一种复杂产品异构模型融合方法

摘要

本发明公开了一种复杂产品异构模型融合方法，主要包括如下步骤：1)提取产品模型在不同阶段的几何特征和加工形位误差信息；2)采用体素化方法构建产品统一表达的体素模型；3)构建距离场交集、差集和补集操作以及速度场操作函数与异构模型基元特征、形位误差以及高级特征操作的映射；4)将产品异构基元特征和加工形位误差信息融合到体素模型；5)采用移动立方体方法重构体素模型表面模型，实现融合模型的可视化表达。本发明提供了产品异构信息处理的统一框架，实现了不同CAX系统中异构模型融合集成和统一可视表达，提供了产品多学科多性能分析和评价的有效途径，能够有效提升复杂产品设计效率，缩短复杂产品开发周期，较大提高产品竞争力。

说明书

技术领域

本发明属于一种产品数字化几何建模方法，尤其涉及一种复杂产品异构 模型融合方法。

背景技术

产品设计制造过程中需要运用到CAD、CAM和CAE等多种建模、仿真 和分析系统，其将生成大量带有部分信息的产品数字化模型。然而，各系统 单个领域运用的独特性要求和商业系统软件格式标准难以统一的现状，导致 单个零件产品大量异构模型信息难以融合和集成。

当前研究者主要采用文件格式统一和几何特征处理等方式实现异构系统 模型集成。文件格式统一方法主要通过标准文件格式解析和附加语义参数信 息处理等实现异构模型转化和系统集成。这方面的主要研究工作包括： Bianconi【BianconiF.BridgingthegapbetweenCADandCAEusingSTLfiles[J]. InternationalJournalofCAD/CAM,2002,2(1):55-67.】提出基于STL标准格式 文件的CAD与CAE数据转换方法。该方法已经在产品设计分析中得到广泛 运用，但是也面临三角网格模型不封闭等现象，且不适用于异构模型的特征 编辑和融合等复杂操作。Cao等【CaoB.,ChenJ.HuangZh.ZhengY.CAD/CAE IntegrationFrameworkwithLayeredSoftwareArchitecture[C].IEEEInternational ConferenceonComputer-AidedDesignandComputerGraphics,2009.pp.410-415.】 提出基于CAD框架结构层、CAE功能模块层以及通用几何模块库的异构模型 分层集成框架。该方法虽然提供了一种有效的异构模型转化方法，但也面临 系统接口开发工作复杂和繁琐的问题。几何特征处理方法主要通过识别产品 造型特征，然后通过添加几何特征、加工模拟和仿真分析参数语义信息实现 异构系统集成。这方面的主要工作包括：Gujarathi等【GujarathiG.P.,MaY.-s. ParametricCAD/CAEintegrationusingacommondatamodel[J].Journalof ManufacturingSystems,2011,30(3):118-132.】提出基于设计与分析信息共同表 达的异构数据转换方法。该方法虽然能够同时保存模型设计历史信息以及分 析需要的几何特征数据，达到CAD与CAE数据交换目的。然而，共同数据 表达仅能够适应单个应用领域模型转换需求，很难实现产品设计中众多系统 数据和信息的共同表达。Lee【LeeS.ACAD-CAEinternationapproachusing feature-basedmulti-resolutionandmulti-abstructionmodelingtechniques[J]. ComputerAidedDesign,2005,37:941-955.】提出基于产品几何模型抽象建模和 多层次特征表达的CAD、CAE系统集成方法。该方法通过CAD实体模型以 及多层次表达网格模型，实现不同仿真应用和精度要求的分析模型构建。然 而，其多层次模型构建过程比较繁琐，且很难满足特征编辑和移植需求。由 此可知，现有方法虽然能够初步解决产品设计系统之间以及产品设计系统与 仿真分析系统之间模型数据转换的问题，但是各方法都是针对具体问题提出 的处理途径，无法实现产品设计异构系统模型数据隐式信息的提取和识别， 也无法实现异构模型和信息的融合，更难以实现异构模型融合的统一化处理 操作和可视化表达。

