逆向工程中基于特征约束模型重建理论与方法研究

论文摘要

逆向工程是实现产品再创新开发及快速制造的重要技术之一，在汽车、摩托车、飞机、家电、模具等行业的改型设计与创新具有广阔的应用前景。作为逆向工程中的关键技术——模型重建的理论方法一直是逆向工程的研究热点。本文围绕逆向工程中基于特征约束的模型重建理论与方法展开相关的研究和实践。基于特征约束建模的思想就是从测量数据中提取出特征参数，并推断出特征之间的约束关系，从而实现设计意图的重现，进行再设计，实现产品的创新。本文提出基于特征约束的模型重建框架结构，重点研究了基于测量点集的区域分割，截面轮廓特征信息的获取，二次曲面特征识别和重构，并提出有参自由曲面重建的思想和重建策略。在截面轮廓特征单元和二次曲面轮廓特征单元识别过程中，研究和总结了这些特征单元之间的约束关系自动识别和推理规则，并用识别的约束对截面轮廓特征单元和二次曲面单元进行约束优化拟合，本文提出用同伦法来求解约束优化拟合过程。测量点集预处理是后续特征约束建模的基础，因此，这里进行了测量数据前处理的相关研究。为了能准确、快速实现点云的区域分割，提出基于计算局部曲率信息进行数据区域分割的方法；为了满足后续有参自由曲面模型重建所需要的截面轮廓信息，采用截面切片的方法来获取要截面轮廓信息，在进行切片处理时，提出一种类似于移动最小二乘的细化算法。整个细化算法不对测量数据进行局部坐标变换，迭代步长由点云束密度控制迭代步长，最后得到的近似轮廓点集。对细化后的点集进行排序，冗余数据的删除以及特征点的提取处理，为后续的截面轮廓特征单元的识别和重构奠定基础。截面轮廓的生成是实现后续有参自由曲面特征重建的关键，同时对后续模型重建中曲面边界的确定也起着重要的作用，本文主要研究了根据平面轮廓数据点提出了一种新的基于约束的草图轮廓重建思路。首先分步法实现了以最少的轮廓特征单元拟合二维轮廓特征，然后根据拟合特征单元的信息，对轮廓特征之间的约束进行了识别，并建立了基于约束的二维轮廓特征优化拟合模型，最后由同伦法实现了二维轮廓特征的约束优化拟合技术。提出了基于约束识别的规则二次曲面特征拟合的方法和基于神经网络直接由测量数据实体特征直接提取的技术。在进行约束优化拟合二次曲面之前，采用最小二乘法获取了平面和球面的初始特征参数，用“代数法”确定柱面和锥面的初始参数；根据二次曲面初步参数，识别二次曲面间的约束，建立基于约束的二次曲面拟合模型，首次提出用“同伦法”来求解基于约束的二次曲面特征的优化拟合问题。针对一些机械零件中比较常用的功能零部件，如凸台，槽等标准特征，则采用神经网络方法直接由测量数据中将其识别构成实体特征。自由曲面是工业产品，尤其是飞机、汽车、摩托车等行业产品外形的重要特征。本文提出有参自由曲面特征的重建策略，即将截面轮廓和一些方向矢量表达作为自由曲的参数，选取适当的曲面重构方式，实现自由曲面的重建工作。本文研究了放样、扫掠、旋转、网格和融合等典型曲面的重构方式以及构建过程中所需要的参数，实现了自由曲面的参数化重构。为了解决曲面精度评价问题，提出一种基于切平面法快速求解点到自由曲面的算法。应用上述理论研究成果，在教育部博士点基金项目“基于特征约束的模型重建方法理论研究”(项目编号：2002033062)的支持下，研制开发了基于特征约束的模型重建系统的原型系统，为特征约束重建理论方法在实际应用提供理论支持和实践参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 逆向工程定义
• 1.3 逆向工程的应用
• 1.4 逆向工程建模关键技术及研究现状
• 1.4.1 产品实物数字化技术
• 1.4.2 逆向工程数据预处理技术
• 1.4.3 逆向工程建模技术
• 1.5 本学位论文的选题背景，研究内容及结构安排
• 1.5.1 选题背景及主要研究内容
• 1.5.2 论文结构和安排
