（机械制造及其自动化专业论文）反求工程cad建模中的特征技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 本文针对反求工程c a d 建模中的特征技术进行了系统深入的研究。研究并 解决了从测量数据提取二次曲面特征、过渡曲面特征及其参数化表达的关键技术 和算法。 文章阐述了反求工程领域，特征的定义、分类、表达以及特征与约束的关系 等基本理论，详细论述了基于特征的数据分块技术，包括通过曲线曲率计算和曲 面曲率计算分别提取扫描线测量数据和散乱测量数据中特征点的算法。 在二次曲面特征提取中，对法方程法、奇异值分解法和特征向量估计法等线 性最d , - - 乘法和非线性最小二乘法进行了论述，给出了基于线性和非线性最小二 乘法的平面、球面、圆柱面、圆锥面等二次曲面拟合的算法。 在过渡曲面特征提取中，详细研究了过渡曲面特征提取的两个步骤，即数据 分块和过渡曲面参数提取。基于数据精简、曲率估算和曲率比较，研究了从原始 测量数据中自动分离出过渡区域数据点的算法。通过圆柱面拟合和过渡区域跟 踪，提出了用于描述过渡曲面的系列截面线计算方法。提出了基于概率统计理论 的等半径过渡曲面参数和线性变半径过渡曲面参数分析求精技术。结合测量数据 实例，对特征提取中导致误差的原因进行了分析。 在自由曲面特征提取中，基于反求与设计相结合的思路，提出了对自由曲面 进行再次参数化的方法。详细论述了从点云数据中提取曲线的切片算法，提出了 通过点云切片和交互的手段提取扫掠曲面、旋转曲面和蒙皮曲面等自由曲面特征 参数的方法。 有关特征曲面提取和参数化表达的核心算法已成功应用于反求工程c a d 建 模系统r e s o f t 中，两个具体应用实例论证了算法的可行性和应用价值。 最后在总结全文的工作和创新点的基础上，指出了反求工程c a d 建模中有关 特征技术需要进一步研究的内容。 关键词：反求工程几何造型，特征技术，特征造型，特征提取，参数化，特征 点，特征曲线，二次曲面特征，过渡曲面特征，自由曲面特征 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef e a t u r et e c h n o l o g yi nr e v e r s ee n g i n e e r i n gi ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d t h ek e y a l g o r i t h m so f t h e e x t r a c t i o na n d p a r a m e t r i cr e p r e s e n t a t i o no f q u a d r i c s u r f a c ea n db l e n ds u r f a c ef e a t u r e sa r ei n v e s t i g a t e da n d d e v e l o p e d f u n d a m e n t a lt h e o r i e so ff e a t u r ei nr e v e r s e e n g i n e e r i n g ，s u c ha sf e a t u r ed e f i n i t i o n , f e a t u r ec l a s s i f i c a t i o n ，f e a t u r er e p r e s e n t a t i o na n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e a t u r ea n d c o n s t r a i n t , a r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r2 an o v e lm e t h o do ff e a t u r e b a s e ds e g m e n t a t i o n o f p o i n td a t ai sp r o p o s e d t h ef e a t u r ep o i n t sc a nb ee x t r a c t e df r o ms c a nl i n ed a t ao r p o i n tc l o u db ya n a l y z i n g t h ec u r v ea n ds u r f a c e sc u r v a t u r e r e s p e c t i v e l y t h ew e l l k n o w nl e a s ts q u a r e sm e t h o d ( l s m ) i su s e dt oe x t r a c tq u a d r i cs u r f a c e f e a t u r e t h el i n e a ra n dn o n l i n e a rl s m ，s u c ha sm e t h o do fn o r m a le q u a t i o n s ( m n e ) ， s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) a n de