基于逆向工程的自由曲面模型重建技术分析

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STUDYoNTHEAUToML订ICSURFACERECoNSTRUCTIoNTECHNIQUEBASEDoNREVERSEENGINEERINGABSTRACTReverseengineering，atechniquetoreconstructtheCADmodelfromthethree—dimensionaldataofallobject，hasbeenwidelyusedinindustry．Owingtothecomplexityandvariabilityoftheshapeofindustrialproducts，theCADmodelreconstructedgenerallyvariesintermsoftheexperienceandskillsoftheoperators．Thisstudyfocusesontheinvestigationofsurfacecontinuityinreverseengineering．Theissuesrelatedtothetheory,techniqueandapplicationofsurfacecontinuityinreverseengineeringareinvestigated，andthekeytechniquesofprocessingtriangularmeshes，curvesandsurfacesforsuccessfulsurfacereconstructionaredeveloped．Theproductsaretypicallyclassifiedintothefollowingthreetypesinaccordancewiththeirshape：simpleshape，complicatedshapeandcontinuousshape．Inordertoresearchthesophisticatedcurvedsurfaceconveniently,Ichoosethemouseandweldingdiefortheshadowmasktoperformthereverseengineering，andhopegeeinganewmethodtocompletethereverseengineeringofthesophisticatedcurvedsurface．Differentsurfacereconstructionmethodsfortheabovethreetypesofshapesaredevelopedtoenhancethequalityofthesurfacemodelandtopromotetheefficiencyofthesurfacereconstructionprocess．Moreover，severalexamplesarepresentedtoillustratethefeasibilityoftheproposedmethods．Inaddition，anautomaticsurfacereconstructionprocessispresentedtorebuildamodelofB—splinesurfacesfromahugenumberoftriangularmeshes，whichCanchangetraditionalreverseengineeringprocesstremendouslyastheentireprocessisalmostdoneautomatically，Thereverse—engineeringistheprocessofobtainingspotsdatafromaphysicalobjectandconstructingaCADmodel．ByaCoordinateMeasuringMachine，thesurfaceinformationofamodelCanbeswiftlytransformedinto3Dcardinalpointmaterials．Later,AnotherwaytopointinsideofthegraphicsinImageware12straightened，scannerpointcloudwillmovethecenterpositioncoordinatesofthe origin．Analysisofpointclouddatasymmetry,onthepointclouddataaresegmentedtothecuttingpointcloud．Thencutline，respectively,Ydirection，partingline，straightenedordertosavethegraphic．FormatIGESformat，willhandleagoodscannerlinetransferredProe4．0software，refertotheestimatedpartinglinescannerlinetobuildthemodel．Finally,surfacequalityinspectionanderroranalysis．Engineerwillconstructphysical(Entity)CADmodelbythereverse—engineering．Intheprocessofdesigningvaryproducts，engineereasilyencountersobscuritiesofcurvedsurfacedesign，speciallydesignswithafreeformsurface．Thewholeresearchisappliedtothereverseengineeringbecausetheideaofreverseengineeringbestfitstheproductswhicharedesignedwithfreeformsurface．ThereverseengineeringCaneffectivelyfacilitatedesigningproductswhichhavecomplicatedfreeformsurface．Itanalyzestheoriginalspot-difference—errorandCADmodelingsurfaceanalysiswiththeprofessionalreverseengineeringsoftware。KEYWORDS：ReverseEngineering，Freeformsurface，Spot-difference—error，Imageware12ⅡI r 目录摘要要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．II1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一11．1前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2逆向工程的流程与技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．3逆向工程常见的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．4研究目的与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．4．1简易造型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。31．4．2复杂造型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．4．3连续造型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42逆向工程测量技术原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。52．1数字化方法与技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．2三坐标测量机测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52．3点数据处理及区域分割⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．4点资料过滤重整、平滑化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一72．5建立CAD模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一92．6，J、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．103曲线曲面构建之数学式及曲线曲面构建模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯113．1Bezier曲线／曲面之数学式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。113．1．1Bezier曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯113．1．2Bezier曲面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯123．2B样条曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．133．3NURBS曲线／曲面的数学式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143．4曲面建构模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。153．5曲线及曲面质量检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．5．1曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．5．2曲面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．6d、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．204逆向工程简易造型实例说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214．1曲面重构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214．2锅手柄模型重建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一214．2．1在Imagewarel2中对图形进行摆正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22 4．2．2砍线以及估算出图形的分模线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．2．3处理好的抄数线调入Proe4．0软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284．2．4曲面检测误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304．3高尔夫球头模型重建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯324．3．1点数据合并及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．3．2点数据区域分割⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯344．3．3高尔夫球头模型的CAD⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯354．3．4曲面检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．4爿、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．415逆向工程复杂及连续造型实例说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435．1游戏手柄的CAD⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一435．