• 第二章 基于特征约束模型重建理论方法
• 2.1 引言
• 2.2 逆向工程中特征的概念、分类
• 2.3 逆向工程中约束
• 2.3.1 逆向工程约束的定义和属性
• 2.3.2 逆向工程约束表达与识别方法
• 2.4 逆向工程中基于约束的特征拟合及求解
• 2.4.1 约束优化模型建立及求解综述
• 2.4.2 同伦法求解约束优化拟合
• 2.5 基于特征约束模型重建体系
• 2.6 小结
• 第三章 基于特征的数据预处理技术
• 3.1 引言
• 3.2 基于特征的数据测量
• 3.2.1 特征测量的分类
• 3.2.2 特征测量的实施
• 3.3 基于曲率信息的特征区域分割技术
• 3.3.1 点云数据三维剖分及数据稀化处理
• 3.3.2 局部网格点集微分信息的计算
• 3.3.3 边界点识别完成点云区域分割
• 3.3.4 算法应用实例
• 3.4 基于切片方法轮廓简化数据的获取
• 3.4.1 测量数据的切片处理
• 3.4.2 切片数据细化处理
• 3.4.3 截面测量数据的排序处理
• 3.4.4 截面测量数据的简化处理和特征点的提取
• 3.5 小结
• 第四章 基于约束的截面轮廓特征重构
• 4.1 引言
• 4.2 分步法进行二维轮廓特征粗略提取
• 4.2.1 二维特征表达
• 4.2.2 平均增量法数据点的分段处理
• 4.2.3 分段数据点的直线拟合
• 4.2.4 相邻直线段圆弧拟合
• 4.2.5 邻接圆弧段的B样条曲线重构
• 4.3 截面轮廓特征的约束识别与约束模型重建
• 4.3.1 轮廓特征单元间的约束关系
• 4.3.2 由计算方法识别二维轮廓特征单元的约束
• 4.4 基于约束的轮廓特征优化拟合
• 4.4.1 轮廓特征间的约束优化拟合模型的建立
• 4.4.2 廓特征重建应用实例
• 4.5 小结
• 第五章 规则二次曲面特征及实体特征的提取技术
• 5.1 引言
• 5.2 初始二次曲面特征参数获取技术
• 5.2.1 由最小二乘法拟合平面和球面
• 5.2.2 采用通用表达式的最小二乘求取柱面和锥面参数
• 5.3 二次曲面特征间的约束识别及约束后处理
• 5.3.1 二次曲面间的常见约束及表达
• 5.3.2 常见二次曲面的约束模型的识别和建立
• 5.3.3 约束识别后处理
• 5.4 基于约束的优化拟合模型的建立和求解
• 5.4.1 基于“忠实距离”表达的约束优化拟合优化模型的建立
• 5.4.2 应用实例
• 5.5 由神经网络方法直接由点云提取实体特征
• 5.5.1 特征信息库的构建
• 5.5.2 神经网络结构设计及样本训练
• 5.5.3 应用实例
• 5.6 小结
• 第六章 有参自由曲面重建研究
• 6.1 引言
• 6.2 典型有参自由曲面重建方法
• 6.2.1 放样法重构曲面
• 6.2.2 旋转曲面重构
• 6.2.3 扫掠曲面重建
• 6.2.4 uv混成网格曲面重建
• 6.2.5 融合曲面重构
• 6.3 有参自由曲面形成规则初步判定与曲面精度评价
• 6.3.1 切平面法原理
• 6.3.2 迭代过程推导
• 6.3.3 迭代步长的确定
• 6.3.4 点到曲面距离具体计算
• 6.4 有参自由曲面模型重建应用实例
• 6.5 小结
• 第七章 基于特征约束的模型重建原型系统
• 7.1 引言
• 7.2 ACIS开发接口和模型表达
• 7.3 基于特征约束模型重建系统架构
• 7.3.1 基于特征的数据处理系统
• 7.3.2 基于截面轮廓和区域特征数据模型重建系统
• 7.4 小结
• 第八章 小结与展望
• 8.1 论文总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间完成的与论文相关的文章
• 作者攻读博士学位期间参加完成的课题
• 致谢