i g e n v e c t o re s t i m a t i o n ( e v e ) ，a l ed i s c u s s e d i nc h a p t e r3 n e wa l g o r i t h m sf o rf i t t i n gp l a n e ，s p h e r e ，c y l i n d e ra n dc o n ew i t hl i n e a r a n dn o n l i n e a rl s ma r ed i s c u s s e d an e wm e t h o do f e x t r a c t i n g b l e n ds u r f a c e f e a t u r e ，i n c l u d i n g t w o s t e p s ： s e g m e n t a t i o na n dr e c o v e r yo f p a r a m e t r i cr e p r e s e n t a t i o n ，i sp r e s e n t e di nc h a p t e r4 t h e s e g m e n t a t i o ns e p a r a t e st h ep o i n t si nt h eb l e n dr e g i o nf r o mt h er e s to f t h ep o i n td a t a w i t ht h e p r o c e s s e s o fs i m p l i f y i n go fp o i n td a t a , e s t i m a t i o no fl o c a lc u r v a t u r eo f s u r f a c ea n dc o m p a r i s o no fm a x i m u mc u r v a t u r ev a l u e s t h er e c o v e r yo f p a r a m e t r i c r e p r e s e n t a t i o ng e n e r a t e s as e to f p m f i l e sb y m a r c h i n gt h r o u g h o u tt h e b l e n d r e g i o na n d f i t t i n gc y l i n d e r s t h ep a r a m e t e r so f b l e n ds u r f a c ew i t hc o n s t a n tr a d i u so rl i n e a rr a d i u s a r ea n a l y z e da n do p t i m i z e dw i t ht h et h e o r yo f p r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c s b e c a u s eo f t h ee x i s t e n c eo fd a t ap o i n t sa f f e c t e db yn o i s e ，s o m ec a u s e st ob r i n go u te x t r a c t i o n d e v i a t i o na r ee x p l o r e d w i t h r e g a r dt ot h ee x t r a c t i o no f f r e e f o r ms u r f a c ef e a t u r e ，ap r a c t i c a lm e t h o do f r e - p a r a m e t e r i z a t i o no f f r e e - f o r ms u r f a c ei sp r o p o s e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fr e v e r s e e n g i n e e r i n ga n dc o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o d s as l i c i n ga l g o r i t h m , u s e dt og e tc u r v e s f r o mp o i n tc l o u d ，i sp r e s e n t e di nc h a p t e r5 w i t ht h es l i c i n ga n di n t e r a c t i o na n a l y s i s ， t h ef r e e f o r ms u r f a c ef e a t u r e s ，i n c l u d i n gs w e e p i n gs u r f a c e ，r o t a t i o n a ls u r f a c ea n d s k i n n i n gs u r f a c e ，c a nb ec a t a l o g e d t h et e c h n o l o g i e sa n dk e ya l g o