1．1多面模型处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．435．1．2创建基础轮廓⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯445．1．3创建局部特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。545．1．4创建摇杆和按钮部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．595．2检查曲面间的连续性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．605．3／l、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。616结论及未来发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯636．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．636．2未来展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．64致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．65参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．67攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。69原创性声明及关于学位论文使用授权的声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71II 基丁逆向丁程的自由曲面模型重建技术研究1绪论1-1前言逆向工程(ReverseEngineedng)为通过对某种产品的结构、功能、运作进行分析、分解、研究后制作出功能相近，但又不完全一样的产品过程。这门学科近年来快速的成长，已发展出许多种类的技术，例如机械装置、电子零组件、软件程序的逆向工程等。本论文探讨的是造型产品的逆向工程，也包含了探究设计之初的设计内涵及工程需求。一般工业产品的设计、开发、生产流程是经由产品造型设计师将其构想以CAD(Computer-AidedDesign)软件绘制出CAD模型，其中包括精确的尺寸、造型、特征，再经由CAM(Computer-AidedManufacturing)软件产生出加工路径，直接加工出实物，或加工出模具或是冲压等方式开发出产品，经过检验确认后即开始进入大量生产流程，这种开发的过程称之为正向工程或顺向工程【¨。而逆向工程为一种由实物模型重建CAD模型的技术，一般是藉由接触式或非接触式三维测量机具测量物体表面得到的点资料，经由一系列程序由点资料构建成曲面模型，得到产品的数位化CAD模型后，再进行后续的开发及生产步骤【2】。逆向工程从三次元坐标测量发展至今，取代传统手工量取实物尺寸来重建CAD模型的方式，改以精确的三次元测量资料提供模型重建的基准，进而建构出CAD模型。此技术已经大量且深入的为工业界所应用，成为产品开发设计的重要利器，其重点在于针对几何外型不易直接绘制的造型产品，可让设计者先利用黏土等材料直接塑出理想的造型，再以逆向工程获得相似度极高的CAD模型，完成产品的设计。因此着重造型设计、美学设计的产业，例如汽车工业、运动器材业、医疗辅具业、鞋业、3C(Compmer计算机、Com彻mication通讯、ConsumerElectronics消费性电子)产业及航天产业等，均大量应用此技术使模型构建速度加快，产品设计开发周期缩短，以提高企业全球化的竞争优势[31。1．2逆向工程的流程与技术逆向工程的最终目标是从扫描得到的资料重现出3D的CAD模型，然而其中的过程及程序却是相当复杂及困难的。本研究将其分为多个部分来探讨，针对各个部分深入说明，同时提高自动化的程度也是本论文探讨的重点。逆向工程的主要流程可从图1．1说明，当然此流程为一个概略的程序，实际上在进行逆向工程的过程中，此流程可能会反复的执行，从工件的局部构建逐渐至完整的CAD模型重建完成。此流程同时也勾勒出本论文的主要架构，以下就各个步骤进行逆向工程的探讨【4】。 陕西科技大学硕十学位论文|I新产品l鲨==：===：=====叠==，图1-1逆向工程的主要流程Figl-1TheflowchartofReverseEngineering1．3逆向工程常见的问题当一项产品在进行逆向重建时，通常会遭遇到几个问题，使得曲面重建工作无法顺畅进行。首先也是最繁琐的部分：曲面的规划，如何依照物体外型规划出适当的区域分布，再根据不同区域的几何特征以相对应的方式建构曲面。这部分往往见仁见智，没有一定的作法，也很有可能在构建过程中改变规划的方式。其次是建面的方法，曲面建立的方法很多，由点资料嵌合、曲线迭层等。如何建构出合适的曲面并考虑精确度及平顺度，以较少的控制点而能维持曲面品质，是为曲面建构的目标。最后是曲面间连续性的问题，这也是平顺性的工件在进行逆向重建过程中，最困难处理的问题。一般来说，若是工件在曲面问的连续性均能以导圆角来达到，那么此工件可能是较为简单的造型；逆向常遇到的工件，通常是造型较为复杂的曲面，导圆角只能处理部分曲面间的连续过渡，其它区域需要更为平顺的曲面且不为圆角造型，因此需用融合曲面的方式来达到斜率或曲率的连续性【5】。在实际曲面建构时，常会因为曲面连续无法顺利达到，而回过头来重新规划曲面或是重新构建曲面至更高的平顺度，特别是例如汽车、钣金的外观件，引擎盖和车门等均需要非常高的曲面质量，对于连续性的要求甚至达到曲率(G2)及曲率以上(G3)，也因此汽车钣金逆向重建的困难度也相对的比其它工件要高很多【61。有鉴于此，本研究深入探讨各流程中的关键技术点，尝试将其分为几个目标来逐一解决上述逆向工程所面临的问题。提出网格特征分离，协助曲面规划；提出曲线多种嵌合方法，以因应逆向过程中的多元需求；也提出曲面边界连续性缝合的技术，并将其结2 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究合至曲面嵌合，应用于曲面自动建构，实现以一系列完整的连续性逆向重建技术，快速重建出整体的CAD模型[71。1．4研究目的与方法由1．3节的讨论中，说明了逆向工程几个常见的问题：曲面如何规划、应用哪种方法构建曲面以及如何保持曲面连续性等。本研究的目的即在于逆向建构的方法上提出建议，并发展连续性相关的演算法来解决当前的问题。逆向工程的研究已经有相当多的探讨，在点资料处理、曲线曲面嵌合、商用专业软件及点资料测量设备已有很好的成果。但是在实际应用上，整个过程仍需要大量的人力时间，软件使用者的经验直接影响到曲面模型重建的质量。因此本研究的主题就是在于逆向建构之初，即以网格资料与曲面连续性为主来考量曲面模型逆向建构技术。讨论的重点从架构线的建立方法、到曲面的连续性缝合与嵌合，说明针对连续性需求较高的产品，要如何应用本研究的方法，快速且高质量的重建出CAD模型。本研究就实际的逆向重建经验，将产品造型分成三种，用以区别并说明三种曲面重建方法上的不同，当然在实务上曲面重建的方式是弹性的，仍有可能某工件是混合了两种以上方法来进行重建，以符合产品需求。但这三种曲面重建方法的分类及其建构流程，能让各种产品在进行重建时，有基本法则可依循。以下说明三种造型的特性及建构流程，并且提出本研究所发展的相对应技术，说明研究方法与内容。1．4．1简易造型当对象外观为简单几何所组成时，大多都是以平面、圆柱、或其它简单曲面所组成，例如方正的手机机壳、家电制品、各种零组件、产品内部装配机构等。这类产品在进行逆向重建时，曲面的规划与建构较为规律与单纯，先将网格资料区分成各区块，再利用延伸曲面嵌合建立出比网格区块稍大的曲面，所有曲面完成后，相邻的曲面互相剪裁后沿着相交的边界依照需要的圆角半径建构出圆角曲面，即可得到完整的CAD模型。锅手柄是由平面、自由曲面及一般曲面构成，再进行导角后得到。本研究提出网格特征分离技术，协助曲面重建之前，以网格的几何特征变化计算出特征值，辨别出特征值相似的大区域网格及导角区域网格，并自动分离各区域得到独立的每一区块网格资料。此部份的重点在于协助曲面重建快速分离出所需网格，并且要求分离的网格资讯要有足够的正确性，以免曲面嵌合的曲面质量无法达到需求。1．4．2复杂造型当对象外观为复杂曲面造型时，例如汽车钣金、机车后视镜、人体工学滑鼠、精密航天叶片等，这些类型的外型没有明显的简单曲面特征，在逆向重建时曲面的规划与建构就变得相当繁杂。一般依照使用者经验做曲面的规划，构建出曲线之后再逐一将曲面以边界拘束性嵌合的方式或是举升曲面与编织曲面的方式建构出来，最后再利用融合曲3 陕西科技大学硕士学位论文面的建构来达到曲面间的连续性，完成整个曲面模型的重建。比如游戏手柄模型，曲面变化较为复杂，也无一定的导角棱线，因此需规划适当的曲线，以桥接曲面的方式达到连续性的需求。本研究在复杂造型部分提供架构曲线规划的方法，介绍在网格资料上取得嵌合曲线所需的点资料方法，例如网格切层、特征线搜寻等，此点资料的位置决定了曲面分布规划。本研究进一步探讨曲线嵌合技术，因应多种建构曲面的需求，多样性的曲线嵌合技术发展于本研究中，包括平滑曲线嵌合、曲线延伸嵌合、封闭曲线嵌合以及曲线连续性嵌合等，另外还发展曲线缝合技术，使得曲线问的连续性可达到曲率连续。不同的嵌合方法所得到的结果适用于不同的实例，本文在实例说明中，也可明显看到各种曲线嵌合技术的应用。当架构曲线建构完成后，即可拘束架构曲线作为曲面边界，以架构曲线内部的网格资料进行曲面嵌合，本研究中所提出的曲面连续性嵌合中，当曲面边界连续性设定为GO连续，即为边界拘束曲面嵌合。在曲面建构完成后，即可利用融合曲面的建构来达到曲面间的连续性，本研究提出曲面缝合技术，深入说明曲面间的连续性条件，以及曲面缝合的方法，让两片曲面缀片在缝合边界可达到GO、G1及G2连续。1．4．3连续造型当对象外观更为复杂、曲面变化程度大且相当连续无明显特征时，可将其视为连续造型，例如汽车内部零组件、医生领域的器官、骨头与人工关节或是雕塑人像、玩具公仔等。由于没有明显的特征棱线，除了依照使用者经验外，也可运用网格拓扑相关研究的成果，自动进行架构线的规划，得到自由分布的曲线架构线。在取得建构曲面所需的拓扑信息及连续性信息后，以曲面连续性嵌合将所有曲面构建出来，得到完整CAD模型。上述自动建构曲面的流程为本研究所提出的新流程，有别于现有文献的作法，其自动化曲面模型重建技术，设定在网格资料经过适当的前置处理以及架构线规划完成的前提下，以一个完整的流程将多项算法组合，自动重建出具有连续性的曲面模型，使其与原实物形状一致或满足整体CAD。而在本研究自动化曲面模型重建技术中，曲面连续性嵌合为当中最重要的算法，将其从自动化建面流程中特别独立出来，以一个章节完整说明在曲面嵌合的同时，也考虑到四个边界与相邻曲面的连续性，并可达到Gl及(32连续。4 基于逆向T程的自由曲面模型重建技术研究2逆向工程测量技术原理2．1数字化方法与技术实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。只有获得了样件表面的三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改进、制造。因而，如何高效、高精度的实现样件表面的数据采集，一直是逆向工程的主要研究内容之一。一般说来，三维表面数据采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类。接触式有基于力一变形原理的触发式和连续扫描式数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等，而非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等，见表2．1。另外，随着工业CT技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程取得了应用【刀。表2．1实物数字化方法Tab2—1Themethodsofdigitizingapart非接触式测量是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，其测量过程是利用光学方法进行的，从而对被测物体的表面提出了一定的要求，表面反光或全黑的物体不适合于光学方法进行测量，或者说当遇到这样的被测物体时需要更复杂的光学技术来保证测量的顺利进彳亍【8】。非接触式测量方法一般具有较高的测量速度，不会划伤被测零件。三坐标测量机是接触式数字化设备的典型代表，和非接触式测量相比，CMM虽然在数字化速度上比较低，但是它具有较高的测量精度191。2．2三坐标测量机测量三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。