支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重建模型表達(dá)與建模方法探討(編輯修改稿)
2025-07-27 22:18 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 關(guān)系是必需的。約束關(guān)系建立或確定的難點(diǎn)在于模型數(shù)字化后，測量數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎不包含幾何特征的約束關(guān)系，應(yīng)通過原形分析來判斷推理，但這樣獲得約束關(guān)系不可避免地帶有不完整性和不確定性。對模型重建我們僅需考慮與造型相關(guān)的形狀幾何特征，而且主要是構(gòu)成模型的低層幾何體素及其構(gòu)造特征，如點(diǎn)、線、面等。為方便后續(xù)的特征識別，根據(jù)幾何特征的特點(diǎn)和識別方法的不同，我們將幾何特征分成規(guī)則幾何特征和造型特征，兩類特征的組成見表2。表1 規(guī)則幾何特征regular 點(diǎn)線面測量點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))頂點(diǎn)圓心點(diǎn)拋物面的焦點(diǎn)等輪廓線表面棱線中心線等平面(基準(zhǔn)面)二次曲面表2 造型特征拉伸曲面旋轉(zhuǎn)曲面掃略曲面混合曲面放樣曲面四邊曲面等截面掃略變截面掃略等截面放樣變截面放樣 造型特征實(shí)際上是自由曲面特征，在幾何造型時(shí)，組成零件外形的復(fù)雜曲面都是基于上述造型手段由曲面片組合而成，在模型重建時(shí)，如果能識別原形的造型方法，就為曲面還原提供了幾何基礎(chǔ)。2. 特征模型零件幾何外形幾何層特征層零件實(shí)物層特征間約束關(guān)系零件外形與組成特征的關(guān)系特征與組成曲面片的關(guān)系曲面片幾何特征圖3 特征模型分層定義根據(jù)零件外形組成、特征表達(dá)及特征間的約束關(guān)系，零件的特征模型被定義為一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，見圖3。第一層是零件幾何外形層，包含零件實(shí)體和特征的幾何尺寸參數(shù)；第二層是幾何特征層，包含特征構(gòu)造圖和特征間的約束關(guān)系；第三層是幾何信息層，包含構(gòu)成特征的參數(shù)曲面片或Bezier、NURBS曲面片。（1）規(guī)則幾何特征的識別規(guī)則幾何特征是構(gòu)成零件外形的基本幾何特征，對機(jī)械零件產(chǎn)品，在外形測量時(shí)即可由坐標(biāo)測量機(jī)完成部分特征的識別和測量，如平面、直線、圓（弧）等。但對于一些具有復(fù)雜外形的產(chǎn)品覆蓋件，一方面組成特征不明顯，另外，由于曲面形狀變化，使孔槽特征的輪廓線沒有位于一個(gè)平面內(nèi)，更由于制造誤差使輪廓外形產(chǎn)生變形，特征識別就變得重要。針對規(guī)則特征的特征匹配識別方法的步驟包括：Step1:建立匹配特征庫；Step2: 初步判定特征類型；Step3: 確定匹配定位點(diǎn)；Step4: 進(jìn)行特征匹配；Step5: 完成特征識別，提取已識別特征的幾何參數(shù)，實(shí)施特征參數(shù)化。特征類型的初步確定主要通過數(shù)據(jù)幾何特征由人工判定。特征的匹配定位點(diǎn)根據(jù)特征的不同，其定位方式主要分為點(diǎn)定位和點(diǎn)軸定位。點(diǎn)定位主要用于圓、圓弧及球體的定位，可以通過計(jì)算測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的重心得到；點(diǎn)軸定位主要用于橢圓、拋物線（面）等二次曲線、面的定位，軸主要是特征的對稱軸，對稱軸的建立可由邊界輪廓的相互鏡像求出。特征匹配過程需要處理待識別的特征輪廓線不處于一個(gè)平面內(nèi)時(shí)，如曲面表面的孔槽、斜孔和由于測量誤差使掃描截面線成為一空間曲線的情況，在匹配之前應(yīng)將其對應(yīng)的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)投影在一個(gè)平面內(nèi)。