r i t h m sp r e s e n t e da b o v ea r ei m p l e m e n t e di nt h e r e v e r s ee n g i n e e r i n gc a dm o d e l i n gs o f t w a r er e s o f t t w od e t a i l e de x a m p l e sa r e p r e s e n t e d i n c h a p t e r 6t os h o wt h e f e a s i b i l i t y a n da p p l i c a t i o nv a l u eo ff e a t u r e i i t e c h n i q u ei nr e v e r s ee n g i n e e r i n gc a d m o d e l i n g i nt h es u m m a r yo ft h i sd i s s e r t a t i o n ，an u m b e ro fa d v a n c e dt o p i c s f o rf e a t u r e t e c h n i q u e i nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga r ea d d r e s s e df o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，g e o m e t r i cm o d e l i n g ，f e a t u r e t e c h n o l o g y , f e a t u r em o d e l i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o n , p a r a m e t e r i z e ，f e a t u r ep o i n t ，f e a t u r ec u r v e ， q u a d r i cs u r f a c ef e a t u r e ，b l e n ds u r f a c ef e a t u r e ，f r e e f o r ms u r f a c ef e a t u r e i i i 第一章绪论 【内容提要】本章首先阐述反求工程的基本概念、应用领域和基本步骤，并对反求工程关键 技术的发展现状进行综述，然后介绍特征技术在几何造型中的应用，并探讨在反求工程中引 入特征技术的意义，最后给出本学位论文的主要研究内容和章节安排。 第一节反求工程技术及其发展现状 质量、成本、生产率三要素是制造业永恒的议题，但在不同的时期，它们有 着不同的内涵，其重要性也在悄然发生着变化。制造业已经经历了以价格、质量 为主导因素的竞争时期。如今，对商业机迢响应的速度，即产品研发速度，逐渐 成为当代企业赢得全球竞争的第一要素i l “。为了提高产品研发速度，出现了许 多先进的设计与制造技术，如计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工艺规划 ( c a p p ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、并行工程( c e ) 、 虚拟制造( v m ) 、快速原型( r p ) 、反求工程( r e ) 、敏捷制造( a m ) 、产品数 据管理( p d m ) 、企业需求计划( e r p ) 等。其中，反求工程作为支持产品再创 新工程的重要技术途径之一，已经成为先进制造技术领域的研究热点( ”j ， 1 反求工程的基本概念 反求工程( r e ，r 即c r s c e n g i n e e r i n g ) ，亦称逆向工程，是相对于传统正向工 程面言的。传统的产品开发过程遵从正向设计的思维进行，即从市场需求中抽象 出产品的概念描述，据此建立产品的c a d 模型，然后对其进行数控编程和数控加 工- 最后得到产品的实物原型。概括地说，正向设计工程是由概念到c a d 模型， 再到实物模型的开发过程。而反求工程则是由实物模型到c a d 模型的过程。在 很多场合，产品开发是从已有的实物模型着手如产品的泥塑、木模样件，或者 缺少c a d 模型的产品零件等，对实物模型进行三维数字化处理，构造实物的c a d 模型，并利用各种成熟的c a d c a e c a m 技术进行再创新设计的过程。 广义的“反求工程”包括形状( 几何) 反求、工艺反求和材料反求等诸多方 面，是一个复杂的系统工程【”。目前，大多数有关“反求工程”问题的研究都集 中在几何形状、即重建产品实物的c a d 模型方面【9 1 6 】。 浙江走学博士学位论文 2 反求工程的应用领域 反求工程在实践中具有十分广泛的需求。概括起来，反求工程可以在以下诸 多方面发挥重要作用： f 1 ) 外形设计人员一般难以直接通过计算机进行复杂物体( 如复杂曲面外形产品、 人体和其他动植物外形等) 的三维几何设计，而更倾向于用黏土、木质材料 或泡沫塑料进行初始外形设计。这就需要通过反求工程将实物模型转化为三 维c a d 模型。 ( 2 ) 由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常要对已有的构件做局部 修改。在原始设计没有三维c a d 模型的情况下，若能将实物零件通过数据 测量与处理产生与实际相符的c a d 模型，对c a d 模型进行修改以后再进行 加工，将显著提高生产效率。因此，反求工程在改型设计方面可以发挥不可 替代的作用。 r 3 ) 以现有产品为基础进行产品的龟蜻f 设计已经成为新产品设计的一种理论或理 念。利用反求工程技术建立现有产品的c a d 模型，同时利用先进的 c a o c a e c 埘技术进行再创新设计，提高新产品研发速度。 f 4 ) 某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的损坏而 停止运行，通过反求工程手段，可以快速生产这些零部件的替代零件，从而 提高设备的利用率和使用寿命。 ( 5 1 借助于工业c t 技术，反求工程不仅可以产生物体的外部形状，而且可以快 速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手 段。 f 利用反求工程手段，可以方便地产生基于模型的计算机视觉。 f 7 ) 通过实物模型产生其c a d 模型，可以使产品设计充分利用c a d 技术的优势， 并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。 f 8 ) 一些特殊领域的应用，如艺术品、考古文物的复制，医学领域中人体骨骼、 关节等的复制、假肢制造，特种服装、头盔的制造时需要首先建立人体的几 何模型等，这些情况下部必须从实物模型出发褥到c a d 模型。 可见，反求工程技术具有广阔的应用领域，尤其是随着快速原型( r p ，r a p i d p r o t o t y p i n g ) 技术在制造业中推广和应用，作为r p 技术的前端数据处理方法， r e r p 的结合已成为产品创新设计与制造的重要技术途径1 1 7 - 2 3 l ，尤其是对于提高 我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业产品的快速c a d 设计与制造水平，加 快产品开发速度，提高产品市场竞争能力，具有重要的实际意义和经济价值。 3 反求工程的基本步骤及其关键技术发展现状 浙江大学博士学位论文 t a m a sv a r a d y 在反求工程综述文献 1 2 中，将 反求工程分为数据测量、数据预处理、数据分块与 曲面重构、c a d 模型构造等四个基本步骤，其流 程如图1 - 1 所示。 3 1 数据测量技术 数据测量是反求工程建模的第一步，它是用一 定的测量设备对实物的表面数据( 有时也包括内部 数据) 进行三维数值化。随着计算机和激光测量技 术的飞速发展，测量手段和技术更加丰富和先进 1 1 0 斟。6 。在制造业中常用的测量手段主要有： ( 1 1 三坐标测量机 2 7 , 2 8 数据测量 + 数据预处理 数据分块与 曲面重构 c a d 模型构造 图1 - 1 反求工程基本步骤 三坐标测量机可以配备触发式测量头和连续扫描式测量头，对被测件进行单 点测量和扫描测量。三坐标测量机具有测量精度高的优点，但其测量速度和效率 较低，不能对松软物体进行测量，而且需要对测量数据进行测头半径补偿。然而 由于三坐标测量机能够对被测件的几何量进行精密测量，它在反求工程中仍然有 较广应用。目前，通过在三坐标测量机上配备激光扫描测头，实现坐标测量机的 非接触式测量，大大地提高了三坐标测量机的应用范围。 ( 2 1 激光扫描测量法1 2 9 - 3 2 l 激光扫描测量法，又称光切法，是一种基于线结构光和三角测量原理的非接 触式测量方法。该方法沿着扫描方向顺序采集测量数据，在测量时不与被测件发 生接触，因而可以对松软物体进行测量，而且测量速度快，测量数据无需进行测 头半径补偿。这些优势使激光扫描测量法在反求工程中占据了重要位置。 r 3 1 投影光栅法i j 驯 投影光栅法也是一种基于线结构光和三角测量原理的非接触式测量方法，与 激光扫描测量法不同的是，投影光栅法通过图像处理的方法，一次得到整幅图像 上像素的三维坐标。该方法测量速度快，无需运动平台，具备大规模采集表面数 据的能力在飞机、汽车等大型复杂曲面零件的表面测量中具有广阔的应用前景。 f 4 1 层切法 3 4 - 3 5 1 层切法采用铣削的方法将被测件一层一层地剥离，然后在每层上用c c d 摄 像头摄取断层图像，并提取边界轮廓。该方法最大的优势是能够获得被测件内表 面数据，不足之处在于被测件在测量过程中被破坏。 ( 5 1 工业计算机断层扫描成像法p 州 工业计算机断层扫描成像法，又称工业c t 法，利用c t 扫描设备对被测件 浙江大学博士学位论文 进行层析扫描，获取被测件在各个切片层上的内外轮廓数据。该方法同样能够获 得被测件内表面数据，而且不破坏被测件，但目前测量精度还比较低。 3 2 数据预处理技术 随着测量技术不断发展，各种测量方法的速度和效率不断提高，如德国g o m 公司的基于投影光栅法原理的a t o s 光学测量系统可以在分钟内完成4 3 0 ，0 0 0 个数据点的测量。因而，测量结果产生的数据量非常大，并形象化地称之为“点 云”数据。