起初是作为一种检测仪器，进行零件和部件尺寸、形状和相互位置的检测。由于它通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心"之称。三坐标测量机作为现代大型精密仪器，已越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。它可方便的进行空间三维尺寸的测量，可实现在线检测和自动化测量。它的优点 陕西科技大学硕：f：学位论文是：①通用性强，可实现空间坐标点的测量，方便的测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；②测量精度可靠；③可方便的进行数据处理和过程控制。因而它可纳入自动化生产线和柔性加工线中，并成为一个重要的组成部分。目前，国内外三坐标测量机正迅速发展。国外著名的生产厂家有德国的蔡司(Zeiss)和莱茨(Leitz)、意大利的DEA、美国的布朗一夏普(Brown&Sharp)、日本的三丰(Mitutoyo)等公司。我国自20世纪70年代开始引进研制三坐标测量机以来，也有很大的发展。我国的主要生产厂家有中国航空精密研究所、青岛前哨朗普测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光学仪器厂等。现在我国已具有年产几百台多种型号的三坐标测量机的能力，并且在不少企业得到应用和推广。三坐标测量机的测量原理是将被测物体放入三坐标测量机的测量空间，由坐标测量机的三个运动轴X、Y、Z在此测量空间建立起一个直角坐标系，测头的所有运动都在这个坐标系中进行。测头由测量中心点来表示，它是一个几何点。测量机的长度测量系统可以随时给出测头中心点在坐标系中的精确位置。当测头与被测工件接触并沿着被测工件的几何型面移动时，就可获得被测几何型面上各测点的几何坐标值，根据这些点的空间坐标值，由计算机计算出待测点的几何尺寸和相互位置尺寸【，0】。!一y—P1厂、乃／01》|》JI＼一／尸3Xh厂‘、居jI|，，。2}·rf．／历＼．'『Y图2．1两孔中心距离测量示意图Fig2-1Sketchmapoftwoholescenterdistance如图2—1所示，测量一个工件上两孔中心的距离，坐标测量机分别在两孔中测三点，得P。、P：、P。和P。、P5、P6的坐标值，以三点求心法计算出中心点0。的坐标x。。、Yolo6 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究卜=虹呼嘉乎卜血型盟与苦蠹等罢慕篆产出其中X。、x：、X3和Y。、Y。、Y3分别为P。、P：、P3各点的X和Y坐标。同理将】【4、x5、x8和Y4、Y。、y6代入式(卜1)可得到0：的坐标值。根据0。、02点的坐标值可计算出两孔的中心距L，如果给出中心距的理论长度L0，那么就可计算出中心距偏差△L=L—Lo。若进一步给出中心距的允许偏差§L，还可由计算机比较△L和§L，判断测量值L是否超差。若已知测头的半径R，就可计算出各孔的半径值。Rl=√(而一z01)2+(Yl—Y01)2+R=√(x2一X01)2+(y2一Y01)2+R，nr’、=、／(x3一X01)2+(y3一％1)2+R同理，可求出半径值R。。总之，不管任何复杂的几何表面和几何形状，只要测量机的测头能够瞄准到的地方，就可通过坐标测量机的测量系统得到各点的坐标值，经计算机算出它们的几何尺寸和相互位置关系，并完成相应的数据处理【¨】。2．3点数据处理及区域分割将三次元测量仪所得到的实物外形点数据输入到CAD系统或专用的逆向工程软件进行3DCAD模型重建。由于量测系统的多样化，其输出的点数据格式也不一致，虽然有通用的点数据转换处理，能将点资料转换为IGES格式，但是对于许多企业使用的早期产品，测量仪的开发及使用的目的并不是针对逆向工程，因此系统没有IGES格式的输出转换功能。而几乎所有的测量系统在测量过程中，都会不可避免的产生误差使测量到的点数据失真。另外还有多视角测量点数据定位、非接触式测量所得到的庞大的点数据等问题【12】。因此在进行实物重建前，需要对测量到的点资料进行处理工作，目的是获得完整且正确的测量数据以方便实物重建工作[131。2．4点资料过滤重整、平滑化在量测的过程中，产生杂点的原因包括量测仪器、物体模型本身、人为因素及外在环境等。现今各式各样的三次元量测仪有着不同的测量精度，造成量测点数据的部分失真而造成杂点。物体模型制作的技术、物体的材质软硬不同及受到外力的影响导致模型表面产生凹凸不平，因而产生杂点。人为因素则包括不当的仪器操作。外在的环境影响有温度、辅助量测的夹具、量测场所的光源等等。而杂点的存在会影响后续的点数据处7 陕西科技大学硕士学位论文理工作，包括了点数据的合并、区域分割、曲线曲面的嵌合等等，所以必须将杂点加以滤除。如图2—2所示a)为物体模型本身以外产生了许多杂点；b)受到外力的影响导致模型表面产生凹凸不平。多余的误差大的杂点可以直接删除，误差小的杂点则可以利用点数据平滑化的方法降低误差量【t哪。部分失真(跳点)多余的杂点工十●’●图2-2a)物体模型本身以外产生了许多杂点b)受到外力的影响导致模型表面产生凹凸不平Fi鲒-2a)Theobjectmodelitselfhadalotofothermiscellaneouspointsb)Modelbyextem鲥forcescausedbytheunevensurface滤除杂点的方法有以下几种：(1)距离滤除法：距离滤除法是以设定距离基准值(ThresholdValue)作为判断标准，假设一个点数据与其前后点数据的距离都过大，则此点视为杂点。此种方法适用于排序过的点数据。(2)最小角度滤除法：此种方法适用于扫瞄线型态的点数据，如雷射扫瞄的点资料。当一个点数据与其前后的点数据以直线相连，会形成一个夹角，此方法利用角度的特征作为杂点的判断依据，先固定某角度作为阀值，小于此阀值的点一律视为杂点，如图2—3的A、B点，基准值的选择必须考虑点资料的曲率分布情形。(3)近似平面、球面滤除法：所谓平面、球面近似是将一群点数据以平面或球面近似之，如图3．6。此法首先定义点的邻近范围大小用以求出邻近范围的点群，接着以平面或球面建立邻近点群的近似曲面模型，并比较邻近点群与曲面模型的距离误差量。同样也可以定义距离基准值，将超过基准值的点视为杂点删除之。平面近似法适用于平坦。形状变化较缓和的点数据，球面近似法适用于变化较剧烈的点数据。此法可以大量删除杂点[15】。8十／‘十 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究A点图2．3点资料的夹角Fi萨一3Theanglebetweendatapoints图24平面、球面近似Fi醇-4Plane，sphericalapproximation2．5建立CAD模型建构完善的几何模型为进行快速原型的先决条件，因此设计者可以利用软件来建立CAD模型。在建构几何模型的过程中建立的模型必须是实体模型(SolidModel)或曲面模型(SurfaceModel)构建出封闭体积的模型。各种CAD软件系统所使用的数据结构均不相同，因此在CAD模型与快速原型系统间要建立一个共同的档案格式。目前主要是以STL格式为档案转换标准的档案格式。STL网格是由许多三角形所组成的，每一个由三顶点和一单位法线向量所描述，每一顶点都有一组X、Y和Z坐标。因为STL文件是由CAD模型所转换的平面模型，所以是一种趋近于模型的文件。针对STL具有的优缺点进行讨论。STL格式的优点：(1)原理与格式简单明了，由CAD模型转换容易。(2)具有独立性，与各个CAD系统建构几何模型的方式与文件结构无相关性。(3)为目前CAD系统与快速成型系统之间文件转换的标准格式。STL格式之缺点：STL缺点可分为格式上的缺点与错误的STL。(1)数据大量重复，造成数据量的膨胀。(2)精确度与资料量难以取得平衡。9 陕西科技大学硕士学位论文(3)数据缺乏STL文件未包含许多原始CAD模型所含有的信息。2．6小结，本章介绍了逆向工程中实物数字化的方法，并进行了比较，根据现有的实验条件，选择三坐标测量机作为实物数字化的设备。重点对其工作原理进行了介绍，并提出了适合点云数据的区域分割方法和区域分割，点云数据的过滤及平滑化，这是逆向过程中由点云转换抄数曲线的重要环节。10 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究3曲线曲面构建之数学式及曲线曲面构建模式曲线和曲面之建立早已发展出各式各样理论如参数式曲线(parametriccurves)、Beziercurves、B-Splinecurves、NURBScurves等曲线和曲面然而各有其使用之优缺点。对于复合曲线(compositecurves)而言，参数式曲线表示则在程序设计和计算上较简易，Bezier曲线、B-Spline曲线适合处理较平坦的数据点，若对于处理曲面不平坦的数据点时曲面则会有局部平坦(10calflatness)打结(100p)之现象。NURBS(Non_UniformRationalB-Spline)曲线则对于不平坦高低起伏的曲面数据点会有比较好处理结果对一般曲线而言【16l；曲线阶(degrees)次愈高较易产生震荡现象(oscillation)而不易控制且计算上将更形复杂。当高阶建构的自由曲线转换低阶时曲线会变形失真失去原有的外形，目前在商业软件上现有建立3D模块的软件都以三阶为基准，如此在各软件图文件之间转换得以运用自如。任何曲线均可以一群点排列来界定，多面体复杂对象之表示法；这需要大量之数据储存而曲线正确的形状无法预知使得求解十分困难。完整对象之特性采用解析公式有助设计者掌握曲线之外形与变化特性，有一类数学函数就是多项式函数(polynomialfunction)特别适合。多项式由于计算方便应用广泛。在计算机绘图应用上需要先确定切线、法线等各种特定曲线函数之微分式就不难求得。目前市面上商用软件琳琅满目由早期2D，2．5D，3D绘图架构则由线架构(Wireframe)、面架构(Surface)到实体模型(SolidModeling)、或是混合建构(HybridModeling)，而目前较高阶的软件如UGII(Unigraghics)、I—DEAS、Euclid3、Pro／ENGINER、CATIA、Cimatron、Rhinoceros，SolidDesigner、SolidWorks、多使用Bezier、B-Spline、NURBS等数学模式来建构曲线和曲面【i刀。3．1Bezier曲线／曲面之数学式在通常的应用中，使用的是曲线曲面的参数形式，这就要求进行参数变换。曲线与曲面的数字表示有多种形式，常见的曲线和曲面的表达式分为参数表达和非参数表达两种。在计算机绘图和计算中，参数表达比非参数表达好的多。3．1．1Bezier曲线以参数型三次方曲线公式发展出来的插补法(interp01ation)是由法国雷诺(Renault)汽车公司的Bezier创立的，1960年代早期Bezier发展出一套数学模拟公式比那传统的内插法(interpolation)应用起来更具弹性Bezier及Forrest中的Bezier曲线的形状系由一多边形所定义。多边形的顶点与Bezier曲线有关，实际上仅有多边形的第一个及最后一个顶点是在该曲线上其余的顶点则定义曲线的导数、阶数以及形状，故Bezier曲线是由开口多边形所定义，由于曲线的形状大致上是按照多边的形状而变化，因此借着多边形顶点位置的改变就可以让使用者能直觉地感觉输入数据 陕西科技大学硕士学位论文与输出图形间的关系，若要改变任意曲线线段的阶数，只需再多边型中再增加一个顶点即可，如此可以增加运用的弹性。Bezier曲线是利用控制点或控制顶点，也就是一组顺序排列之点(Po，P，，P2，P。，⋯，Pn)其排列近似(approximates)一条曲线。如图3-1所示。P．图3．1利用控制点形成Bezier曲线Fi酪-1UseofcontrolpointsinBefiercurvesBezier的曲线方程式为：c@)=∑最，，@)￡(o≤u≤1)(3—1)i=0式中：Bn，j(u)为Bezier基函数；Pi为控制点或控制端点；n为阶数：u为参数值。Bezier的Berstein基函数Bn，j(u)定义为：％(炉C7∥(1叫广‘=南∥(1-∥一由于Bezier方法简单易用，又成功解决了曲线的整体形状控制问题，用。但同时，它也具有局部修改能力差的缺点。3．1．2Bezier曲面(3-2)所以广为使尽管参数型三次方曲面是一种不错的设计工具但其缺点再于无法凭直觉估算切线向量和扭曲向量值而。Bezier曲面便于使用者凭直觉来作各种创作(creating)及修改(trimmed)它不需要抽象的切线向量，而只需给定曲线的控制多边形顶点坐标位置，来界定就可以产生曲面而在修改(trimmed)图形时也只需更动控制多边形顶点的位置。Bezier曲面则是由一组二维控制点(controlvertex)pij所控制【181。Bezier曲面是由多边形面上的设计点所构成的网格所定义，所遭遇的若干问题是局部形状控制问题，因为若移动多边形曲面上的一点，就会影响整个所有曲面形状，这对设计者而言是12 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究个致命点尤其是作细部设计时为甚，图3．