逆向工程中基于点云截面曲线特征的曲面模型重建与修改

论文摘要

作为先进制造技术的一个重要组成部分,逆向工程已从最初的原型复制技术逐步发展成为支持产品创新设计和新产品开发的重要技术手段。逆向工程被广泛地应用于汽车、飞机、家用电器、模具制造等领域,并产生了很多相应的设备和软件。但是要想全面、系统的解决复杂实物零件的逆向工程CAD建模,仍存在许多需要解决的问题。在面向特征造型的逆向工程技术背景下,本文以产品设计意图与实际测量点云理解为着眼点,以重建支持产品创新的曲面模型为目标,围绕逆向工程CAD建模中的点云数据预处理,截而曲线拟合及优化,曲面重建和修改等关键技术展开研究。具体包括以下几个方面的内容：(1)对点云数据预处理时,采用弦高差法去除点云数据的噪音点；角度—弦高法对点云数据进行精简；平均值滤波算法对点云数据进行光顺。(2)基于截面点云数据离散曲率的计算实现了点云数据的分段。对截面点云数抓进行曲线拟合时,采用最小二乘算法对分段点云数据进行直线、圆弧和B样条曲线拟合,并提出了基于曲线拟合平均误差的曲线特征识别技术。(3)在截面分段曲线特征识别和曲线拟合的基础上,通过对分段曲线的约束识别和分析,建立截面曲线整体约束优化模型。求解模型,得到截面组合曲线。(4)拟合多条截面点云数据,得到截面组合曲线组。基于曲面连续性,建立截面组合曲线特征点间的关系,采用蒙皮法生成曲而。对重构后的曲面,进行了曲面等距偏移和曲面局部修改方面的研究。

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Abstract

第1章绪论

1.1 本课题研究背景

1.1.1 逆向工程技术

1.1.2 逆向工程技术的应用

1.2 与本课题相关技术的国内外发展概况

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 逆向工程点云曲面重建的几项关键技术

1.4 本课题研究内容、特色及创新之处

1.4.1 课题研究内容

1.4.2 特色及创新之处

第2章点云预处理

2.1 点云数据分类

2.2 数据预处理

2.2.1 点云去噪算法

2.2.2 点云数据精简

2.2.3 数据光顺处理

2.2.4 预处理实例

2.3 点云切片

第3章点云截面曲线的分段拟合

3.1 曲线最小二乘拟合的数学理论基础

3.2 点云截面数据离散曲率计算及分段

3.2.1 离散曲率计算

3.2.2 基于特征点的截面数据分段

3.2.3 截面点云数据分段实例

3.3 直线最小二乘拟合

3.3.1 直线最小二次拟合算法

3.3.2 直线端点求解

3.3.3 误差分析及直线可能性判断

3.3.4 直线拟合实例

3.4 圆弧拟合

3.4.1 圆弧最小二乘拟合算法

3.4.2 圆弧端点及圆心坐标计算

3.4.3 误差分析及圆弧可能性判断

3.4.4 圆弧拟合实例

3.5 B样条曲线拟合

3.5.1 B样条曲线数学表达及性质

3.5.2 三次B样条曲线最小二乘拟合

3.5.3 B样条拟合实例

3.6 曲线特征识别准则

第4章截面曲线的整体约束优化

4.1 曲线单元间的几何约束表达

4.1.1 直线与直线间的约束表达

4.1.2 圆弧与圆弧间的约束表达

4.1.3 直线与圆弧间的约束表达

4.1.4 直线与B样条曲线之间的约束表达

4.1.5 圆弧与B样条曲线之间的约束表达

4.2 曲线单元间的约束误差分析

4.2.1 直线与直线间的约束误差分析

4.2.2 圆弧与圆弧间的约束误差分析

4.2.3 直线与圆弧间的约束误差分析

4.2.4 直线与B样条曲线间的约束误差分析

4.2.5 圆弧与B样条曲线间的约束误差分析

4.3 全局优化算法

4.3.1 数学模型的建立

4.3.2 整体约束优化误差分析

4.4 截面曲线整体约束优化实例分析

4.4.1 直线间的整体约束优化实例

4.4.2 直线与圆弧间的整体约束优化实例

第5章基于截面曲线的曲面重构

5.1 曲面重构方法分类

5.2 基于截面曲线特征的曲面重建的理论基础

5.3 基于截面特征的曲面重构实例

第6章基于UG二次开发的曲面修改

6.1 UG及其二次开发环境简介

6.1.1 UG/OPEN API

6.1.2 其他模块简介

6.2 应用程序的开发

6.2.1 用户菜单开发

6.2.2 用户对话框开发

6.2.3 VC编程

6.3 用户应用程序的功能及使用

6.4 曲面模型修改

6.4.1 曲面的等距偏移

6.4.2 曲面的局部改形

6.5 曲面修改实例

6.5.1 曲面等距偏移实例

6.5.2 曲面局部变形实例

第7章结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

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