在实际工程应用中，由于测量数据中经常存在着多视测量、数据失真 和数据冗余等问题，故在曲面重构前需要对测量数据进行预处理。 ( 1 ) 多视拼台 在数据测量过程中，由于受到被测件形状、测量方法、测量时定位夹紧等多 方面的限制，次测量常常无法获得被测件表面的完整数据，需要改变方位进行 多次测量。囡此，首先需要对各测量数据块进行多视拼合处理，主要是坐标归一 化处理和数据重叠处理。在坐标归一化处理中，一般采用绑定参考物( 如标准球、 标准块等) 或多测头同时工作的方法 1 2 j 。在数据重叠处理中，首先对测量数据 进行重叠区域检测，然后对重叠区域数据进行融合处理【3 7 - 3 9 1 。 ( 2 1 数据平滑 由于测量设各的外部震动以及被测件表面粗糙或镜面反射因素引起，使得测 量数据中包含噪声。为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量 数据进行平滑处理。对于具有扫描线结构的测量数据，一般采用通过对点列拟合 曲线的光顺处理【4 叽4 1 1 以及高斯滤波的方法【4 2 1 去除噪声。对于离散的测量数据，首 先进行三角化处理，然后应用基于网格光顺的方法去除噪声【4 3 l 。 f 3 ) 数据压缩 对于大规模的点云数据，可能存在大量的冗余，为了提高后续曲面重构的计 算效率，需要按一定要求减少测量点的数量，即进行数据压缩。数据压缩方法可 以分为均匀压缩和非均匀压缩，均匀压缩算法已经比较成熟h 4 。4 ”，非均匀压缩是 f 1 前海量数据压缩算法的主要研究方向m 。 3 3 数据分块技术 数据分块( s e g m e n t a t i o n ) 是将点云数据分割成属于不同曲面片的数据子集。 在反求工程中，产品表面往往无法由一张曲面进行完整描述，而是由多张曲面片 组成，因而必须将测量数据进行分块，然后对各数据块分别构造曲面模型。 数据分块技术大体可以分为基于边( e d g e - b a s e d ) 和基于面( f a c e b a s e d ) 两 浙江犬学博士学位论文 种方法。基于边的数据分块方法 4 7 , 4 8 1 ，首先在测量数据内部确定边界点，如法矢 突变、曲率突变或更高阶微分特性发生突变的数据点，然后将边界点连接为边界 曲线，最后利用边界曲线将整个测量数据分割为不同的区域。 基于面的数据分块方法h 9 , 5 0 ，则采用区域生长的方法，用不同类型的曲面拟 合区域数据，并依据拟合误差大小确定曲面类型，直到拟合误差达到给定的阈值， 然后继续选择种子点进行区域生长和曲面拟合，在区域生长的同时，可以动态调 整拟合曲面的类型。 针对噪声数据会影响和干扰数据分块准确性的问题，不少学者研究并提出了 利用神经网络技术的数据分块方法 5 1 , 5 2 ，通过对测量数据进行自学习，根据不同 的噪声数据自动调整各种阙值参与数据分块和曲面类型的搜索，提高数据分块的 准确性。另外，由于基于边的方法没有提供曲面信息，而基于面的方法缺少边界 信息，对此又出现了同时应用基于边和基于面的数据分块混合技术【5 3 捌。 3 4 曲面重构技术 出面重构是反求工程的关键环节，其目的是要构造满足精度和光顺性要求， 并与相邻曲面光滑拼接的曲面模型。根据曲面拓扑形式的不同，可以将曲面重构 方法分为两大类：基于矩形域曲面的方法和基于三角域曲面的方法。 ( 1 ) 基于矩形域曲面的方法 在c a g d 中，非均匀有理b 样条( n i 爪b s ) 为曲线曲面提供了统一的数学 描述方法，是s t e p 标准中描述工业产品几何形状的标准算法，目前商品化的 c a d c a m 软件都以n u r b s 为基础。因此，基于矩形域曲面的方法是反求工程 曲面重构的主要方法，许多学者对此进行了大量的研究。 由于权因子的存在，使得n u r b s 曲面重构算法比较复杂，在实际工程应用 小，b 样条曲面的使用较为广泛。m a 和k r u t h 5 5 1 以及p a r k 和k i m 5 6 l 都提出了插 值于边界并对内部点进行拟合的b 样条曲面构造方法。m i l r o y t 5 提出调整边界曲 线控制顶点的方法，解决了b 样条曲面片之间的光滑拼接( g 1 连续) 的问题。 p i e g l t ”】通过对, 、v 两个方向的b 样条曲线拟合，实现了对扫描测量数据的曲面 拟合。l i n 【5 叼提出了首先将测量数据按行进行b 样条曲线拟合，然后蒙皮生成曲 面的方法。k r u t h 6 0 1 和l a i t “ 也研究了在边界约束条件下的b 样条曲面重建方法。 对n u r b s 曲面的重构，一般首先将大规模的数据点进行压缩，再进行曲面 重构。文献 6 2 】采用体积刹分 s p i a t i a lb i n n i n g ) 法压缩数据，然后进行n u r b s 曲面拟合，该方法适用于曲率变化较小的情况。来新民掣” 提出了基于曲率测 度的大规模散乱数据点自适应压缩方法压缩数据，再用n u r b s 曲面进行拟合。 另外也有学者提出利用神经网络来处理反求工程中的曲面重构问题。g u l 6 4 浙江大学博士学位论文 提出将人工神经网络b p 算法用于曲面建模，逼近拟合方程。陈东帆晡5 1 对人工神 经网络b p 算法作了进一步改进。 ( 2 ) 基于三角域曲面的方法 三角域曲面构造以三角b e z i e r 曲面为理论基础1 6 6 ，它具有构造灵活、边界适 应性好等特点，一般用于具有任意拓扑结构的散乱数据曲面造型中。