2为四阶Bezier曲面和其控制点网格(controlnet)。V羽图3-2Bezier曲面所定义多边网状控制点Fi鲈-2Beziersurfacecontrolpointsasdefinedinthemultilateralnet3．2B样条曲线B样条曲线是在Bezier曲线的基础上，通过对基函数的改进，采用B样条基函数替代构造Bezier曲线的Bernstein基函数而构造的一种新的自由曲线。它继承了Bezier曲线的直观性和保凸性等优点，还具有比Bezier曲线更逼进特征多边形、多项式次数低、分段曲线拼接条件简单和良好的局部修改特性等优点。B样条曲线的数学描述为：设有一组节点Xi九。由其确定的B槎条基函数为M∥(x)(i：0，1，2，⋯，n)，并-：ff--特征多边形顶点系列扩，j，将Ⅳf∥(x’与形线性结合，即可得到M阶(M一1次)的B样条曲线方程：一月一≯(x)=∑MⅣ@)矿(3—3)设在区间【口，6】上，取分割a：xo0，∞n>o，其余∞。>10。若14 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究所有权因子都等于l，即卿=1，i=0，1，2⋯．，n，则由B样条基函数的规范性∑M，I(甜)=1得尺。j@)=M，t(”)，于是式(2-10)变为式(2-8)，它表示了一条B样条耐线。此时若把节点矢量u取值为U=Io，⋯，o，1，⋯，1l，则B样条基函数Ⅳ，。(”)就变为Bemstein基函数Et(“)，它表示了一条Bezier曲线，从而NURBS曲线将常用得Bezier曲线、B样条曲线形式很好得统一了起来。因此，NURBS曲线除了具有Bezier曲线、B样条曲线得优点外，还具有自身得特性前的实体模型(SolidsModeling)架构，线架构以Bezier和B．Spline函数为主轴建构模型然而Bezier函数是B．Splinee函数的一个特例，当加权值为l时有理基函数将变成B．Spline基函数，同样的B．Spline函数是NURBS函数的一个特例，当加权值为1时又没有内部节点存在时有理基函数将变成Bezier基函数，成为NURBS基函数。这种基函数兼容特性在不同CAD／CAM系统中数据的交换，及图面转换甚为重要相互关系由下图3。3所乖，91。图3-3Bezier、B—Spline、NURBS的相互关系Fi93—3Bezier,B-Spline，NURBSrelationshipbetween3．4曲面建构模式以线架构的模式建构曲面先决条件就是必须要有线条，外形线或断面线而外形线分为二条、三条、四条或五条。二条外形线以U，V方向计算较规则或简易之外形用扫描(swept)方式建构成扫描曲面，三条外形线建构成曲面为三角面此三角面在做刀具路径时演算时因为UV方向形成盲点容易造成过切(overcutting)，四条外形线则用边界(Boundary)建构成曲面，五条外形线在较高阶的软件才有此功能冽。断面线也就是把模型从外形以等距离方式剖切形成断面线剖切时等距离越短越佳，然后通过断面线建构成曲面。企业界市面上所有的商品功能质量更是讲求人性化，操作接口符合人体工学，产品设计者首要条件是将产品平滑流畅，曲面是随意成形的，在工作图上很多地方并不能实际用尺寸可表示。只能靠设计者依产品架构作局部改变随意成形。B-Spline曲线曲面之优点即可做区域性控制进行局部修改不致影响整个曲线之形状，曲面亦同某区域做抽拉形体只有局部更动，在汽车使用的铝钢圈的造型外观流畅莫不以B-Spline曲线作为线条设计之主轴，本文也将以此种方法作为曲线曲面构建之模式[2q。、《 陕西科技大学硕士学位论文3．5曲线及曲面质量检验在逆向工程中，本文从产品的实物模型重建得到产品的CAD模型，根据这个CAD模型，一方面可以对原产品进行仿制或者重复制造，另一方面可以对原产品进行工程分析、最佳化结构，实现改进、创新设计。但是两者都存在着一个问题，即重建的CAD模型能否表现产品实物或者两者之间的误差有多大检验一个逆向工程过程的精确度或误差大小，通常采取的做法是将最终的逆向产品与原实物模型进行比对。一是透过比较点数据模型和CAD模型的差异来检验模型的精确度，二是对模型的平顺度进行检验嘲。因此精确度与平顺度是决定曲线或曲面质量的重要因素，精确度越高代表曲线及曲面与原始点资料的距离误差越小，反之精确度越低则代表与原始点资料的距离误差越大。平顺度越高代表曲线及曲面越平顺、平滑。检验曲线及曲面平顺度的方法有以下几种：3．5．1曲线(1)切线向量分析：藉由显示曲线切线向量可以检验曲线的平滑度，尤其是用在检验曲线上是否有凹凸不平的区域，如图3-4所示。(2)曲率分析：曲率表示曲线切线向量的变化率，在曲线越平的区域曲率越小，曲线弯曲越剧烈的区域，曲率越大，如图3-5所示。(3)节点分析：显示曲线的节点分布情形，检验是否有重复或不正常的节点，如图3—6所示。曲线的切线方向图3_4切线向量分析Fi93-4Tangentvectoranalysis16 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究曲线弯曲越剧烈的区曲率越大图3．5曲率分析Fi93—5CurvatureAnalysis曲线的节点图3_6节点分析Fi静-6Nodeanalysis3．5．2曲面为了进一步了解曲面间连续性的好坏，曲面反射线显示来说明一般曲面嵌合的结果与曲面连续性嵌合结果的差别。一般曲面嵌合的结果，可看到曲面反射线在曲面连接的边界处呈现不连续的现象，曲面间只有位置连续；经过曲面缝合或是以曲面连续性嵌合的结果，从曲面反射线可看到反射线有连续过渡的表现，曲面间达到所需的接近G2连续的结果。若经过检查的结果发现反射线不连续或是反射线抖动，说明曲面间连续性不足或是曲面质量无法达到要求，即必须返回前述步骤检查需修改的地方予以改善，直到曲面的质量达到需求123]。曲面分析主要用于曲面建模，系统执行曲面分析以检查曲面质量。主要包括曲面及与其相邻曲面共享的连接质量，曲面是否可按指定的厚度值偏移等问题。曲面分析是一个迭代过程。修改或完成形状后，最终就可以可确定曲面模型是否加厚和生成的适用性。曲面分析在“零件”和“组件"两种模式下均可分析其属性。(1)着色曲率分析：着色曲率分析主要是计算并显示曲面上每点处的最小和最大法向曲率的乘积。系统在显示曲率的范围内分配颜色值，光谱红端和蓝端的值分别表示最大和最小曲率。对于像柱面和平面等这样的具有固定曲率的模型，其高斯曲率为0，其他曲面的高斯曲率具有正，负和0值。对于光滑的曲面，高斯曲率的变化是比较平缓的。而截面曲率就是色彩显示零件平行于参考平面平行的平面分别截取曲面，所显示的每一个交截面(曲线)的曲率就是截面曲率。定义曲面的曲率有高斯曲率、平均曲率，17 陕西科技大学硕士学位论文变化平缓的曲面适合使用高斯曲率，剧烈的曲面使用平均曲率。曲率的分析可以用来检验曲面的曲率是否连续与是否有曲率异常的曲面区域，如图3-7所示。(2)拔模分析：主要是分析零件在设计过程中使用的零件是否需要一个拔模角度，以使模具或铸件能够干净彻底地取出。该分析在模具设计中常常要用到，拔模检测它是基于用户定义的拔模角度和拖动方向(模具或凹模开模方向)。为了确定所选零件的曲面是否应通过拔模修改，系统会检测垂直于零件曲面的平面和拖动方向间的角度。如果拔模检测基于单侧，那么被完全拔模的曲面就以洋红色显示。如果拔模检测基于两侧，那么一侧以洋红色显示，另一侧(拖动方向的反向)以蓝色显示。需要拔模的曲面以一系列其它颜色出现，表明它们偏离需要的拔模角度多少。其中，洋红色表示模具下半部分的充分拔模(越红越充分)，而蓝色表示模具上半部分的充分拔模(越蓝越充分)，白色表示拔模量不足的模具区域，而梯度颜色表示处于拔模极限范围内的区域，如图3．8所示。(3)反射线分析：反射分析就是显示从指定方向观察时，在曲面上来自线性光源的反射的曲线，反射分析也是着色分析，如果要查看反射中的变化，可旋转模型并观察显示过程中的动态变化。需要注意的是反射分析的结果仅在OpenGL图形模式下可见，如图3-9所示。图3．7着色曲率分析Fi93—7Curvatureofcoloring18 基于逆向下程的自由曲面模型重建技术研究分析定义i参照曲面厂面面而丽葡蔽圃方冉[蟊葡喇穗噩平截拔摸角度⋯⋯⋯～角日圈匠出圉示铡i品质，谚|品质门一网‘_～团更新囹团因图3．8拔模分析Fi93-8Pullmodeanalysis图3．8反射线分析Fi醪-8Reflectionlineanalysis19 陕西科技大学硕士学位论文3．6小结本章对曲线曲面拟合理论进行了分析，选用NURBS曲线曲面作为造型的唯一曲线曲面形式，同时对NURBS曲线曲面的数学表示进行了分析。另一方面介绍了lmagewarel2软件的特点和工作流程。将软件实践与自由曲面曲线理论相结合才能创建出优秀的模型，因此本章结合自由曲线曲面建模的理论介绍了软件中的自由曲线曲面建模概念和特点。 基于逆向工程的自由曲面模犁重建技术研究4逆向工程简易造型实例说明好面需要好线，好线需要好点，曲线与曲面是CAD模型最基本的元素，简易造型通常直接由点嵌合出曲面，或是用一排曲线资料构建出叠层曲面(LoftSurface)；在逆向工程中，实物的CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一环，因为后续的产品加工、快速原型制造、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD模型。曲线与曲面更是逆向工程中另一个核心及主要的目的f24】。4．1曲面重构以所测量到的点数据为输入数据来重新建构曲线、曲面模型，因为有时点数据数目过于庞大，占据许多的储存空间，因此以量测到的点数据来重建曲线、曲面，不但可以消除部分量测所产生的噪声，让重建的曲线、曲面较为平滑，而且可以利用少量的控制点来代表大量的点数据，以节省许多数据储存空间。曲面模型重构的步骤是：首先从点云数据中提取“特征线”，然后建构出决定产品外观的基础曲面，并将精度和光顺程度调整到最佳状态，其次再补充基础曲面的过渡曲面，经过适当的倒圆角和裁剪后就完成了曲面模型，以上的每个步骤都涉及到曲面的光顺质量检查，在曲面模型完成后还应进行一次总的质量检查和评估。图4—1是逆向曲面模型的重构过程。本文在前四章已为逆向工程系统做了观念及方法的介绍，接下来将挑选三个实例来应用操作，以验证本文所提到的逆向工程观念及方法的可行性。本文所选的实例分别为锅手柄、高尔夫球头及游戏手柄。本研究是以Imagewarel2和Pro／E4．0计算机辅助曲面设计软件为平台，用于点云数据处理，曲线曲面模型重新构建。4．2锅手柄模型重建近年来计算机产品的发展方向着重在人体工学的考虑上，产品的外形逐渐由单纯的几何造型走向复杂的自由曲面。在此将以逆向工程方法重建锅手柄模型并分析检验实物重建后的精确度及误差大小。为了使拟合的曲面较平顺，采用近似法来拟合曲面，依点数据及轮廓曲线来拟合曲面。21 陕西科技大学硕士学位论文图4-1曲面模型重构的过程Fi94·1Theprocessofsurfacereconstruction4．2．1在Imagevarel2中对图形进行摆正视图的切换，点和面的显示及查看点云的数据，当扫描一个对象时，必须从不同角度扫描好几次才能完成，或是需要把来自不同坐标系统的数据点接合起来，这时都需要进行点数据的合并。锅手柄的测量数据包括外曲面数据和内曲面数据。从三坐标测量机得到的测量结果为．txt格式的文件。外曲面的部分点云数据坐标如表4-1所示，对其进行初始定位如图4—2所示，首先把点云的中心点移到坐标的原点位置，再在点云的上端绘制一条曲线，在Imagewarel2软件中移动点云与绘制线段，使点云处于中心位置，接着将初始定位的结果以精密定位如图4—4所示，将两笔资料做更精密的定位以求得较精准的点数据模型。以点对点方式在Imagewarel2里对图形进行摆正，将抄数点云的显示移动至点云的中心点位置即位于坐标原点。 基丁二逆向工程的自由曲面模型重建技术研究表4-1外曲面的部分点云数据坐标Tab4-1Surfaceofthepartofthepointclouddatacoordinatesl0．05，0．10，28．5920．03，20．12，37．553∞．02，40．09，46．004．0．04，59．96，43．3950．00，80．15，31．7160．08，80．15，28．54730．10，加．05，13．54830．09，20．16，22．55929．98，40．11，31．001030．05，60．08，28．391130．07，80．06，16．711230．12，90．07，13．541360．08，_o．18，0．021459．95，20．14，9．011560．08，40．13，17．4560．09，60．15，14．8560．10，80．2l，3．1759．96，90．18，0．0559．96，0．15，13．5490．05，20．1l，22．5589．95，40．12，31．OO89．99，60．