新基于STL模型的逆向工程实体建模技术

1、优选文档优选文档PAGEPAGE12优选文档PAGE基于STL模型的逆向工程实体建模技术内容大纲:大纲：针对以STL数据表示的零件模型，在解析构造件模型几何特点的基础上，提出了一种以几何体素分别与拓扑关系重建为基础的STL模型逆向工程实体建模技术。经过对三角面片的合并实现平面、柱面、锥面等基本几何体素的分别，并利用Parasolid系统完成体素重构，进一步提取几何体素之间的布尔关系，从而实现含拓扑关系的产品模型重构。利用这一方法，可以实现RE/RP系统与通用CAD系统之间的快速集成，实现产品数据在不同样系统之间顺畅传达。模型重建1逆向工程CAD技术与STL模型逆向工程CAD技术一般以数字化测量

2、设备的输出数据为原始信息本源1。大纲：针对以STL数据表示的零件模型，在解析构造件模型几何特点的基础上，提出了一种以几何体素分别与拓扑关系重建为基础的STL模型逆向工程实体建模技术。经过对三角面片的合并实现平面、柱面、锥面等基本几何体素的分别，并利用Parasolid系统完成体素重构，进一步提取几何体素之间的布尔关系，从而实现含拓扑关系的产品模型重构。利用这一方法，能够实现RE/RP系统与通用CAD系统之间的快速集成，实现产品数据在不同样系统之间顺畅传达。重点词：STL；逆向工程；实体建模；模型重建逆向工程CAD技术与STL模型逆向工程CAD技术一般以数字化测量设备的输出数据为原始信息本源1。

3、由于测量方式的不同样，数字化测量设备能够分为接触式和非接触式。随着测量技术的发展，不论何种测量方式，产生的测量数据都是特别多的，特别是非接触式的激光测量，能够产生几十万甚至上百万测量点的测量数据。我们将这种数据称为“点云”数据。一般来说，数字化测量设备都带有数据办理软件。这个软件的主要功能是对测量设备输出的数据进行初步办理，如去除显然噪声点、多块数据拼合、数据格式变换等。一般的测量设备除了依照自定义格式输出数据外，都供应IGES格式的数据输出。随着软件功能的加强，当前很多测量设备能够在输出测量数据的同时输出三角网格数据(即经过三角化今后的数据)也许STL格式数据。但是这些STL格式数据一般没有

4、经过测试(如不保证封闭性，可能存在裂隙等)，不能够直接用于逆向工程建模或RP制造。由测量设备输出的STL数据必定经过维修、纠错办理，才能用来进行逆向工程CAD建模。因此，逆向工程中重要的一个环节就是数据的预办理。本文研究重点是几何模型重建，因此我们使用的数据都是经过预办理今后的有效数据，而非来自测量设备的原始数据。基于STL模型的逆向工程实体建模STL模型是以三角形会集来表示物体外轮廓形状的几何模型2。在实质应用中对STL模型数据是有要求的，特别是在STL模型广泛应用的RP领域，对STL模型数据均需要经过检验才能使用。这种检验主要包括两方面的内容：STL模型数据的有效性和STL模型封闭性检查。

5、有效性检查包括检查模型可否存在裂隙、孤立边等几何弊端；封闭性检查则要求所有STL三角形围成一个内外封闭的几何体3。本文中谈论的STL模型重建技术中的STL模型，均假定已经进行有效性和封闭性测试，是正确有效的STL模型。由于STL模型不过记录了物体表面的几何地址信息，没有任何表达几何体之间关系的拓扑信息，因此在重建实体模型中依靠地址信息重建拓扑信息是十分重点的步骤。另一方面，实质应用中的产品零件(构造件)绝大多数是由规则几何形体(如多面体、圆柱、过渡圆弧)经过拓扑运算获取，因此对于构造件模型的重构来讲拓扑关系重建显得特别重要。实质上，当前CAD/CAM系统中常用的B-rep模型即是基于这种界线表