该方法通过 三个步骤，即数据三角化、曲线网构造、三角b e z i e r 曲面构造，可以在测量数据 上构造一张整体g 1 连续的复合三角b e z i e r 曲面模型。 在国外，这方面的研究工作华盛顿大学起步较早，h o p p e 6 7 删在对大规模散 乱测量数据的三角b e z i e r 曲面重构问题进行了研究，并在许多刊物上发表其研究 成果。在国内，浙江大学是研究散乱数据三角曲面插值理论并将该理论用于解决 反求工程c a d 建模问题较早的单位之一。柯映林博- i t 7 1 1 在其博士论文中系统研 究了三角b e z i e r 曲面造型，并提出了将三角b e z i e r 曲面模型应用于反求工程的 设想，其合作者进一步研究了基于三角b e z i e 2 曲面的反求工程c a d 建模关键 技术 3 8 , 7 2 , 7 3 】，陈志杨刊则研究了三角b e z i e r 曲面与n u r b s 曲面的转换技术，实 现了三角b e z i e r 曲面与通用c a d c a m 软件的数据交换功能。1 3 5c a d 模型构造技术 反求工程最后一个步骤就是要构造完整一致的边界表示( b - r e p ) c a d 模型， 即用完整的面、边、点信息来表示模型的位置和形状【7 5 1 。由于重构的曲面片之 问可能存在着裂缝，或者缺少曲面边界信息等原因，使得表示产品模型的几何信 息和拓扑信息不完整。因此，必须使用其它手段，如延伸、求交、裁剪、过渡、 缝台等曲面的高级计算功能，建立模型完整的面、边、点信息。对于n u r b s 曲面 和三角b e z i e r 曲面，这些曲面的高级计算功能都已很成熟，尤其是n u r b s 曲面 的高级计算功能在一般的商业c a d c a m 软件中都已具备。 4 反求工程商业软件 反求工程在理论上不但得到了学术界的广泛关注，同时还涌现出一批商业软 件，比较成熟的有e d s 公司的i m a g e w a r e ，p a r a f o r m 公司的p a r a f o r m ，d e l c a m 公司的c o p y c a d ，c i s i g r a p h 公司的s t k i m l 0 0 ，i c e m 公司的 c e ms u r f 以 及国内浙江大学的r e s o f t 等。 e d s 公司的i m a g e w a r e 软件( 原为s u r f a c e r ) 7 6 1 主要有四个方面的功能： 测量点的分析处理功能，可以接受各种不同来源的数据，如c m m 、l a s e r s e n s o r s 、 m o i r es e n s o r s 、u l t r a s o u n d 等。曲面模型构造功能，能够快速而准确地根据测 浙江大学博士学位论文 量数据构造n u r b s 曲面模型。曲面模型精度、品质分析功能。曲面修改功 能，曲线和曲面可以实时交互形状修改。 p a r a f o r m 公司的p a r a f o r m 软件【7 7 1 使用较为广泛，其主要功能有：接受 a s c i i 和i g e s 格式的测量数据，并实现快速三角划分。基于曲率的特征分析， 提取特征曲线用于数据分块。在给定精度和跨界连续性约束下的n u r b s 曲面 拟合。通过曲线网编辑和全局联动功能，实现曲面变形。 d e l c a m 公司的c o p y c a d 软件1 7 8 2 主要有如下功能：各种测量数据输入 和转换处理，以及根据给定允差构造三角面片模型。根据三角面片模型，交互 或自动提取特征曲线。利用特征衄线构成的网格构造n u r b s 曲面片，并根据 连续性要求实现曲面片之间的光滑拼接。曲面模型精度和品质分析。 c i s i g r a p h 公司的s t r i m1 0 0 软件【7 9 l 是在国内有较大影响的反求工程软 件，其曲面重构主要有以下几个过程：读取测量点，剔除噪声数据。交互定 义模型的特征曲线，建立线框模型。定义曲面片之间的连续性约束，在线框模 型上构造n u r b s 曲面片。进行曲面模型的最后校核。 i c e m 公司的i c e ms u r f 软4 牛【8 0 通过p t c 公司的a t b 协议实现与p r o e 的集 成，实现自由曲面设计与p r o e 参数化的完全联动。其反求工程的软件包包括 i c e ms u r fp r o f e s s i o n a l 、i c e ms u r fs c a n 、i c e ms u r fc l a y 模块，其功能是处 理点云数据及实现不同级别( a 、b ) 曲面的建模。i c e ms u r f 反求工程软件包 能够从点云创建曲面，并将曲面质量提升到很高的水平。软件包为设计工程师提 供强大的工具来分析和修改点云数据，在点云上创建曲线和曲面，并在接到曲面 诊断动态反馈时实时修改模型。 浙江大学根据多年的理论研究成果，在国内率先推出了专用的反求工程c a d 建模软件r e - s o f t 系统 8 1 , 8 2 。该软件系统根据矩形域曲面和三角域曲面在曲面 重构r p 优势，提出根据不同的测量数据分别采用两种思路进行反求曲面重构。