05，28．3990．1l，80．17，16．7190．06，90．08，13．54120．05，0．1，28．54119．97，20．16，37．55120．06，40．08，46．021119．99，60．14，43．39120．08，80．05，31．7l120．Ol，90．08，28．54图4．2点资料初始定位Fi94-2DatapointstheinRialpositioning4．2．2砍线以及估算出图形的分模线由于点数据的数量过于庞大，必须作点数据的缩减、滤除杂点，降低数据的密度，方便后续处理的效率，本研究以间距法设定点与点之间的距离必需大于l小于则予以删№"体侉加殂勉拐M笱拍打勰汐如 陕西科技大学硕士学位论文除，以将大量的点资料缩减。点数据模型的好坏影响后续重建曲面模型的结果，因此滤除多余的杂点，以求得较良好的点数据模型是必要的，合并后从图4—3对话框中可知缩减成56201个点资料。图4．3查看点云数据信息Fi94-3Viewtheponclouddata分析此实例点云数据对称，对点云数据区域进行分割以切割点云如图4—5所示，一个复杂的实体模型是由许多曲面所组成的，然而曲面与曲面之间相互接合的方式可分为位置连续、斜率连续、曲率连续，以三次元量测仪所取得的实体模型点数据是所有曲面数据的集合，若要以点数据来重建实体模型的曲面，则必须将点数据做区域分割，再将个别点云数据以适当的曲面建构方法作曲面嵌合。因此在区域分割之前，首先分析点数据的曲率分布，其中相同颜色的区域代表曲率值相近的点资料。接着依照曲率值分布及其特征轮廓规划曲面组合方式作区域分割估算出图形的分模线125]。24 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究图4-4点资料精密定位Fi酣-4Precisionpositioningdatapoints￡一方向的砍线，在Y层设置管理，直接在点云上点击右键，选择上方的砍线按钮固{：】玢，在所出现的对话框中选择全部，然后选择在Y轴方向砍线，如图4-6所示，设置砍线间隔为2．0，数量设置尽量覆盖整个点云数据，此处设置63条，则Y方向砍好的线如图4—7所示。隐藏Y方向砍好的曲线，只显示出点云接下来找出图形分模线的大概位置，首先光滑着色，在菜单栏中选择估算／划分多边形的分模线，选择全部设置2。的拔模，选取Z轴进行上下开模，选取应用按钮。分模线自动分出如图4-8所示。对所砍线进行多余线的删除，鼠标放置在点云上选择切割按钮，直接用鼠标框选多余的线条进行删除。然后关闭对话框。接着进行左右分模，找出X方向的分模线如图4．9所示。同样删除多余的点和线，左右分模线选择X轴，自动分出左右分模线，删除多余的线和点云，划分多边形的分模线，几个方向的线绘制完成，然后对Y方向，分模线，摆正的图形依次进行保存。分别保存为IGES格式闭。 陕西科技大学硕士学位论文图4-5点数据区域分割Fi94—5Pointdatasegmentationffl_．oud(s)t⋯；如tt!璺!!!墨l际霹．：图4_6Y方向砍线设置Fi94—6Ydirectionofcuttinglineset 基于逆向下程的自由曲面模型重建技术研究图4．7Y方向砍好的曲线图4．8上下颜色分明交接线为分模线Fi94—8Cleartransferofupanddownthecolorlinepartingline 陕西科技大学硕士学位论文图4—9X方向的分模线Fi94-9Xdirectionofthepartingline4．2．3处理好的抄数线调入Proe4．0软件参照估算的分模线、抄数线来绘制图形。首先把在Imagewarel2qb处理好的抄数线转入PROE中，打开PROE软件，选择插入菜单中的独立几何选项，在所出现的几何菜单中选择“示例数据来自文件’’，在打开对话框中选取之前保存的Y．igs文件，选取高密度，选择系统的坐标系，系统弹出如图4．10所示的原始数据对话框，设置曲线距离和点公差均为0．000010，另外保存覆盖原来的文件。通过插入／共享数据／自文件调入Y方向砍好的曲线，以同样的方法调入分模线，修改颜色为钣金件的颜色1271。曲线边缘拟合及曲面拟合以及建构曲面的方法，为了得到较精准的曲面以利于再制造工程的应用，依所分割得到的点云数据构建边缘曲线，再利用曲线配合点资料构建曲面，构建出的曲面精确度较高，选取点数据及四个边界曲线来拟合一张曲面。囊黝穗点云原始数据；。～云状显示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-；；可．见点百分砌100．000000I●___●__--。·_··_--_·--__^-●_●-o—÷“一一o：，～扫描曲线方鸯⋯⋯一一；：@扫描曲线lO自动定向曲线；；o剖面j|⋯⋯?。⋯⋯⋯。。。⋯。⋯。⋯。。——。。|，⋯???⋯。⋯⋯?。。⋯～，。，⋯⋯j⋯⋯⋯一～点／剖面间距⋯一⋯⋯⋯⋯一；曲线距离t0．000010li点公差Io．000100l，_________●_--。____。●____________●-___-●_■-_一÷⋯，，，j?日．，，，，⋯r，，?÷。。，-⋯～_7，围因圆圈图4．10原始数据对话框Fi94—10Rawdatadialogbox 基丁逆向下程的自由曲面模型重建技术研究调入抄数线后绘制图形，首先把分模线进行复合，选取草绘工具，把分模线选为参照进行草绘，接着做如图4．11所示的拉伸曲面为绘图的平面，选取基准点工具，找出分模曲线与拉伸曲面的lO个交点。接着绘$1J10条草绘曲线，选取拉伸曲面作为草绘平面绘制，在参照中选取基准点和抄数线作为草绘参照，所绘制曲线如图4．12所示。用造型工具，选择曲线绘制辅助曲线，定义方式为“自由"同时按住键盘的shift键选择做自由曲线，用刚才完成的曲线进行铺面，用边界混合工具做出的曲面如图4—13所示，过分模线的地方作出拉伸曲面以便对边界混合曲面进行裁剪切除。下方曲面的构建方法相同如图4．14所示。尖角处的绘制首先绘制整个曲面，然后再切出四边面重新构建边界混合曲面质量会更佳伫町。图4．11拉伸曲面Fi酣-11Surfacetension图4—12草绘曲线Fi酣一12SketchCurve图4-13边界混合曲面图4一14曲面构建Fi酣一13BoundaryBlendSurfaceFi94—14SurfaceConstruction曲面接合的方式有混成方式接合及导圆角方式接合，其中混成方式是将两段曲面之间的空隙做连接，同时还可以在连接时维持连续性，导圆角方式是将相邻的曲面以导角的方式做接合，并且减裁多余的曲面，使用导圆角曲面接合的方式将曲面予以接合。此实例在倒圆角之前进行拔模检测是否能分模，检测结果如图4．15所示上下开模颜色没有 陕西科技大学硕士学位论文分叉。最后完成造型如图4．16所示。图4．15拔模检测Fi酣-15Pull-modedetection图4-16完成的模型Fi酣一16Completemodel4．2．4曲面检测误差分析检验重建后的锅手柄模型与原始点数据的误差及其平顺度。误差分析主要是分析点数据与曲面之间的最近距离，并列出之间的误差量，其中包含正向法线方向误差、负向法线方向误差的最大值与平均值，分别在x、Y及z轴上获取数段数据，找出模型的长30 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究宽高尺寸，由观察误差的分布情形，可以用来检验曲面贴合的质量是否达到设计者的要求标准，重建后的模型与原始点数据的误差分析，可以知道曲面模型与点数据之间的平均误差在+o．496mm．0．262mm之间，绿色部分表示曲面与点资料相近、蓝色部分表示负向误差、红色部分表示正向误差如图4．17所示。平滑度方面则将各曲面逐一分析。检验曲面平滑的程度，藉由单点的强光光源照射在曲面上所产生的等高流线及色阶变化来检验曲面的质量，如果流线越平顺且间距分布越平均，则代表曲面的质量越好，曲面的连续性越佳，通过如图4．18所示着色曲率和斑马线显示，表明尖角处曲面过渡比较光滑和匀称。曲面的质量因为高度起伏不一样，红色区域无法避免。当重建后的曲面模型未达到要求的误差范围内，则可以控制曲面的控制点，做细部的曲面编修，减少重建模型的误差。但是改变控制点易影响曲面的平顺度。分析特征。起魑i嘉i曲线：巧(导入特征)至点二畦厨：罂卿卿拍嘲鸱投影方冉一覃萄ft处漾加项目——视囝平面；错棼鼍、：l。_，更新娃=0．Onl眈5}{日快速；，j；3：zj≥：：i嚣：!。。∞。yX图4．17曲面与点资料的距离误差分析Fi醇一17Surfaceandpointdatafromtheerroranalysis 陕西科技大学硕士学位论文44—18着色曲率、斑马线分析Fi94—18CurvatureofcoloringandZebradisplay4．3高尔夫球头模型重建高尔夫球杆头，是由许多自由曲面所构成的，建构高尔夫球头可分为三个部分，外部、内部及杆颈部。外部及内部主要是以简易造型的作法，先得到几个大面，在相互剪裁并导圆角得到所需曲面。但由于球头造型的曲面变化过大，在建构大面时须用到多种方法，甚至需包含复杂造型的曲面融合作法才能得到一片完整大面，需要特别注意。杆颈部的曲面变化转折大，非一般导角曲面可以完成，因此以复杂造型的作法先建构出架构线，再依连续性构建出曲面嗍。步骤说明如下：若要以正向工程的方式来构建球头CAD模型，需要花费许多时间，因此以逆向工程来重建高尔夫球杆头。此实例将以原始点数据所砍的曲线直接构建曲面，经过各种造型方法得到曲面模型，此种方法曲面建构效率高，是目前逆向工程中最常用的曲面建构方式。32 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究4．3．1点数据合并及处理高尔夫球头测量数据主要包括三个大面的数据。从三坐标测量机得到的测量结果为．txt格式的文件。主要曲面的部分点云数据坐标如表4—2所示，以初始定位及精密定位来做高尔夫球杆头的点数据合并，接着经由杂点及跳点删除与数据缩减的步骤，即可获得完整的球杆头扫描，如图4—19所示点资料数目的总合为24，121个点资料【30】。表4-2部分点云数据坐标Tab4-2Partofthecoordinatesofpointclouddata．117．16，．111．58，27．43—108．97，119．31，17．49-90．01，一133．44，．1．86-68．59，．145．19，．18．23-42．77，．154．59，．32．87．15．80，．158．52,-43．90-1．26，一159．3l，_48．63—120．17，-104．19’32．4l一106．66,．111．45，15．99．86．07，．120．69，-4．32．63．65，．129．07，．21．44—38．54，．138．71，．35．45一12．4铂一138．71，-45．941．04，一152．78，-49．5313．85，一158．71，一52．3227．33，．156．89，．54．92-118．92，．88．7l，35．58—102．43，．97．22，14．48．82．35，．106．96，．5．75．59．9l，．116．30，-23．44—34．74，-126．1l，-37．75．8．3l，一135．56，48．4618．72，一144．84，-54．8134．27，．150．07，．57．75-113．99，一76．03，36．31．97．12，．83．09，13．79—77．12，-91．55，一7．24-54．99，．101．34，一25．02．30．27，．1l1．10，．39．21．3．07，．122．43，．50．449．76，-127．43，一54．2723．59’．131．09，-57．44．106．36,-63．50,35．8990．88，-69．56，14．13．71．67，77．98，．7．19-49．63，-87．65，一25．64-25．83，-97．63，39．791．41，．109．52，．51．259．53，112．61，一53．7396．28，．51．45，33．64-83．86，一56．62，15．57-65．02，．64．07，_6．8343．92，-73．79，-25．30-20．56，一84．13，一39．561．15，．94．28，48．98—86．97，-42．97，30．86-68．75，-48．96，5．5248．54，．55．93，一15．5833筋拍打然凹如孔勉弘弱弘"弘剪柏甜乾躬斛钙拍钉铝●23456789mn坦BMb坫"墙侉加殂挖乃殂 陕西科技大学硕十学位论文图4．19高尔夫球杆头点数据合并及处理Fi酣一19Golfclubheadandhandledataconsolidationpoint4．3．2点数据区域分割分析高尔夫球杆头点资料的曲率分布，其中相同颜色的区域代表曲率值相近的点资料。依照曲率值分布及规划的曲面组合方式作区域分割，如图4．20所示。底面顶面击面图4-20点资料曲率值分布Fi94—20Curvaturedistributionpointinformation曲面嵌合高尔夫球头由许多曲面所组成，将较为独立的各网格区域先嵌合成主要曲面。