6、示的基本几何体素布尔运算表达的。因此STL模型重建的过程以下：第一重建STL模型的三角形拓扑关系；其次从整体模型中分解出基本几何体素；重建规则几何体素；尔后建立这些几何体素之间的拓扑关系；最后重建整个模型。2.1三角形拓扑关系重建STL模型中不过包括产品的几何地址信息，而且STL数据中包括大量的重复数据。STL中的三角形极点是重复记录的，其重复度为N(N为以该点为极点的三角形数量)。为了在后续步骤中提高运算效率，有必要第一去除冗余数据，提高储藏和运算效率4，同时建立STL模型三角形拓扑关系，即建立三角形的边信息结构，记录每条边的左右三角形。考虑到排序运算效率，我们采用双向链表的方式记录每一条边

7、的左右三角形信息。三角形拓扑关系的建立不仅精简了STL模型数据，而且是后序几何体素分其余基础。2.2STL模型几何体素分别由于STL模型是由三角形会集组成的，因此直接利用三角形数据无法将不同样的几何体素互相分别。若是将描述模型平面部分的三角形合并，尔后提取出平面的界线，利用界线就可以将不同样的几何体素区分开来。平面是最简单的几何元素。依照平面特点，我们能够获取平面界线提取准则：若是拥有相邻边的两三角形法矢平行，则这两个三角形组成一个平面。以其余推，所有与该平面拥有相邻边且法矢平行的三角形都属于该平面。平面鉴识过程是一个递归循环：设任一三角形为“种子”三角形，其法矢为N0。Ni为与“种子”三角形

8、有相邻边的三角形的法矢，计算N0、Ni的夹角=arccos(N0.Ni/|N0|Ni)。若(为三角形合并阈值)，则三角形i能够与“种子”三角形合并。发生三角形合并后，原来的“种子”三角形界线扩大为多边形界线，“种子”三角形成为“种子”多边形。以新获取的“种子”多边形界线为依照，搜寻相邻三角形，再重复以上合并步骤，使“种子”多边形不断长大，最后当所有相邻三角形均无法与“种子”多边形合并时，递归停止。这时获取的是由多条界线组成的平面多边形。此时我们发现，即即是简单矩形，仍旧是由很多短边组成的多边形，这显然不适合特点造型的要求。为此还需要进行边直化。边直化就是将共线的短边合并成为一条直线边。完成边直

9、化今后就获取了正确的平面多边形，其法矢就是初始三角形的法矢。对完成平面界线提取的模型基础，从界线边链表中的任意一条边开始，总能够找到与它地址相连的组成一个封闭几何体的所有边。这时，剩下的边就成为另一个与当前几何体无几何地址联系的独立几何体。当界线边链表中所有的边都遍历分别今后，即可获取所有组成零件的独立几何体的各自的边会集。依照该方法，近似阶梯孔之类的特点将会被分解为n个(n为阶梯的层次数)独立的几何体。体素分其余过程见图1。图1a是STL模型，图1b是提取平面界线后的模型。我们能够看到，原来STL模型上所有的平面都被提取出来了，而诸如圆角、圆柱面、圆锥面等二次曲面部分则还保留着三角形描述。图

10、1c是体素分别今后的STL模型(成为4个独立的几何体素)。对于这些独立体素，我们需要将其中规则几何体重新利用参数化方法重构，这样才能使最后重建模型成为一个参数化的、有必然拓扑关系的实体模型。图1几何体素的分别2.3规则几何体素重构由于大多数构造件模型能够分解为平面和各种二次曲面(圆柱面、球面、锥面等)的组合，因此将这些规则几何体利用参数化方法重构今后，就可以获取拥有参数信息的构造件模型。对于由平面围成的体素，能够直接将所有平面拼合在一起组成实体体素。对于包括圆柱面、圆锥面等非平面的体素，依照这些几何体的特点以及STL模型能够供应的信息，我们对几类常有几何体的判断给出了准则。经过实质建模证明，这

11、些准则能够较正确地重建这些几何体。圆柱(外圆柱面、内孔面)体素重建由于STL模型是用失散的数据表示连续曲面，因此STL模型中的圆(柱)实际上是一个多边形(体)。对于圆柱面的判断，我们依照其几何特点提出以下准则：条件1设组成圆柱的三角形会集为，则内所有拥有相邻边、法矢共面且平行的三角形组成圆柱的两个端平面，见图2a。条件2内所有拥有相邻边、法矢共面但不平行的三角形组成圆柱面，见图2b。设圆柱侧面三角形的法矢为Ni(i=0，1，,，m，m为三角形数量)，Ci为三个法矢的混杂积：Cj=(NiNi+1).Ni+2，i=0，1，,，m-2若Ci=0，则所有三角形法矢共面。同时，由于任意两法矢均不平行，故