发明内容

本发明的目的是提供一种复杂产品异构模型融合方法，以解决复杂产品 异构系统模型难以集成和融合的问题，提供了产品多学科多性能分析和评价 的有效途径，能够有效提升复杂产品设计效率，缩短复杂产品开发周期，较 大提高产品竞争力。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种复杂产品异构模型融合方法，包括以下步骤:

1)采用基元特征识别方法提取产品在不同阶段的异构数字化模型的几何 特征，并同时采用模型匹配方法获得产品零件加工形位误差信息，所述的阶 段包括设计阶段、加工阶段和测量阶段；

2)根据实体设计模型，采用体素化方法构建产品统一表达的体素模型；

3)根据步骤2)中得到的体素模型，计算距离场属性，然后构建距离场， 并构建距离场的交集操作与基元特征的复制方法、距离场的差集操作与基元 特征的提取方法、距离场的并集操作与基元特征融合方法的三种映射关系， 进而构建速度场操作函数与异构模型形位误差融合、速度场操作函数与异构 模型高级特征融合的两种映射关系；

4)采用距离场编辑方法实现产品异构基元特征与体素模型的融合，然后 采用水平集编辑方法将产品加工形位误差信息融合到体素模型中，得到融合 模型；

5)采用移动立方体方法重构融合模型，实现融合模型统一可视化表达，最 终得到表面模型。

所述的复杂产品异构模型融合方法，步骤1)中产品的异构数字化模型包 括设计、加工和测量阶段的异构数字化模型；识别异构模型中基本几何特征 语义参数，并通过设计实体与测量异构模型匹配集成，提取加工模型的形位 误差信息，形位误差信息包括平面度、圆度、圆柱度、平行度、同轴度和垂 直度。

所述的复杂产品异构模型融合方法，步骤2)中，所述的采用体素化方法 构建产品统一表达的体素模型，包括：

步骤1：通过主分量分析方法，调整模型几何位姿，提取实体设计模型最 佳表达主轴；

步骤2：将实体设计模型离散化，然后根据模型的拓扑连接关系来构建体 素模型。

所述的复杂产品异构模型融合方法，步骤3)中，根据产品体素模型的距 离场属性，构建距离场交集、差集与并集，并得到与基元特征提取、复制与 融合方法的映射关系，然后根据水平集编辑和操作方法构建凸起特征速度场、 恒定速度场、曲率自适应速度场以及兴趣域速度场，再依次建立与形位误差 信息融合、形状偏移特征融合、光顺倒角特征融合以及兴趣域特征融合一一 对应的高级特征和语义操作的映射关系，其中形位误差信息融合和形状偏移 特征融合属于异构模型形位误差融合，光顺倒角特征融合以及兴趣域特征融 合属于异构模型高级特征融合。

所述的复杂产品异构模型融合方法，步骤4)中，采用距离场编辑方法实 现产品异构基元特征与体素模型的融合是通过选定特定产品模型的体素模型 作为基本体模型，然后将产品异构模型特征和信息融合到基本体模型；融合 操作中结合模型平移、旋转和缩放功能定位空间位置；并结合距离场交集、 并集和差集操作实现异构模型几何特征融合。

所述的复杂产品异构模型融合方法，步骤4)中，采用水平集编辑方法将 产品加工形位误差信息融合到体素模型中是通过根据特征编辑和融合的具体 需求，构建凸起特征速度场、恒定速度场、曲率自适应速度场和兴趣域速度 场，然后融合产品异构模型形位误差信息、形状偏移特征、光顺倒角特征和 兴趣域特征这些高级特征和语义信息。

所述的复杂产品异构模型融合方法，步骤5)中，采用移动立方体方法重 建融合后的几何体模型表面

附图说明

图1是本发明提出的产品异构模型信息融合方法的具体流程；

图2是本发明提出的产品异构模型信息融合的框架图；

图3是对产品模型体素离散化前后效果对比；其中(a)为PCA校正位 姿的模型，(b)为校正位姿模型体素离散，(c)为任意位姿的模型，(d)为 任意位姿模型体素离散；