其中击球面为扫描面，杆部为圆柱曲面，其余以大面嵌合或平面嵌合得到外部及内部的各主要曲面，较为复杂的主要曲面建构有许多较为流线或平顺过渡的区域，无法用曲面导角呈现过渡结果，所以需以复杂造型的建构方法来达到所需的曲面结果【3l】。外部及内部曲面导圆角将外部及内部的主要曲面构建完成，包含单独进行曲面嵌合的主要曲 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究面以及由复杂曲面组合在一起的主要曲面，将这些主要曲面延伸相交彼此剪裁之后，再以适当的导角半径进行曲面导圆角。杆颈部的曲面构建杆子的部份用圆柱曲面，依照外部曲面靠近颈部的曲面分布，在颈部网格上建立出架构曲线，并利用曲线分离网格将每个欲嵌合成曲面的网格区块独出来。接下来利用本论文探讨的曲面连续性逐一构建出颈部的曲面，达到所需的曲面。最后配合外部、内部及杆颈部的曲面，将过渡的部份以桥接曲面顺接后得到完整CAD模型结果。从流程上来看此实例较为复杂，但利用本研究提供的流程及各项建构程序，配合曲面造型等方法，对这种简易造型加上复杂造型的工件进行逆向重建的难度将会大大降低【，2】。4．3．3高尔夫球头模型的CAD在绘图之前设置好工作目录。造型之前分析球头的分模线，选择文件打开类型为IGES文件，选择前面生成的IGES格式的高尔夫球头的抄数曲线。(1)高尔夫球头打击面的创建。1)建立可变剖面扫描曲面。绘制主轮廓扫描轨迹曲线：单击“草绘工具"按钮氍，首先创建内部基准平面，选择穿过中间的适当的参照曲线创建平面DTM7，选取DTM7平面作为草绘平面，选择坐标系为参照，根据抄数线的轮廓形状绘制轮廓曲线，如下图4．21所示。图4—21绘制轮廓曲线Fi酣-21Contourdrawing2)创建基准特征在“基准”工具栏中单击“基准平面工具"按钮臼，然后选取中间抄数线作为穿过曲线，创建DTM8平面。在“基准"工具栏中单击“基准点工具”按钮A，然后选取草绘轮廓线和基准平面D1M8创建基准点PNT0如图4—22所示。35 陕西科技大学硕士学位论文图4-22基准点对话框Fi94—22Referencepo硫dialogbox3)创建可变剖面扫描特征在“基础特征"工具栏中单击“可变剖面扫描工具"按钮，在操控面板中打开“参照"选项卡，选择草绘曲线作为轨迹线，打开选项按钮，选择PNT0为草绘放置点，选取创建剖面如图4—23所示。进入参照设置对话框删除原来的参照曲线，完成可变剖面的创建如图4．24所示，分析曲面的几何曲率变化，通过高斯分析可知面的质量。图4．23截面的创建图4．24完成的可变剖面Fi酣一23Thecreationofcross—sectionFi94—24Variablesectioncompleted通过测量点与曲面的距离分析可变剖面的精度。通过着色曲率显示检测曲面的质量如图4．25所示，此处也可以通过抄数线来直接铺面，但面的质量可能不好。 基丁二逆向工程的自由曲面模型重建技术研究。掣，．，，。。，圈，^⋯到：，i图4—25曲率变化Fi酣-25Curvaturechange(2)通过造型工具完成分模线的创建。1)在“基础特征"工具栏中单击“造型工具”按钮∞，进入草绘模式。在菜单栏中执行“造型一曲线"命令，选择“自由"，按住shift键扑捉抄数曲线。同时应该注意点的分布情况，然后编辑自由曲线，尽量使其与抄数线相吻合。曲线绘制如图4．26所示。图4-26绘制曲线Fi94-26DrawingCIllVe$37tiff4．27拉伸曲面Fi94-27ExtrudeSurface 陕两科技大学硕士学位论文2)创建拉伸曲面：为了使分模线投影至拉伸曲面上，在“基础特征"工具栏中单击“拉伸工具’’按钮毋，将拉伸类型设置为“曲面"，然后选取FRONT平面作为草绘平面。进入草绘模式后，选取偏距曲线将之前所绘制的造型线向外偏lmm，草图绘制完成后，将轮廓对称拉伸深度为“112．0”完成拉伸曲面如下4．27图所示。3．)创建投影曲线执行菜单栏中的“编辑一投影”，在操控板中打开“参照’’选项卡，曲线作为投影链，再选取mGHT平面作为投影平面，单击“反向方向"按钮，投影预览如图4—28所示。在操控板中单击“应用"按钮yi，完成操作4)．创建基准点对曲线进行打断修剪。选择投影曲线，在编辑菜单中选择投影工具，修剪对象选择PNTl基准点，完成曲线的修剪如图4-29所示。曲线上创建基准点投影在曲面上完成分模线的创建。图4．28投影曲线图4．29修剪曲线Fi94-28ProjectioncilrvcFi酽-29Tdmmmgcurve再进行一次投影草绘。方向选取top平面作为投影平面单击“反向方向"按钮，投影预览如图4—30所示。在操控板中单击“应用”按钮y{，完成操作。(3)构建大面的过程．1)创建拉伸曲面在“基础特征’’工具栏中单击“拉伸工具’’按钮矽，将拉伸类型设置为“曲面”，然后创建临时基准平面作为草绘平面。进入草绘模式后，选取抄数线作参照，注意把握好距离绘制曲线，草图绘制完成后，将轮廓向下拉伸，深度为“53"如图4—31所示。38 基丁逆向工程的自由曲面模型重建技术研究图4．30投影预览Fi94—30ProjectorPreview图4-31拉伸曲面Fi酣-31Extrudesurface2)创建拉伸曲面与分模线的交点。选择曲面作为草绘平面绘制草绘曲线。同样的方法创建其他曲线，构建方法与前面基本相同如图4．32所示，用做好的曲线来构建各个大面完成模型如图4．33所示。39 图4．32绘制曲线Fi斟一32Drawingshapecurve图4-33完成模型Fi酣一33Completemodel4．3．4曲面检测检验重建后的高尔夫球杆头与原始点资料的误差及其平顺度。曲率误差分析，如图4—34所示，其平均误差在+0．08mm．0．06mm之间，见表4一l所示。图4．35为顶面的曲面平顺度【33】。霸尊翳耘翻嘲纂嘲麟翻缓氩擘警§td铷陬薯。窿薯誊ll}岔善躜臻薄蠹纛藉臻l拜毒-冀璺学，鼢潍--4薯≥；79崦巷《125瑶l罩，；lh嚣jj矗-·蕊t鲁渣§tt磐[象244密j●，”L奈t·e孽馕i薯季毒誊l蒜霪秀2毒羞i翳，jl弓，黪如獭“-翻妇氟镰5r—一_1I一⋯一一?一．“⋯⋯⋯⋯⋯～：擎锄‰锄勉嚣；黼韵缴觑帕簖嘲k蠢__缴k蟹瞻锸隗越鞑’●Z黝棼麓黝嚣，簟嘲番l∞嚣。Q幽}捆椭移懒-I∥翩满，眺黜‰麓J。乏∥—一：簪犰黼nimbi睫麓0蚌粕嘲自-—_—_———雌卿蝴¨—————捌岫1一||||||||||j||||||||j||||||||||||||||||j 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究表4．3高尔夫球杆头曲面误差分析TaM一3Golfclubheadsurfaceerroranalysis4．4小结图4．35顶部曲面平顺度Fi酣-35TopSurfaceSmoothness本章介绍了逆向工程中简易及复杂自由曲面实物模型构建的方法，并进行了相互比较，根据现有的实验条件，选择三坐标测量机作为实物数字化的设备。对锅手柄和高尔夫球头分别进行了空间点云数据的测量，在此基础上对点云数据进行了合并及滤除杂点的处理，并提出了空间自由曲面重建的连续性问题，并且对重构的曲面进行曲面误差的测量分析，尽量使其连续性达至G2，这是自由曲面模型逆向设计过程中的一个重要环节。41 陕西科技大学硕士学位论文 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究5逆向工程复杂及连续造型实例说明复杂造型及连续造型则需要建立出架构曲线，依据此构架曲线作为各个曲面的边界资料，将每片曲面建构出来。通常架构线的规划对于整个CAD模型重建的成败影响非常大，因此曲线重建的重要性由此可知。以游戏手柄为例说明模型重建过程。游戏手柄为错纵复杂的自由曲面，原始网格资料如图5．1所示。要建立一个复杂曲面模型往往较为困难，主要在于点资料的量测、定位、滤除、曲线曲面建构、曲面接合都必须依不同的情况作处理1341。5．1游戏手柄的CAD5．1．1多面模型处理在建模型前，可以对输入的多面模型进行基本处理，以提高精度和质量。(1)插入多面模型执行菜单栏中的“文件一新建”命令，在弹出“新建"对话框中输入文件youxijishoubing，使用公制单位，单击“确定"按纽后完成操作。执行菜单栏中的“插入一小平面特征"命令，打开附书光盘的game．stl文件，在弹出的“输入选项"对话框中使用默认设置，得到一个多面模型如下图5．1所示：图5-1插入多面模型Fi95-·1Insertthemulti-·facetedmodel(2)模型的细化1)初步整理模型在“小平面特征"工具栏中单击“整理，，按钮圈，在弹出的“整理”对话框中选择“机械"模式，单击“确定"。如下图5—2所示：43 陕西科技大学硕士学位论文45．2设置整理模式Fi95-2Setordermode2)精整模型在“编辑”工具栏中将选取方式设置为“套索"方式，然后在模型中按照如图5．3所示选取部分小平面。在“小平面特征”工具栏中单击“精整”按钮因，在弹出的“精理"对话框的“精整算法”图5．3选取部分小平面Fi疹·3Selectthesmallplane选项中选择“4X分舱’’项，单击“确定"选中部分将被细化，如下图5—4所示图5_4将选中部分进行细化Fi莎-4Ref'metheselectedpart5．1．2创建基础轮廓(1)创建内部曲面1)绘制主轮廓在“基准"工具栏中单击“基准平面工具"按钮口，然后选取TOP平面作为参照平面，向上平移“70．O"，创建出DTMl平面，单击“草绘工具’’按钮氍，选取DTMl平面作为草绘平面，根据多面体的轮廓形状绘制轮廓曲线，如下图5—5所示。 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究图5．5绘制轮廓曲线Fi95-5Contourdrawing图5-6创建另外两个基准点Fi95-6Createtheothertworeferencepoints2)创建基准特征在“基准"工具栏中单击“基准点工具"按钮A，然后选取圆形轮廓线作为参照对象，将参照方式设置为“中心’’，创建基准点PNT0。再以模型上选取手柄内侧的小平面顶点作为参照，创建出基准点PNTl，同样在手柄前端创建两个基准点，如图5。6所示。在“基准”工具栏中单击“基准平面工具”按钮刀，然后选取FRONT平面和点PNT0作为参照对象，创建基准平面DTM2。3)绘制草图曲线在“基准"工具栏中单击“草绘工具"按钮衢，然后选取TOP平面作为草绘平面。进入草绘模式后，选取DTMl平面和点PNTl、PNT2作为参照对象，绘制一个圆，如图5．7所示。图5．7绘制一个圆Fi95-7Drawacircle4)创建基准点图5．8绘制旋转轮廓Fi95—8Drawcontourrotation草图绘制完成后，在该圆弧的中心位置创建一个基准点，再在DTM2平面和圆弧曲线相交位置创建一个基准点。5)创建旋转曲面在“基础特征"工具栏中单击“旋转工具"按钮弗，在操控板中将旋转类型设置为“曲面”，然后选取DTM2平面作为草绘平面。进入草绘模式，根据多面模的轮廓，绘制半个椭圆，如图所5．8示：草图绘制完成后，将轮廓旋转360。，创建出一个封闭的曲面，在操控板中单击“应用”按钮；y|，完成操作。45 陕西科技大学硕+学位论文6)创建拉伸曲面在“基础特征’’工具栏中单击“拉伸工具”按钮矽，将拉伸类型设置为“曲面"，然后选取DTMl平面作为草绘平面。进入草绘模式后，选取之前绘制的主轮廓线作参照，绘制一端样条曲线，草图绘制完成后，将轮廓向下拉伸，深度为“110．0"如下5．9图所示。图5—9创建拉伸曲面图5．1搬影预览Fi茚-9CreatetensilesurfaceFi95—10ProjectorPreview7)合并曲面选中拉伸曲面和旋转曲面，执行菜单栏中的“编辑一合并"命令，将两个曲面合并。(2)创建上表面轮廓1)创建图影曲线执行菜单栏中的“编辑一投影"，在操控板中打开“参照’’选项卡，选取曲线作为投影链，再选取TOP平面作为投影平面，选取Y轴为投影方向，单击“反向方向"按钮，投影预览如图5．10所示。在操控板中单击“应用"按钮，l，完成操作。2)创建参照曲面执行菜单栏中的“分析一测量一距离”命令，测量TOP平面到凸起边缘的距离，得到结果为“31．30"。在“基础特征’’工具栏中单击“拉伸工具"按钮矽，在操控板中将拉伸类型设置为“曲面"。选取TOP平面作为草绘平面，进入草绘模式后，抽取曲线作为拉伸轮廓。草图绘制完成后，将轮廓向上拉伸，深度为“31．30"如图5—1l所示，最后在操控板中单击“应用"按钮；yl，完成操作，效果如图5—12所示 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究图5-11设置拉伸深度Fi95-11Setstretchdepth图5．12拉伸深度和方向Fi95-12depthanddirectionofthetensile继续创建参照曲面，使用TOP平面作为草绘平面，抽取轮廓线进行拉伸。拉伸方向向上，深度为“60"，拉伸的深度需要超过多面模型的高度，这样才能保证轮廓曲线的顺利创建。