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

1、 支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重建模型表達(dá)與建模方法研究*金濤 童水光（大學(xué)化工機(jī)械研究所， 310027）摘 要：本文提出了一種支持模型再設(shè)計(jì)的基于幾何特征變量化的重建模型表達(dá)和重建方法。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的采用參數(shù)曲面表達(dá)和曲面直接擬合的造型方法得到的三維重建模型，不便于模型的修改和再設(shè)計(jì)，而基于特征變量化表達(dá)重建模型，能方便地對(duì)模型特征進(jìn)行修改，最終達(dá)到改變整個(gè)模型即產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)的目的。實(shí)現(xiàn)上述表達(dá)的重建方法是基于幾何特征與約束進(jìn)行模型重建，首先根據(jù)幾何特征類型，在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征與約束識(shí)別的基礎(chǔ)上，進(jìn)行特征數(shù)據(jù)分割；然后建立特征約束模型，通過(guò)求解模型得到滿足約束關(guān)系的對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的最佳逼近特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)原形與

2、原設(shè)計(jì)意圖的還原；最后再建立不同幾何特征的協(xié)同變形關(guān)系，使修改局部或單個(gè)特征時(shí)模型整體協(xié)同變形，達(dá)到對(duì)重建模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)乃至創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。關(guān)鍵詞：逆向工程 模型重建 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 基于特征 約束擬合1.引言運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行實(shí)物零件乃至整個(gè)實(shí)物的復(fù)制過(guò)程通常被稱為逆向工程(Reverse engineering)，逆向工程的思想最初是來(lái)自從油泥模型到產(chǎn)品實(shí)物的設(shè)計(jì)過(guò)程，目前逆向工程技術(shù)已成為消化吸收先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的重要手段。但在國(guó)，基于實(shí)物的逆向工程應(yīng)用最廣的還是進(jìn)行產(chǎn)品復(fù)制和仿制，尤其是外觀設(shè)計(jì)產(chǎn)品，因?yàn)椴簧媾c到復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)分析、材料、加工熱處理等技術(shù)反求難題，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。工作

3、流程一般為：基于CAD/CAM系統(tǒng)，在進(jìn)行數(shù)字化掃描、完成實(shí)物的3D重建后，通過(guò)NC加工或快速成型快速地制造出模具，最終注塑得到所需的產(chǎn)品。這個(gè)過(guò)程已成為我國(guó)沿海地區(qū)許多家用電器、玩具、摩托車等產(chǎn)品企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)模式，但在這些產(chǎn)品中鮮有自己的技術(shù)，多數(shù)是復(fù)制（copy）和仿制國(guó)外的產(chǎn)品。盡管許多企業(yè)不具備創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，更多的是學(xué)習(xí)和模仿，但如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)一昧的停留在模仿和仿制上，是沒(méi)有任何出路的，如果對(duì)方的產(chǎn)品是受專利保護(hù)的，則這種仿制還是一種侵權(quán)的行為。戰(zhàn)后日本通過(guò)先仿制美國(guó)與歐洲的產(chǎn)品，在采取各種手段獲取先進(jìn)的技術(shù)和引進(jìn)技術(shù)的消化、吸收的基礎(chǔ)上，建立了自己的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)體系，使經(jīng)濟(jì)迅速

4、崛起，成為僅次于美國(guó)的制造大國(guó)。德國(guó)在1998年提出：“德國(guó)不能采用產(chǎn)品降價(jià)的辦法來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力，而是要通過(guò)持續(xù)地創(chuàng)新出其他國(guó)家沒(méi)有的產(chǎn)品來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力”。實(shí)際上任何產(chǎn)品問(wèn)世，不管是創(chuàng)新、改進(jìn)還是仿制，都蘊(yùn)涵著對(duì)已有科學(xué)、技術(shù)的繼承和應(yīng)用借鑒，逆向工程通過(guò)重構(gòu)產(chǎn)品零件的CAD模型，可對(duì)原型進(jìn)行修改和再設(shè)計(jì)，這為產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)以與創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了數(shù)字原型，各種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)手段也為此提供了強(qiáng)有力的支持。因此，通過(guò)逆向工程，在消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立和掌握自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，即在copy的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)進(jìn)而創(chuàng)新，這是提升我國(guó)制造業(yè)的必由之路。本文先對(duì)模型重建、參數(shù)化和