一 种是基于点云，提取二次曲面、过渡曲面、旋转曲面、扫掠曲面等重要几何特征， 然后通过特征数据分离和交互定义特征曲线。建立分区的自由曲面重建网络，在 指定跨界连续性要求下通过逼近离散点云构造n u r b s 曲面。另一种是以三角 b e z i e r 曲面模型为数字样品，通过对三角b e z i e r 曲面模型进行合理的划分，分区 构造多张n u r b s 曲面，最终将三角b e z i e r 曲面转换成整体g 1 连续的n u r b s 曲面模型。r e - s o f t 还提供了强大的复杂曲面编辑功能，如：曲面小波光顿、 局部补充设计和编辑、曲面延伸、求交、裁剪、过渡以及重构曲面品质分析等。 浙江走学博士学位论文 第二节特征技术 1 几何造型技术 几何造型技术是研究几何外形的属性描述、三维几何形体的计算机表示与建 立、几何信息处理与几何数据管理以及几何图形显示的理论、方法和技术。几何 造型通常可以分为线框造型、表面造型和实体造型 8 3 , s 4 。 ( i 1 线框造型( w l r e f f a m e m o d e l i n g ) 线框模型是c a d 技术发展过程中最早应用，也是最简单的一种三维模型。 这种模型由物体上点、直线和曲线组合而成，用来描述产品的轮廓外形。它具有 数据结构简单，模型数据量小，运算速度快等特点。但是，由于它仅给出了物体 的框架结构，没有表面信息，因而具有多义性、易混淆、无法识别曲面轮廓、不 能判断零件之间是否干扰、不能计算模型的几何特性和物理性质、不能进行隐藏 线面的消除等缺点。 r 2 、表面造型( s u r f a c em o d e l i n g ) 表面模型是以物体的各个表面为单位来表示其形体特征的，它在线框模型的 基础上增加了有关面与边的拓扑信息，给出了顶点的几何信息及边与顶点、面与 边的二层拓扑信息。采用表面模型，可以定义形体的全体边界。由于没有实体的 概念，表面造型具有一定的局限性，表现为有时会引起混淆，算出的体积不一定 可靠，取决于表面定义的准确性，不易实现消隐，内部结构不易显示等局限性。 但由于其易于在微机上实现，在工程领域应用相当广泛。 ( 3 ) 实体造型( s o 砸m o d e | i n g ) 如要处理完整的三维形体，最终必须使用实体模型，方能明确无误地反映物 体的三维彤貌。实体模型记录了物体点、线、面、体的全部几何信息和拓扑信息。 最早的实体模型是使用体素拼合或边界表示的，之后人们逐步建立起用边界表示 和体素法混合生成三维实体的理论体系。 在实际的几何造型中，可以根据不同应用的要求，将实体模型转化为表面模 型，并可进一步转化为线框模型。 2 。特征造型( 8 5 - $ 9 1 以上传统的几何造型技术在表达模型的数据结构的抽象层次上，只能支持低 层次的几何、拓扑信息。随着c a d c a m c a p p 一体化技术的发展，要求几何模 型能够表示包含体现产品设计意图和功能的高层次的工程信息。因而出现了同时 面向设计过程和制造过程，包含产品工程信息的几何造型方法，称为特征造型 浙江大学博士学位论文 ( f e a t u r em o d e l i n g ) 。在特征造型中，特征作为参数化的几何体，是几何造型的 基本单元，具有一定的工程语义。 特征可以分为以下五大类： 形状特征，即描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合； 精度特征，即描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合； 材料热处理特征，即与零件材料和热处理有关的信息集合； 装配特征，即零件的相关方向、相互作用面和配合关系； 技术特征，即描述零件的性能和技术要求的信息集合； 其中形状特征是描述产品的最基本的特征，在s t e p 标准中，形状特征分为通道 ( p a s s a g e s ) 、凹陷( d e p r e s s i o n s ) 、凸起( p r o t r u s i o n s ) 、过渡( t r a n s i t i o n s ) 、域( a r e a f c a t u r e s ) 和变形( d e f o r m a t i o n s ) 等六种特征。形状特征是特征技术的研究热点， 通过改变形状特征的参数，可以方便地实现产品的变形设计。 针对特征的应用领域不同，特征造型一般有以下三种方法： 基于特征的设计 在该方法中基本特征存放于特征库中，通过确定特征的尺寸、位置参数和各 种属性而实例化，并以此为基本单元进行产品的几何造型。由于特征具有领域相 关性，故该方法一般应用于针对某一领域，甚至某一产品的几何造型中。 交互定义特征 在该方法中首先由c a d 系统创建产品的几何模型，然后由用户根据c a d 系 统的数据结构和几何模型来手工定义特征。该方法一般在c a p p 和c a m 中，作 为数据输入模块应用。 自动识别特征 在该方法中首先由c a d 系统创建产品的几何模型，然后由计算机程序自动 识别数据库中的数据来提取和发现特征。该方法广泛应用于c a p p 、c a m 和g t 巾。 特征技术的应用，一方面为设计人员提供了高层次的符合设计人员设计思维 的人一机交互语言，摆脱了传统的基于几何拓扑的低层次交互设计方法，从而使 设计人员将更多的精力用在创造性构思上；另一方面，由于特征是一个高层次的 设计概念。