使用同样的方法，选取TOP平面作为草绘平面，进入草绘模式后，根据轮廓线绘制一段两侧对称样条线。草绘完成后，将拉伸方式设置为“以指定深度值拉伸"，打开“选项"选项卡，在“第二侧”下拉列表中选择“盲孔"项，设置拉伸深度，在操控板中单击“应用"按钮y；，完成操作。3)创建造型曲面在“基础特征"工具栏中单击“造型工具’’按钮幽，进入草绘模式。将多面模型显示出来。在菜单栏中执行“造型一曲线”命令，绘制如图5．13所示的曲线，扑捉多面模型的两个点为插值点。曲线创建完成后，将其与模型相交端的约束方式设置为“法向”参照平面为TOP面。图5．13绘制自由曲线Fi莎-13Drawfree-formcurve将多面模型隐藏起来。继续使用“曲线”命令，将依附曲线类型为COS，在两个参照去面上绘制出轮廓曲线，如图5．14和图5．15所示。注意曲线的端点应与曲面边界相交。47 陕西科技大学硕+学位论文 基于逆向_T程的自由曲面模型重建技术研究选中造型曲面和拉伸曲面，执行菜单栏中的“编辑—合并”命令，保留内侧部分，在操控板中单击“应用”按钮；y|，完成操作，选中内侧拉伸曲面和合并后的曲面，执行菜单中的“编辑一合并’’命令，在操控板中单击“应用"按钮；y；，完成操作，如图5—19所示。图5．19曲面合并Fi95—19surfacemerge图5．20创建变半径倒圆角Fi95—20Createavariableradiusfillet6)边倒圆角曲面和并完成后，选中如图5．20所示的曲面边，创建变半径倒圆角，内侧半径为2．0，外侧半径为10．0，在操控板中单击“应用”按钮y}，完成操作。(3)创建下表面轮廓1)创建相交曲线选中旋转曲面和DTM2平面，执行菜单中的“编辑一相交"命令，创建出一条相交曲线，如图5．21所示。使用同样的方法，选中拉伸曲面和DTM2平面，创建出另一条相交曲线如图5．22所示。图5．21第一条相交曲线Fi95-21thefirstintersectioncurve5-22第二条相交曲线Fi驴-22asecondintersectioncurve2)建基准点在“基准"工具栏中单击“基准点工具”按钮^，然后选取小平面顶点作为参照对象，在多面模型的边缘上创建多个基准点，如图5．23所示。选中旋转曲面上的曲线和中间的基准轴作为参照对象，在其相交出创建一个基准点。49 陕西科技大学硕士学位论文图5-23在多面模型边缘上创建点图5—2徽影预览Fi95—23inmulti-surfacemodeltocreatepointsFi95—24ProjectorPreview3)创建投影曲线执行菜单栏中的“编辑—投影"命令，在操控板中打开“参照"选项卡，在下拉列表中选择“投影草绘”项，然后选取RIGHT面作为草绘平面。进入草绘模式后，选取DTM2平面和基准点作为参照对象，绘制一段样条曲线。草图绘制完成后，选取拉伸曲面作为投影曲面，将投影方向设置为X轴方向，如图5．24所示，在操控板中单击“应用"按钮；y；，完成操作。4)创建第一个造型曲面在“基础特征’’工具栏中单击“造型工具"按钮∞，进入草绘模式。将多面模型显示出来。使用“曲线"命令，绘制如图5—25所示的两条轮廓曲线，经过多面模型的曲线其插值点必须扑捉到多面模型上。轮廓曲线绘制完成后，通过多面模型在轮廓曲线中间绘制两条结构曲线，如图5—26所示。注意曲线的端点必须根据位置设置约束关系。图5-25绘制结构曲线图5．26绘制轮廓曲线Fi95—25DrawingstructureCUl'VeFi95-26Contourdrawing在“造型工具”工具栏中单击“从边界曲线创建曲面’’按钮阎，然后依次选取如图5—42所示的4条曲线作为轮廓线，再选取中间的自由曲线作为内部曲线，如图5-43所示。创建出一个造型曲面，单击“退出当前造型特征”按钮y，推出造型模式。5)创建第二造型曲面进入造型模式，使用“曲线"命令，绘制如图5—27所示的两条轮廓曲线，经过多面模型的曲线其插值点必须捕捉到多面模型上。轮廓曲线绘制完成后，通过多面模型的轮50 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究廓曲线中间绘制多条结构曲线，如图5-28所示。图5-27绘制轮廓曲线图5．28绘制结构曲线Fi莎-27ContourdrawingFi95—28Drawingstructurecurve在“造型工具"工具栏中单击“从边界曲线创建曲面"按钮汹，然后依次选取的4条曲线作为轮廓线，再选取中间的自由曲线作为内部曲线，创建出一个造型曲面，单击“退出当前造型特征”按钮y，推出造型模式【，sl。6)裁剪曲面为保证曲面的质量，须对曲面进行裁剪。在“基础特征"工具栏中单击“拉伸工具”按钮，将拉伸类型设置为“曲面’’，然后选取TOP面作为草绘平面，进入草绘模式后，选取造型曲面的端点作为参照对象，绘制两条直线，如图5—29所示。草图绘制完成后，单击“去除材料”按钮，将轮廓向上拉伸，裁剪方向和拉伸深度在操控板中单击“应用"按钮；y；，完成操作。图5．29绘制拉伸轮廓Fi95—29Contourdrawing图5．30创建造型曲面Fi莎一30Createshapesurface继续使用拉伸工具，将拉伸类型设置为“曲面"，选取DTM2平面作为草绘平面。进入草绘模式后，绘制所示的一段直线。草绘完成后，选取上部合并曲面作为裁剪对象，将其多余的部分裁剪掉。7)创建第三个造型曲面进入造型模式，在“造型工具"工具栏中单击“从边界曲线创建曲面”按钮因，然后依次选取如图5．30所示的4条曲线作为轮廓线，创建出一个造型曲面。使用“曲线”命令，在如图5．31所示的两点间绘制一段曲线，曲线绘制完成后，还需要调整曲线的端点约束条件，使用线连接顺滑。5l 陕西科技大学硕士学位论文图5．31绘制轮廓曲线Fi95—31Contourdrawing图5．32绘制内部曲线Fi庐一32Withinthecurvedrawn将多面模型显示出来，然后在其表面上根据轮廓走向绘制一条曲线，如图5．32所示。注意曲线的两端要与已有曲面要相切。在“造型工具"工具栏中单击“从边界曲线创建曲面”按钮围，然后依次选取如图5．33所示的4条曲线作为轮廓线，再选取刚才绘制的曲线作为内部曲线，创建出一个造型曲面。单击“退出当前造型特征"按钮y，推出造型模式。图5-33创建造型曲线Fi95—33Createshapesurface8)合并曲面选中下表面轮廓的两个造型曲面，图5．34合并造型曲面Fi95-34Combinedsurfacemodeling执行菜单栏中的“编辑—合并"命令，并，如图5．34所示。合并完成后，将造型曲面隐藏起来，然后旋转观察模型，在曲面的过渡处有不合理的地方，需要再处理，如图5—35所示。将他们合可以发现图5．35检查曲面质量Fi95—35Surfacequalityinspection9)裁剪曲面在“基础特征"工具栏中单击“拉伸工具"按钮宙，将拉伸类型设置为“曲面”，52 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究然后选取TOP面作为草绘平面，进入草绘模式后，在造型曲面连接线处绘制封闭轮廓线。草图绘制完成后，将轮廓向上拉伸，将刚才合并后的造型曲面进行裁剪，在操控板中单击“应用"按钮；yl，完成操作。10)创建连接曲面在“基础特征"工具栏中单击“造型工具’’按钮钠，进入草绘模式。使用“曲线"命令，在曲面空缺处绘制若干条曲线，如图5—36所示，曲线绘制完成后，对其进行编辑，将曲线的端点约束方式设置为“曲面相切”。在“造型工具”工具栏中单击“从边界曲线创建曲面"按钮阉，然后依次选取如图5．37所示的4条曲线作为轮廓线，再选取刚才绘制的曲线作为内部曲线，创建出一个造型曲面，如图5．38所示，单击“退出当前造型特征”按钮，，推出造型模式136]。图5．36绘制结构线图5．37选取轮廓线图5-38选取内部曲线Fi庐-36DrawingstructurelineFi95—37SelectContourFi95—38Selecttheinternalcurve(4)建立实体模型上下两个部位的轮廓线创建完成后，将其镜像到另一侧，然后创建一个封闭的曲面体，进行实体化操作后得到实体模型。1)第一组曲面合并选中刚才创建的造型曲面和原有的合并曲面，执行菜单栏中的“编辑一合并’’命令，将它们合并起来，再将下表面轮廓中的第一个造型曲面与后面的造型曲面合并起来，最后将上、下表面轮廓曲面进行合并，形成完整的手握部分，如图5．39所示，此时可以使用曲率分析方法来查看曲面的质量。图5。39合并曲面Fi95—39Combinedsurface53图5_40合并曲面Fi西_40Combinedsurface 陕西科技大学硕：t二学位论文2)修剪曲面选中旋转曲面，执行菜单栏中的“编辑一修剪"命令，使用DTM2平面作为修剪对象，在操控板中单击“应用"按钮，完成操作。使用同样的方法，使用DTM2平面作为修剪对象，将拉伸曲面进行修剪。3)第二组曲面合并选中合并后的造型曲面和拉伸曲面，执行菜单栏中的“编辑—合并"命令，将它们合并起来，再将刚才的合并曲面和旋转曲面合并起来，如下图5．40所示，此时就形成了没有内部交叉曲面的模型[3rl。4)镜像曲面组在选取过滤器中选取“面组"项，然后选中合并得到的面组，执行菜单栏中的“编辑一镜像”命令，选取DTM2平面作为镜像面，将其合并面组镜像到另一侧。如图5-41所示。图5_4l镜像曲面到另一侧Fi萨41Totheothersideofthemirrorsurface5)选中镜像出的曲面和原有曲面组，执行菜单栏中的“编辑一合并"命令，将其合并为一个面组。6)选中合并后的曲面，执行菜单栏中的“编辑一实体化”命令，将封闭曲面体进行实体化。7)边倒圆角使用“倒圆角”命令，选中模型上的两个尖角，创建值为“2．0"的倒圆角，继续创建倒圆角，选取边创建值为“2．0"的倒圆角，最后在前端边缘和内侧边缘创建倒圆角，值为“2．0’’，倒圆角完成后，将多面模型显示出来，即可观察到重建的基础实体轮廓与多面模型之间的重合情况。对重合差异较大的部分可以再调整。5．1．3创建局部特征(1)创建线管部分1)复制曲面在选取过滤器中选择“几何”项，然后选取两个曲面片，再执行菜单栏中的“编辑一复制"和“编辑一粘贴"命令，使用默认的设置，在操控板中单击“应用"按钮 基丁逆向工程的自由曲面模型重建技术研究；y|，完成操作。2)创建基准平面在“基准"工具栏中单击“基准平面工具”按钮日，然后选取TOP平面作为参照平面，向下平移“80．0”，创建出基准平面DTM3。将多面模型显示出来，执行菜单栏中的“分析一测量一距离”命令，选取DTM3面和多面模型上的一条小平面边，得到直线距离为“44．0"。3)切割模型在“基础特征’’工具栏中单击“拉伸工具’’按钮司，然后选取DTM3面作为草绘平面，进入草绘模式后，根据多面模型的形状绘制轮廓。草图绘制完成后，将轮廓向下进行切割拉伸，深度为刚才测量的44．0，最后在操控板中单击“应用’’按钮；y；，完成操作。4)创建基准点为了使绘制的模型更精确，还需要在模型上再创建参照基准点。在“基准"工具栏中单击“基准点工具"按钮^，然后选取多面模型上线管处的小平面顶点作为参照对象，创建出两个基准点，如图5．42所示。I蜀5-42创建基准点Fi驴．42Createareferencepoint图5_43设置旋转角度Fi95-43Settherotationangle5)创建旋转曲面在“基础特征”工具栏中单击“旋转工具”按钮弗，在操控板中将旋转类型设置为“曲面"，然后选取DTM2平面作为草绘平面。进入草绘模式，根据基准点的位置，绘制轮廓草图绘制完成后，将其双向旋转“180。”，如图5—43所示。在操控板中单击“应用"按钮；，l，完成操作。6)合并曲面选中复制出的曲面片和旋转曲面，执行菜单栏中的“编辑—合并"命令，将它们合并起来，合并方向向内侧，如图544所示。 陕西科技火学硕+学位论文图544合并两个曲面Fi莎44Mergingofthetwosurfaces7)实体化操作选中合并后的曲面，执行菜单栏中的“编辑一实体化’’命令，实体化方向向内侧，单击鼠标中间完成操作。8)变半径倒圆角使用“倒圆角"命令，选取旋转轮廓的内侧边进行倒圆角操作。在变链上使用变半径方式，内侧值为“1．5”，外侧为“6．o”，如图5_45所示。完成倒圆角操作后，可以将多面模型显示出来，观察圆角半径是否正确，如果差距较大，可以调整继续创建倒圆角，在内外侧边上创建值为“1．5"的倒圆角，效果如图5．46所示。图5—45变半径倒圆角Fi95-45Variableradiusfillet(2)创建前端装饰特征1)测量几何尺寸图5-46矿q外侧边倒圆角效果FigS-46Sideeffectsinsideandoutsidefillet将多面模型显示出来，执行菜单栏中的“分析一测量一距离"命令，首先测量凸台部分的高度，得到尺寸为“5．08"。再测量椭圆的半径，得到尺寸为Rx58．0，Ry18．0。2)创建凸台将多面模型隐藏起来，然后选取如图5_47所示的两个曲面片，执行菜单栏中的“编辑一偏移”命令，在弹出的操控板中将偏移方式设置为“拔模偏距"，打开“参照”选项卡，单击“定义”按钮。 