图4是在基本体模型上表面融合异构燕尾槽信息的结果图；其中(a)为 燕尾槽模型，(b)为基本体模型，(c)为融合模型，(d)为基本横切面，(e) 为融合横切面，(f)为基本纵切面，(g)为融合纵切面；

图5是将自由曲面信息融合到基本体模型的结果图；其中(a)为自由曲 面模型，(b)为基本体模型，(c)为融合模型，(d)为基本横切面，(e)为融 合横切面，(f)为基本纵切面，(g)为融合纵切面；

图6是叶片形位误差信息融合的结果图；其中(a)为带测量误差信息的 模型，(b)为基本体模型，(c)为融合模型，(d)为基本横切面，(e)为融合 横切面，(f)为基本纵切面，(g)为融合纵切面；

图7是叶片模型融合偏移信息的结果图；其中(a)为曲面信息融合模型， (b)为外向偏移模型，(c)为内向偏移模型。

具体实施方式

本发明包括以下实施步骤：

1)采用基元特征识别方法提取产品在不同阶段的异构数字化模型的几何 特征，并同时采用模型匹配方法获得产品零件加工形位误差信息，所述的阶 段包括设计阶段、加工阶段和测量阶段；

2)根据实体设计模型，采用体素化方法构建产品统一表达的体素模型；

3)根据步骤2)中得到的体素模型，计算距离场属性，然后构建距离场， 并构建距离场的交集操作与基元特征的复制方法、距离场的差集操作与基元 特征的提取方法、距离场的并集操作与基元特征融合方法的三种映射关系， 进而构建速度场操作函数与异构模型形位误差融合、速度场操作函数与异构 模型高级特征融合的两种映射关系；

4)采用距离场编辑方法实现产品异构基元特征与体素模型的融合，然后 采用水平集编辑方法将产品加工形位误差信息融合到体素模型中，得到融合 模型；

5)采用移动立方体方法重构融合模型，实现融合模型统一可视化表达，最终得 到表面模型。

其中，步骤1)中采用基元特征识别方法提取异构数字化模型特有几何特 征和加工形位误差信息的具体过程如下：

采用基元特征识别方法提取产品设计、加工和测量等不同阶段的异构数 字化模型中特有的平面、圆柱、圆锥等基本几何特征语义参数；通过设计实 体与测量异构模型匹配集成，提取加工模型的平面度、圆度、圆柱度、平行 度、同轴度和垂直度等形位误差信息。

步骤2)中根据实体设计模型，采用体素化方法构建产品统一表达的基本 体模型，其具体过程如下：

首先采用主分量分析方法提取模型最佳表达主轴方向，实现产品设计各 系统模型几何位姿匹配；然后将产品基本体模型离散化，构建产品三维体素 统一表达模型。调整模型几何位姿具体过程如下：

设模型中各顶点为x_i，点集中心为则模型顶点集合的协方差矩 阵可以表示为：

$T=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(x_i-x_c)·{(x_i-x_c)}^T$

协方差矩阵T的特征值可表示为λ₁≥λ₂≥λ₃，与其对应的特征向量分别为v₁、 v₂和v₃。可得任意位姿状态下的几何模型变换到模型主轴方向的变换矩阵为：

$M=\left(\begin{array}{cccc}{v}_{11}& v_{21}& v_{31}& 0\\ v_{12}& v_{22}& v_{32}& 0\\ v_{13}& v_{23}& v_{33}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)·\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -x_{c1}\\ 0& 0& 0& -x_{c2}\\ 0& 0& 0& -x_{c3}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

按照上式对原始模型进行变换，然后按照传统方法在x,y,z方向离散实体 模型。由于，需要构建原始坐标空间的体素模型，因此将离散后的各顶点坐 标变换到原始坐标空间，其变换矩阵为：

$M^{-1}=\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& x_{c1}\\ 0& 0& 0& x_{c2}\\ 0& 0& 0& x_{c3}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}{v}_{11}& v_{12}& v_{13}& 0\\ v_{21}& v_{22}& v_{23}& 0\\ v_{31}& v_{32}& v_{33}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