内部包含了大量产品设计意图，这些设计意图对于设计的维护以及后 续的分析、综台等过程有着重要的意义，对于提高c a d 系统的自动化程度以及 解决c a d 与c a p p 、c a m 在数据交换过程中存在的不连续性有很大的帮助。所 以，特征技术从2 0 世纪8 0 年代出现以来直受到国内外的高度重视，并得到快 速发展和实际应用。 浙江大学博士学位论文 第三节特征技术在反求工程中的应用 在反求工程c a d 建模中，尤其是具有复杂曲面外形的产品反求工程中，组 成产品表面的各曲面片部隐含着特征信息，即表达产品特定功能的工程信息，如 微分性质、力学特性等。如果在反求模型中掩盖了特征信息，那么即使能够达到 满意的精度和外观质量，也会对模型的变形设计、力学分析等后续的 c a d c a e c a m 处理带来很大困难。因而，反求工程的e l 的不只是对已有实物 的简单拷贝，而是要反求实物原型的设计意图，建立包含设计意图的特征模型。 在当前的些比较实用的反求工程c a d 建模软件中，仍以构造满足一定精 度和光顺性要求的c a d 模型为最终目标，而缺乏对特征的识别和运算，因而都 存在着反求建模过程复杂，建模效率低，交互操作多，反求工程所建立的模型质 量较多地依赖于建模人员的经验和技术技能，难以实现高精度产品的精确建模， 不能进一步支持产品的变形设计。因此，如何在反求工程中应用特征技术，实现 实物产品的反求特征建模，是目前反求工程c a d 的热门研究问题。 在反求工程中引入特征技术，对发展反求工程理论具有重要的意义和价值， 主要体现在以下三个方面。 ( 1 ) 可以提高反求工程建模效率，实现产品的快速反求。 传统的反求工程建模方法不能为产品反求设计提供一个明确的建模路线和 策略，很大程度上依赖于建模人员的经验和技能，不同的建模人员在重建同一个 模型时可能采取截然不同的反求策略，如不同的数据分块和曲面重构方法，因而 其效率也会大为不同。利用特征技术，则可对测量数据按不同特征区域进行分块， 从各分块数据中提取特征参数，构造特征曲面模型，并通过特征曲面之问的运算 实现产品的特征造型。在这样一个求解策略的指导下，可以对反求建模的整个过 程有一个清晰的思路，反求建模的效率自然会提高，同时也能减少对反求建模人 员的依赖。 ( 2 ) 可以提高反求工程建模精度，实现产品的精确建模。 由于测量数据中包含一定的噪声，或者曲面逼近过程中的计算误差等因素， 使得传统的反求工程建模方法很难得到实物的精确c a d 模型。在一些对精度有 较高要求的场合，模型的某一个参数的不准确导致模型的性态如应力分布、动力 学性能等发生很大的改变，这在工程中是不允许的。如本该为圆柱面的数据块， 由于噪声误差的原因而按照自由曲面来构造，即使最后得到的自由曲面可以很好 的逼近圆柱面，但曲面的性态已经完全不同。利用特征技术，则可以改变这一状 况。特征技术可以在曲面重构时，对不满意的特征参数进行修改，甚至改变特征 曲面的类型，以得到更为精确的c a d 模型。 浙江大学博士学位论文 ( 3 ) 可以提高反求模型的修改能力，实现产品的创新设计。 以现有产晶为参考原型，对反求工程所建立的模型进行修改设计得到更新的 产品模型是实现新产品开发的一条重要技术途径。然而传统的反求工程c a d 模 型只包含了低层次的几何拓扑信息，使得模型的修改设计很不方便。利用特征技 术构造的特征模型包含了高层次的、表示产品设计意图的工程信息，通过对特征 参数的修改和优化，可以得到不同的产品模型，实现产品的创新设计，加快新产 品的开发速度。 口前已有学者开始研究如何将特征技术应用于反求工程中 9 0 4 6 】，并针对一 些特殊的反求对象，实现了基于特征的反求建模。如a u l 9 1 , 9 2 1 提出了将特征技术 应用于人体模特的反求建摸中，以实现服装的个性化设计。他首先建立标准的人 体模特的特征模型，用颈部、肩部、上胸部、胸部、袖孔、背部、腰部、臀部等 8 个特征来描述人体模特，然后对人体模特的测量数据进行特征匹配，提取各个 特征的参数，晟后在特征约束下构造人体模特c a d 模型，该模型用整体g 连续 的b 样条曲面表示。g r e g o r y 9 3 】提出了将特征技术应用于由人体脸部的断层测量 数据构造脸部轮廓曲线的过程中，他从测量数据中提取眉心、鼻梁、鼻尖、上下 嘴唇、下巴等部位相互距离的特征参数，并在特征参数的约束下构造脸部轮廓曲 线。在以上两个反求实例中，作者都利用了特征技术建立参数化的特征模型，不 仅极大地提高了反求建模的效率和精度，同时也使得反求模型易于通过调整特征 参数而得到变形。 对于一般工程意义上的实物反求建模中，鲜有人对特征技术的应用进行研 究。在特征造型的研究中，人们往往是以实现c a d c a p p c a h i 集成为目的 9 7 ， 其中的特征局限于具有规则几何形状的基本体素，如凸台、槽、孔、键、螺纹等 特征。然而，在反求工程中，尤其是具有复杂曲面外形的产品反求工程中，需要 处理的是各种类型的曲面，如平面、二次曲面( 球面、圆柱面、圆锥面等) 、过 渡曲面( 等半径过渡曲面、变半径过渡曲面) 、自由曲面( 扫掠曲面、旋转曲面、 蒙皮曲面等) 。同时，在特征造型中，特征是通过基于特征的设计、交互定义特 征和自动识别特征三种途径获取的，其中后两种方