孔槽、斜孔的投影平面即為其草繪平面，可先重建軸線，再構(gòu)建投影平面；掃描截面線的投影平面的建立較容易，即為測量時(shí)固定的坐標(biāo)軸平面。特征識別主要由選擇的特征判據(jù)確定，特征技術(shù)中特征匹配識別采取的判據(jù)是特征線的重合率[16]，方法是先從特征庫中選取不同尺寸的一匹配特征，然后減小它們之間的距離，這樣可以得到一最小距離內(nèi)的最大數(shù)據(jù)包容量，最終特征可取二者的平均得到。這種方法不必進(jìn)行曲線（面）擬合計(jì)算，在匹配識別的同時(shí)即可完成特征的重建，可有效用于大部分規(guī)則特征的識別，如直線、平面、圓（球）、橢圓、拋物線面等。圖4給出幾種特征的匹配關(guān)系圖。定位點(diǎn)定位軸 （a） （b） （c）圖4匹配特征及定位示意圖( ) （2）造型特征識別在本文中，我們將自由曲面特征定義為造型特征，因?yàn)閷^大多數(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品來說，組成其外形的曲面都是由設(shè)計(jì)人員選擇一定的造型方式，形成一簡單的特征子曲面，再由簡單子曲面組成高層次的復(fù)合特征曲面。因此我們可以采取和原曲面相同的構(gòu)造方法來還原曲面。主要的曲面造型方法包括：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略、融合和放樣等，對上述造型方法，其已知或要求的造型條件（信息）見表3。但曲面造型完成后，上述條件信息部分或全部隱含在曲面中，人工交互識別也只能測量出一近似的造型信息，這點(diǎn)和規(guī)則特征有所不同，如對于一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面，由于其旋轉(zhuǎn)軸不能準(zhǔn)確建立，截面掃描測量得到的截面點(diǎn)以及生成的截面曲線只是原設(shè)計(jì)截面的一近似截面，用這個(gè)截面旋轉(zhuǎn)得到的模型也是一近似模型，模型不能準(zhǔn)確構(gòu)建。為解決上述造型特征問題，我們提出一種曲面特征識別方法，其原理步驟為：Step1:人工標(biāo)識測量路徑和采樣點(diǎn)，作為初始造型信息和模型匹配檢驗(yàn)參考點(diǎn)；Step2:截面擬合，產(chǎn)生一光滑參數(shù)或樣條曲線，數(shù)據(jù)計(jì)算，得到旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)軸；Step3:根據(jù)原形曲面外觀特征，選擇一匹配造型特征（造型方法）；Step4:特征曲面造型；Step5:曲面匹配評價(jià)，通過計(jì)算曲面到參考點(diǎn)的距離；Step6:如精度超出要求，將特征曲面對參考點(diǎn)作擬合；Step7:得到一精度要求下的逼近曲面，再選擇此逼近曲面的網(wǎng)格截面線和基準(zhǔn)線（旋轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)引線）作為下一次特征曲面造型的特征信息，進(jìn)行特征曲面造型；Step8:重復(fù)（5）（8）步驟，直到得到一最佳逼近曲面；Step9:組成曲面的特征曲線參數(shù)化。其流程圖見圖5。截面數(shù)據(jù)擬合選擇匹配特征（造型方式）曲面造型以擬合曲面網(wǎng)格為新的造型截面線對參考點(diǎn)擬合重新選擇匹配特征曲面匹配評價(jià)特征抽取特征參數(shù)化這樣我們即通過造型方法，獲得了測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的一個(gè)最佳匹配自由曲面特征，即滿足曲面的精度要求，也提供了一參數(shù)化的曲面特征，為曲面修改提供了幾何基礎(chǔ)。表3 曲面造型信息曲面類型拉伸曲面旋轉(zhuǎn)曲面掃略曲面混合曲面放樣曲面四邊曲面已知信息初始截面線初始截面線旋轉(zhuǎn)軸初始截面線（中間截面線）導(dǎo)引線初始截面線中間截面線導(dǎo)引線初始截面線中間截面線二邊輪廓四邊輪廓 需注意的是，在選擇初始匹配特征時(shí)，如果曲面造型的引導(dǎo)線能測量或識別確定，可選Sweep或Blend方法，否則選Loft方法；圖6
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