产品模型离散化和重建具体过程：根据设计模型包围盒构建满足精度要 求体素模型，并估计每个体素角点与实体模型的位置关系，若角点位于体素 内部则赋值为1，否则赋值为0；然后通过x,y,z方向上的索引(i,j,k)构建模型 的拓扑连接关系。

步骤3)中，构建距离场操作函数的的具体过程如下：

首先构建产品体素模型距离场属性；然后构建距离场交集、差集与补集 与基元特别提取、复制与融合方法的映射关系；进而构建凸起特征速度场、 恒定速度场、曲率自适应速度场以及兴趣域速度场与形位误差信息融合、形 状偏移特征融合、光顺倒角特征融合以及兴趣域特征融合等高级特征和语义 操作的映射关系。

构建距离场：

体素模型的距离场可表示为φ(p(t),t)的函数，其表示由三维空间坐标和时 间轴构成的四维空间映射为1维空间的泛函。距离场值为0的等值面构成异 构模型信息融合的表面模型，其可以表示为：φ(p(t),t)＝0

上式表明距离场φ和体素单元坐标p耦合作用构成模型动态变化的结果。 为了清晰地表示距离场和体素坐标的相互关系，利用链式微分求导可得：

$\frac{d\phi \left(p\right(t),t)}{dt}=\frac{\partial \phi }{\partial t}+▿\phi ·\frac{dp}{dt}=0$

假设模型中所有顶点只能沿距离场的法向方向运动，那么体素坐标位置Φ 对时间t的微分可以表示成速度场和法向的乘积：

$\frac{dp\left(t\right)}{dt}=f\left(p\right)\frac{▿\phi }{\left|\right|▿\phi \left|\right|}$

经过推理可得水平集编辑方程:

$\frac{\partial \phi }{\partial t}+f\left(p\right)\left|\right|▿\phi \left|\right|=0$

由于距离场是定义在产品模型体素单元顶点上的函数，假设模型采用单 位空间坐标和单位时间离散表示，则各体素单元顶点在第n时间步距离场可以 表示为：

φⁿ[i,j,k]＝φ(iΔx,jΔy,kΔz)

模型体素离散后，各体素单元的坐标位置不会发生变化，且体素模型初 始距离场记为φ⁰。根据模型距离速度场和初始距离场，结合距离场在时间维 度的离散表示，模型动态距离场可以表示为：

φⁿ⁺¹[i,j,k]＝φⁿ[i,j,k]-f(i,j,k)·||φⁿ[i,j,k]||

由此可知，通过定义距离场和距离场法向方向的速度场f(p)，可构建动态 可变的产品模型，实现产品异构信息融合。

距离场操作与异构模型融合映射：

体素模型单元节点不但包含有空间三维坐标信息，同时还有距离场信息， 因此可以根据距离场属性并集、差集和交集操作，实现体素模型复制、提取 和融合等异构模型信息处理的基本操作，并可通过基本操作组合实现复杂模 型构建。距离场操作与异构模型几何特征融合的对应关系如下表所示：

表1距离场操作与异构模型几何特征融合的对应关系

速度场操作与异构模型融合映射：

当体素模型单元顶点的速度场为定值(不为0)时，其能够不断地将模型边 界向体内或者体外均匀推进，实现产品异构模型偏移信息融合。具体可以表 示为：

f_const(p)＝k

对于光顺和倒角等模型融合操作则需要通过构建曲率自适应速度场。具 体可以表示为：

f_curve(p)＝k_m(p)

体素模型编辑过程中也需要动态实现突起和凹槽等特征构建和融合，其 可以通过定义修改点p₀处满足高斯分布的距离场实现。具体可以表示为：

$f_{bump}\left(p\right)=\Phi \left(p_0\right){\exp }^{-\left|\right|p-p_0\left|\right|/2{\sigma }^2}$

其中σ为特征影响区域调节因子，一般取为体素分布间距3-5倍。

对于异构模型局部特征信息的融合则可以通过构建兴趣域(ROI)速度场操 作函数实现。其主要由比例调节因子α，兴趣域调节半径r，兴趣域过渡区域 宽度k，兴趣域操作中心位置p₀以及模型编辑速度场f(p)等五部分组成。具 体定义如下：

f_roi(p)＝αf(p)w_rk(||p-p₀||)