12、这些三角形组成圆柱面。以上准则可同样合用于等半径过渡圆柱面的判断。圆柱体素几何参数提取方法以下：在确定了组成圆柱面的三角形后，就可以依照这些三角形确定圆柱面的直径、高度、几何地址等参数。第一，合并这些三角形的公共边，获取两个由三角形界线边组成的多边形(即圆柱上下端面的圆)。尔后依照多边形极点数据，计算出两个多边形的几何重心(圆柱地址参数)、外接圆直径(即圆柱直径)以及由两个几何重心确定的圆柱方向、高度。(2)圆台、圆锥体素重建近似圆柱面的鉴识，圆台、圆锥面的鉴识准则同样以三角形法矢之间的关系为依照。条件1设组成圆台(锥)的三角形会集为，则内所有拥有相邻边、法矢共面且平行的三角形组成圆台(锥)面

13、的端平面。条件2内所有拥有相邻边、法矢不共面的三角形组成圆台(锥)面。圆台(锥)体素几何参数提取方法以下：第一，合并组成圆台(锥)面的三角形的公共边，获取由界线边组成的多边形。若是获取两个多边形，则该体素为圆台，若只有一个多边形(另一个多边形退化为一点)，则该体素为圆锥。依照获取的界线多边形，能够计算出其重心、直径。对于圆台，获取上下圆面直径、方向、几何地址、高度；对于圆锥，获取底面直径、方向、几何地址，由于圆锥只有一个界线多边形，因此需要借助侧面三角形计算圆锥体的高度。(3)其余二次曲面体素重建在完成平面、圆柱面、圆台、圆锥面的提取后，利用剩下的还没有识其余三角形数据构造逼近曲面，并经过逼近

14、曲面鉴识出这些三角形可否为球面、抛物面等二次曲面，并提取二次曲面相关参数。相关经过逼近曲面鉴识球面、抛物面、旋转面等的算法很多5，6。依照计算出的曲面种类和参数，利用现有几何造型软件(如ParaSolid)可直接构造出几何体。2.4基本拓扑构造重建不过依靠独立的几何体素是无法正确重建模型的，只有清楚体素之间的拓扑关系，并据此完成拓扑运算后才能获取正确的零件模型。拓扑关系的运算包括布尔“和”、布尔“减”、布尔“差”3种。由于STL模型表达模型的外轮廓面信息，因此在STL模型中布尔“差”是不会出现的。因此只要解析出两两几何体之间的“和”、“减”关系就可以完成模型重建。对A、B两个独立的几何体素，需

15、要互相进行包括性测试。包括性测试能够判断出体素的极点与另一体素的关系：极点在体素内、极点在体素外、极点在体素上。依照极点与体素的关系能够获取两个体素的互相地址关系，进一步获取它们的拓扑关系。通过解析我们确定了两体素之间的6种地址关系，见图3。分别将这6种地址关系对应到拓扑关系中，就可以确定两个体素之间的布尔运算种类。2.5零件模型重建在确定所有组成零件的几何体素两两之间拓扑关系今后，需要进行布尔运算获取最后的模型。此时需注意的是，不同样的布尔运算次序会产生不同样的结果。图4是利用同样体素经过不同样布尔运算次序产生的零件。能够看到，不同样的次序产生了两个完好不同样的新零件。如何能获取需要的正确结果，可经过对STL模型的解析，正确的方法是先对所有的体素进行布尔“和”运算，尔后在“和”运算的基础进步行布尔“减”运算，这样才能保证运算结果的正确性、有效性。实例图5和图6是两个构造件模型STL数据的重建结果。STL模型数据由测量数据经过简化获取，利用以ParaSolidV14.0为内核开发的CAD造型软件进行几何模型重建。由于ParaSolid所保存的xt/xb文件拥有很好的通用性(如UG、SolidWorks等CAD软件均能够直接读入)，因此