲面的重构机制

3．3．4 驱动花纹面片间的封装集成机制

3．3．5 驱动花纹节距的装配机制

3．4 本章小结

第四章 胎面花纹逆向建模关键技术

4．1 前期数据预处理

4．1．1 扫描基准位置及中间平面的确定

4．1．2 数据的读写存储

4．1．3 数学模型的建立及数据关系的转化

4．1．4 扫描数据扭转现象的修正

4．1．5 数据分割、精简

4．2 胎顶轮廓曲面重构

4．2．1 胎面数据统计分析

4．2．2 胎顶曲线拟合

4．2．3 胎顶曲面重构

4．3 切片分层及灰度图像转化

4．4 花纹边界特征点识别与提取

4．4．1 花纹纵沟边界特征信息提取

4．4．2 花纹横沟边界特征信息提取

4．5 花纹边界特征曲线拟合

4．5．1 离散化处理

4．5．2 加工特征逼近

4．6 模型重构

4．7 本章小结

第五章 轮胎花纹逆向智能CAD系统开发

5．1 系统总体方案设计

5．1．1 系统设计原则

5．1．2 系统设计方案

5．2 系统开发技术

5．2．1 CATIA二次开发方式

5．2．2 CAA开发原理

5．3 系统程序框架构建

5．4 逆向建模系统模块

5．4．1 功能界面设计

5．4．2 系统模块功能实现

5．5 系统实现案例分析

5．6 系统测试与评估

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况