其中w_rk(t)为兴趣域调节函数，满足兴趣域内取值为1，兴趣域外取值为 0，内外部过渡光顺的条件。具体可以表示为：

$w_{rk}\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\le t<r\\ 1-3{\left(\frac{t-r}{k}\right)}^2-2{\left(\frac{t-r}{k}\right)}^3& r\le t\le r+k\\ 0& t>r+k\end{array}\right)$

步骤4)中，采用距离场编辑方法实现产品异构基元特征与基本体模型的 融合，其具体过程如下：

在体素模型编辑时，选择特定产品体素模型作为基本体模型，然后通过 距离场交集、并集和差集操作可以将异构模型中的圆柱面、锥面和球面等基 元信息融合到基本体模型，同时可以结合平面等基元信息组合构成异构模型 键槽等高级语义特征。对于异构模型拉伸、扫掠以及螺旋等基元信息以及自 由曲面信息等也可以通过距离场操作及其组合，实现异构模型复杂特征信息 的融合。

采用水平集编辑方法将产品加工形位误差信息融合到基体模型，其具体 过程如下：

通过将单个扫描点的位置偏差作为离散速度场，然后根据体素模型突起 特征建模方法实现异构模型形位误差信息的融合。并通过构建恒定速度场， 实现异构模型偏移信息融合，而通过曲率自适应的速度场构建则可以实现异 构模型光顺和倒角信息融合。最终结合兴趣域速度场编辑方法，实现异构模 型局部信息的融合。

步骤5)中，采用移动立方体方法重构基本体模型表面模型，实现融合模 型的可视化表达，其具体过程如下：

利用云图和动态剖切可视工具，检验融合结果是否达到预期要求，并且 可以根据距离场可视结果交互式的修正融合过程；然后采用移动立方体方法 重构基本体模型表面模型，构建融合模型的统一可视表达。

本发明的流程图如图1所示，流程框图如图2所示，主要设计思路为：

1)针对图2所示产品设计中点云、实体和离散模型等异构模型，采用基 元特征识别方法提取产品异构模型中的几何特征和加工形位误差信息，如图2 中的基元模型中不同分块模型表达的即为识别的平面、柱面、锥面等几何特 征模型；

2)将如图2中所示的实体设计模型作为基本体模型；然后采用主轴位姿 校正方法校正模型位姿，如图3a、b所示为校正位姿后模型体素离散的结果， 图3c、d为任意位姿状态模型，通过模型校正能够提高体素离散的精度；最 终采用体素化方法可得图2所示体素模型，并可以通过剖切和云图方式可视 化体素模型的距离场属性信息；

3)构建距离场交集、差集和补集操作以及速度场操作函数与异构模型基 元特征、形位误差以及高级特征融合和编辑操作的映射关系，其中异构模型 融合与距离场操作具体映射关系如图1所示；

4)如图2所示，采用距离场编辑方法实现产品异构基元特征与基本体模 型的融合，得到体素表达的融合模型，且通过剖切可视融合模型，能够检验 产品异构模型融合的准确性；

5)根据上述类似操作方法，采用水平集编辑方法可将产品加工形位误差 信息融合到基体模型，并且结合图1所示的速度场构造方法，能够将异构模 型高级语义信息融合到基本体模型；

6)采用移动立方体方法重构表面模型，结果如图2所示，其能够表达融 合后模型的状况，实现融合模型统一可视化表达。

实施例一：

图4为fandisk模型上表面融合燕尾槽信息的结果。

其中图4(a)为异构系统中燕尾槽点云模型，图4(b)为体素表达的基本体模 型，其上每个基本单元顶点都包含有距离场属性，文中分别用横纵切面显示 体素模型的距离场信息，结果如图4(d)、(e)所示，其中图片中间部分颜色较 浅处表示模型内部，图片四周颜色较深处表示模型外部，其他颜色为中间过 渡部分即表面边界。