基于逆向T程的自由曲面模型重建技术研究图5—47选取偏移曲面Fi95-47Selecttheoffsetsurfac宅选取RIGHT平面作为草绘平面，进入草绘模式后，绘制一个椭圆，椭圆尺寸与测量尺寸大致相等即可。草图绘制完成后，将轮廓向外侧偏移，尺寸为“5．0"拔模角度为“2．0”，在操控板中单击“应用"按钮；y{，完成操作。3)边倒圆角使用“倒圆角”命令，选中凸台的边缘创建值为“2．0”的倒圆角，在操控板中单击“应用"按钮；yl，完成操作。4)测量几何尺寸将多面模型显示出来，执行菜单栏中的“分析一测量一距离"命令，首先测量DTM2平面到条纹最远边的距离，得到尺寸为“47．44"。再测量条纹的宽度为5．0和间距为15．25。5)创建基准平面在“基准"工具栏中单击“基准平面工具"按钮口，然后选取DTM2平面作为参照平面，平移“45．0”，创建出DTM4基准平面。6)创建相交曲面选中凸台上的全部曲面和DTM4平面，执行菜单栏中的“编辑一相交"命令，创建出相交曲线，如图5．48所示。图5-48创建相交曲线Fi95—48Createintersectingsurfaces7)创建扫描特征在“基础特征"工具栏中单击“可变剖面扫描工具”按钮，在操控面板中打开“参57 陕西科技大学硕士学位论文照"选项卡，按照如图5-49所示进行设置在操控板中单击“创建或编辑扫描剖面’’按钮，进入草绘模式，绘制矩形。草图绘制完成后，在操控板中单击“应用"按钮；y{，得到如图5．50所示效果。图5-49／殳置扫描参照图5．50得到扫描效果Fi驴-49SettingscanreferenceFi莎-50Scancompleted8)阵列特征在模型树中选中后3个特征，然后执行右建快捷菜单中的“组"命令，将其合并为一个组，选中刚才创建的组，再执行右键快捷菜单中的“阵列"命令。在显示的尺寸中选取“45’’，然后操控板中的“尺寸"选项卡中将尺寸增量修改为“15．0"，根据多面模型中条纹的数量和测量得的尺寸值，在操控板中输入阵列数量“7"，在操控板中单击“应用"按钮}yi，完成操作。将多面模型显示出来后可以观察模型的情况，如果不合理可在进行修改，如图5．51所示。图5—51阵列操作效果图5-52绘制拉伸轮廓Fi95-51ArmyoperatingresultsFi95·-52Contourdrawing9)切割前端缺口首先选取RIGHT平面作为参照平面，平移“130．0”，创建出基准平面DTMll，在“基础特征”工具栏中单击“拉伸工具”按钮矽，选取刚才创建的基准平面作为草绘平面，进入草绘模式后，根据多面模型的轮廓，绘制如图5—52所示的拉伸轮廓，草图绘制完成后，将轮廓向内侧切割拉伸，深度为“44．0"在操控板中单击“应用"按钮iy{，完成操作【，s】。58 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究5．1．4创建摇杆和按钮部分1)切割标贴位置在“基础特征”工具栏中单击“拉伸工具"按钮目，然后选取DTMl平面作为草绘平面，进入草绘模式后，抽取已有的草图的轮廓作为拉伸轮廓，如图5—53所示。草图绘制完成后，将模型向下切割拉伸，深度为“46．0”。图5—53抽取拉伸轮廓Fi莎一53Contourextractionstretching2)倒圆角操作执行“倒圆角”命令，选取边进行倒圆角操作，圆角值为“2．0"，在操控板中单击“应用”按钮，!，完成操作。3)切割按钮位置继续使用“拉伸’’命令，选取DTMl平面作为草绘平面，进入草绘模式后，根据按钮孔的位置，绘制拉伸轮廓，草图绘制完成后，将轮廓向下切割拉伸，深度为“58．0"，在操控板中单击“应用"按钮；y{，完成操作用同样的方法，选取DTMl平面作为草绘平面，根据手握处多面模型的形状绘制两个椭圆，完成后将其向下切割拉伸，深度为“57．0"，在操控板中单击“应用"按钮；yi，完成操作。使用同样的方法，选取DTMl平面作为草绘平面，根据大按钮处多面模型的形状绘制一个圆，完成后将其向下切割拉伸，深度为“62．O"，在操控板中单击“应用”按钮yl，完成操作。4)创建摇杆凸台使用同样的方法，选取DTMl平面作为草绘平面，根据多面模型的形状绘$1J4个圆，完成后将其向上拉伸，深度为“55．0"如图5．54所示，在操控板中单击“应用"按钮；y|，完成操作。凸台拉伸完成后，再以凸台上表面作为草绘平面，抽取其内侧轮廓进行切割拉伸，左摇杆孔的拉伸尺寸如图5．55所示，右摇杆孔的拉伸尺寸为2l。5)边倒圆角执行“倒圆角"命令，然后对左侧的摇杆轮廓进行倒圆角操作，尺寸为“2．0”，使用同样的方法，在右侧的摇杆边上创建倒圆角，尺寸为“3．0”。继续进行倒圆角操作，59 陕西科技大学硕士学位论文选取小按钮孔的边缘创建圆角，圆角值为“1．5"，在操控板中单击“应用"按钮；yl，完成操作。图5．54拉深摇杆凸Fi95-54Convexdrawingrocker图5．55内控切割深度Fi95—55Cuttingdepthoftheinternalcontrol6)创建线控在“基础特征"工具栏中单击“拉伸工具”按钮p，然后选取DTMll平面作为草绘平面，进入草绘模式后，根据多面模型的形状绘制一个圆，草图绘制完成后，将其向内侧切割拉伸，深度为“67．0’’，在操控板中单击“应用”按钮y{，完成操作。使用同样的方法，选取刚才使用过的平面进行草绘，选取上一步操作切割的控作为参照，绘制一个圆，如图5．56所示。草图绘制完成后，将其向内侧切割拉伸，深度为“48．0"，在操控板中单击“应用"按钮yl，完成操作。图5—56绘制拉伸轮廓图5—57重建完成的模型Fi95·-56ContourdrawingFi95·-57Theredevelopmentmodel此时模型的重建工作基本完成，将多面模型隐藏起来，得到如图5—57所示的游戏手柄模型。5．2检查曲面间的连续性为了进一步了解曲面间连续性的好坏，如图5．58以曲面反射线显示来说明～般曲面嵌合的结果与曲面连续性嵌合结果的差别。从曲面反射线可看到反射线有连续过渡的表现，曲面问达到所需的接近G2连续的结果。若经过检查的结果发现反射线不连续或是反射线抖动，说明曲面间连续性不足或是曲面质量无法达到要求，即必须返回前述步骤检查需修改的地方予以改善，直到曲面的质量达到所需的要求。 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究图5—58曲面反射线结果Fi95—58Surfacereflectionlineresults5．3小结可以检测点云数据和CAD模型的距离来比较差异，在逆向过程中，我们从产品的实物模型，重建得到了产品的CAD模型，根据这个模型，一方面可以对原产品进行仿制或者重复制造，另一方面可以对原产品进行工程分析、优化结构，实现改进、创新设计。这两个方面都要考虑重构的CAD模型与实物之间的误差问题。在产品逆向模型重建过程中，从形状表面数字化到CAD建模都会产生误差，评价一个逆向工程的精度或误差大小，通常采用的做法是将最终的逆向制造产品与原实物进行对比，计算其之间的总体误差来判断决定逆向工作的有效性和准确性，这个工作可以通过坐标测量机来实现。但如果产品外形太复杂，那么两个产品的直接测量比较就存在困难，应寻求一种间接的比较或检验方法。可以将精度评价分为两个过程，一是比较实物模型和CAD模型的差异，即检测重建得到的模型和实物样件的误差大小；二是检验制造产品和CAD模型的差异，即检测根据模型制造的零件是否与数学模型相吻合，两个过程的精度相加即为逆向工程的总精度或总误差61 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术研究6结论及未来发展6．1结论逆向工程中的CAD建模涉及到众多研究领域，其理论和方法无论从加深对三维物体识别理解的理论角度还是从工程设计的实践角度都具有重要的意义。正因为如此，它得到了国内外研究者的广泛关注和投入。由于初次接触经验不足，而且本次设计不是以精度还原为目标，因此设计得到的模型和原来模型的误差还是可以接受的。随着社会的不断发展，科技的不断进步，人们对玩具外形、款式、设计的追求也有所提高。采用逆向工程来开发设计玩具将更有利于我们对产品的改进，很大程度上提高了生产效率、缩短设计周期，为企业赢得更强的竞争力，适应市场的快速反应。逆向工程结合产品设计，适合用在复杂的自由曲面上，弥补正向工程的不足。逆向工程建构的CAD模型可以快速的产生产品的设计，并作为产品设计的依据，更可以使用逆向工程来达到复制品作局部的外型变更设计。本研究中举了三个例子，以不同的曲面建构方式来完成模型的建构，设计方式使得模型造型能用最自然及直觉的方式制作及修饰产品。配合快速原型制造运用于新产品开发时，可减短制作时间，缩短成本和改进产品藉以提高产品的竞争力。在曲面建构时，会依不同的实物模型而有不同的曲率误差及平顺度要求，其要求越精确的CAD模型，则构建越费时，所建构的曲面平顺度越差。本研究以第五章的实例说明对于模型重建过程中遇到的问题总结如下：(1)做些较复杂产品的曲面时，首先把分模面(PLS)做出来，然后再把产品外形线投影至UPLS面上，根据投影线来做面，这样可以保证产品的精确度符合出模要求，做产品时曲面越少越好，初始大面如果用边界、扫描等工具生成；边界线或轨迹线最好是整条，不是整条的情况尽量逼近一下以减少曲面的碎块。(2)做面时不一定是线越多越精确，主要根据面的趋势来做线，在曲率变化大的地方一定要做线，线分布越均匀做出曲面的效果越好。(3)Imagewarel2软件主要是用于处理抄数机抄出的数据比较快，处理出想要的轮廓线或特征线，然后转IGS数据到Pl的．E里做面，如果有些IGS文件过大，就要分成多个IGS文件再转到PRo．E里面做，这样运行的速度会快很多，Imagewarel2截取剖面时线不要太密，线太密会导致Pro／E环境中运行很慢。(4)区域分割：目前逆向工程中较为困难的步骤，点数据不平顺时，计算的区域特征也会不明显，使得点数据无法明确的进行区域分割。而若是实物模型为一个多复杂自由曲面模型，也有分割的困难。(5)曲面的平顺度：影响构建的曲面平顺度主要包括点数据本身的平顺度、曲线的平顺度、点数据区域分割、曲面控制点的数目。63 陕西科技大学硕士学位论文实物模型与CAD模型的误差主要有以下方面：在重构计算中，常以精确度及平顺度为考虑，若是要以平顺度为主要考虑，则构建的CAD模型会产生较大的误差，记为计算误差△计；在对实物原型测量时，测量仪器有一定的分辨率，分辨率的高低及测量的密度都会影响到重建后的CAD模型的误差，记为测量误差△舅；在制造阶段，逆向工程依据重构参数制造产品产生制造误差△嗣：建立以精度还原为目标，集成于逆向工程系统的质量控制模型。6．2未来展望如何有效的找出点数据边界，能更精准的做点数据区域分割，是值得研究的一个步骤。如何提升再生技术，重视模型的再生工程，可以提供逆向工程未来发展方向。近代CAD／CAM技术发展迅速，工业界对于产品的开发需求也远超过以往，逆向工程扮演着快速还原产品原型CAD模型的任务也越见急迫。以往工业界可花数周或数月时间进行逆向重建，以求CAD模型质量达到需求，近年来由于产业竞争、产品越见复杂、开发及生产时程压缩等原因，属于开发环节的逆向重建也被压缩到只剩一半以内的时间，甚至希望以自动化或客制化来节省人力成本。因此传统逆向功能的重建技术仍须持续发展外，自动化逆向重建技术的加强仍为业界所期盼。以下为与本研究相关的未来展望：(1)逆向工程基于一个实物原型来构造它的设计概念，通过对重构模型特征参数调整和修改达到对实物原型的逼近或修改，进而确定实物模型的技术指标及其几何元素之间拓扑关系，以满足生产需求。(2)对测量数据进行必要修正，内容包括剔除测量过程中粗大误差，修正测量值中明显不合理的测量结果，按拓扑关系定义，修正各几何元素的空间相互位置与关系。(3)发展剪切曲面缝合至其它曲面的算法，需得调整未剪切曲面内部的控制点甚至需新增控制点才能达到所需连续性。曲线依误差嵌合并保有平滑性与连续性则为进阶的理论研究。(4)曲面嵌合时，若点资料与初始曲面距离太远或工件造型过于扭曲，利用点到曲面最短距离有可能无法有效描述点与曲面位置的正确相关性，点资料初始化不当，有时会造成嵌合后控制点分布不佳的情形，此部分还有可改善的空间。(5)曲面连续性嵌合目前是嵌合出B．spline面，边界条件需四条曲线，若有多条曲线时，需发展剪切曲面的曲面连续性嵌合。配合点资料、多条边界曲面以及与相邻曲面的连续性，嵌合得到曲面。 基于逆向T程的自由曲面模型重建技术研究致谢诚挚感谢指导老师高东强教授，在我硕士学习期间悉心的指导，并以专业的研究态度，让我学到不只是学业上的知识，更有待人处世及处理事物的正确态度，使得本论文的研究得以实现。高老师活跃的学术思想、求实的工作作风，高度的责任心，积极向上乐观豁达的人生态度深深地启迪了我，在此我对高东强教授的培养表示最诚挚的感谢和最崇高的敬意。在研究生学习期间，感谢陕西工业职业技术学院刘锡锋老师对我的课题给予了指导和帮助，在此表示感谢。感谢所有在学习生活及论文完成中给予我关心、支持和帮助的老师与同事。最后，感谢我的父母、家人多年来对我的理解、支持与鼓励。65 L 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