通过将燕尾槽信息体素离散化，然后初始化距离场属性，并采用静态距 离场差集操作，可将燕尾槽信息融合到基本体模型，融合结果的横纵切面如 图4(e)、(f)所示。

对比基本体模型距离场属性和融合模型距离场属性可知，距离场操作能 够简便地将产品模型信息融合到基本体模型，并且能够保持基本体模型内外 关系和表面边界特征一致性。通过体素表达的融合模型，虽然能够完整地表 达产品模型信息，但是无法直观地可视化融合模型表面特征，因此采用移动 立方体方法重建模型，获得异构模型信息融合后的表面模型，如图4(c)所示。

由图4(b)、(c)的结果可知，本发明方法能够有效地将燕尾槽信息融合到 基本体模型，实现不同应用系统异构模型基元信息的融合。

实施例二：

叶片设计牵涉到实体造型、曲面造型、结构静力、模态分析、流体动力 以及传热传质等多个学科。对叶片空气动力学性能进行分析时，只需要考虑 叶片整体形态；而对叶片散热性能进行分析时，则重点需要考虑模型中散热 孔和槽分布及数量；对叶片防泄漏性能进行分析时，还需要考虑端面型线凹 槽特征。由此，叶片产品仿真分析时需要构建多种结构特征各异模型，此外， 还有大量的加工测量点云模型和结构拓扑优化模型等，其构成叶片异构模型 系统库。

本发明以叶片设计中异构模型融合为例，进一步阐述本方法实际产品设 计运用的效果，结果如图5-7所示。

为了防止叶片端面气体泄漏，产品造型设计时往往需要在叶片端面构造 与型线相似的自由曲面凹槽特征，因此采用静态距离场差集操作将自由曲面 凹槽信息融合到基本体模型上端面，具体结果如图5所示。

其中图5(a)为型面点云模型，图5(b)、(f)为基本体模型距离场横纵切面结 果，图5(e)、(g)为异构信息融合后模型的距离场切面结果，图5(c)为融合模型 表面重建结果。

通过静态距离场可以实现异构基元和自由曲面信息的融合，然而对于产 品异构形位误差信息，以及偏移和倒角等高层次语义信息融合则需要通过动 态速度场实现。

本发明进一步运用到叶片形位误差信息融合以及叶片型面偏移信息融合。

图6(a)为提取的隐式形位误差信息，根据图1所示的异构模型编辑和速度 场操作映射关系，采用突起特征速度场建模方法，构造扫描离散点速度场， 然后通过水平集编辑方法获得图6(e)、(g)所示融合模型的距离场属性。

对比基本模型和融合模型距离场横纵切面可知，形位误差信息融合前后 产品体素模型距离场相差不大，只是在型面与基体过渡位置有微小变化，这 完全符合图6(a)中形位误差分布情况。图6(c)重建的表面模型进一步证明本发 明方法融合产品加工形位误差信息的有效性。利用现有模型作为先验基体， 然后融合加工误差信息，初步解决扫描不规则稀疏点云模型难以重建的难题， 实现了扫描点云与基体异构模型的融合。

本发明方法同样运用到叶片型面偏移信息融合，结果如图7所示。

其中图7(a)为叶片端面融合自由曲面信息结果，通过构建体素单元点沿法 向方向的恒定速度场，即可实现叶片型面外向和内向偏移的高层语义信息融 合，结果如图7(b)、(c)所示。由图可知，通过体素模型高层次偏移语义信息 融合，能够简便地构建满足原始型线特征要求且壁厚不同的叶片模型，其将 在产品结构静力优化等方面发挥重要作用。

本发明提出了基于体素模型的产品异构统一表达模型的方法，并且通过 产品模型主轴提取方法获得模型最佳体素化坐标系。

本发明同时提出了基于静态距离场和动态速度场的体素模型编辑的方法， 并通过建立距离场和速度场操作函数与异构语义信息和几何特征的映射关系， 将产品异构信息融合转化成体素模型距离场操作，进而实现产品异构模型融 合。

本发明提出了产品异构模型信息融合的算法框架，并通过测试模型和实 际产品模型语义信息和几何特征融合实验证明了文中方法的有效性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和主要优点。本行业的 技术人员应该了解,本发明不受上述实施实例的限制,上述实施实例和说明书 中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明 还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。