5、變量化設(shè)計(jì)技術(shù)有關(guān)研究進(jìn)行了回顧，提出了重建模型的表達(dá)和重建方法。2 有關(guān)研究的回顧當(dāng)前應(yīng)用于產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)的逆向工程方法主要有兩種方式：一是由設(shè)計(jì)師、美工師事先設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的油泥或木制模型，由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)將模型的數(shù)據(jù)掃入，再建立計(jì)算機(jī)模型；另一種是針對(duì)已有的產(chǎn)品實(shí)物零件，經(jīng)過(guò)數(shù)字化測(cè)量和模型重建，獲得產(chǎn)品的數(shù)字模型，然后對(duì)這個(gè)數(shù)字模型進(jìn)行修改、再設(shè)計(jì)，以獲得一個(gè)與前面產(chǎn)品對(duì)象不同甚至完全不同的新的結(jié)構(gòu)外形，最終達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新之目的，基于逆向工程的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程見(jiàn)圖1。數(shù)字化模型重建再設(shè)計(jì)（創(chuàng)新設(shè)計(jì)）下游過(guò)程圖1 產(chǎn)品逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程逆向工程的基本過(guò)程包括：數(shù)字化、數(shù)據(jù)處理與整合、數(shù)據(jù)分割、曲

6、面擬合或插值、曲面片縫合成整體。實(shí)物的數(shù)字化是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目前的三維數(shù)字化方法，根據(jù)測(cè)量探頭或傳感器是否和實(shí)物接觸，可分為接觸式和非接觸式兩大類1。CAD模型重建之前應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，過(guò)程工作包括數(shù)據(jù)平滑、排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)、壓縮和歸并冗余數(shù)據(jù)、遺失點(diǎn)補(bǔ)齊、數(shù)據(jù)分割、多次測(cè)量數(shù)據(jù)與圖象的數(shù)據(jù)定位對(duì)齊和對(duì)稱零件的對(duì)稱基準(zhǔn)重建1.2。物體表面測(cè)量數(shù)據(jù)的分割方法一般分為兩類，一是基于邊界分割法，二是基于區(qū)域分割法。其中基于邊界的分割法首先估計(jì)出測(cè)量點(diǎn)的法向矢量或曲率，然后根據(jù)將法向矢量或曲率的突變處判定為邊界的位置，基于區(qū)域的分割法是將具有相似幾

7、何特征的空間點(diǎn)劃為同一區(qū)域1.2。CAD模型重建是逆向工程的關(guān)鍵，根據(jù)實(shí)物外形的數(shù)字化信息，可以將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)分成兩類：有序點(diǎn)和無(wú)序點(diǎn)（散亂點(diǎn)），由不同的數(shù)據(jù)類型，形成了不同的的模型重建技術(shù)。目前較成熟的方法是通過(guò)重構(gòu)外形曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)物重建，常用的曲面模型有Bezier、B-Spline、NURBS和三角Beizer曲面，采用的方法是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到實(shí)物的外形曲面。曲面擬合可以分為插值和逼近兩種方式。使用插值方法擬合曲面通過(guò)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，適合于測(cè)量設(shè)備精度高，數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)比較精確的場(chǎng)合；使用逼近的方法所擬合的曲面不一定通過(guò)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，適用于測(cè)量數(shù)據(jù)較多，測(cè)量數(shù)據(jù)含噪聲較高的情況。國(guó)外的研

8、究大多都集中于孤立曲面片擬合方法的選擇和算法的優(yōu)化上1-6 。上述的模型表達(dá)和曲面擬合方法已成為當(dāng)前模型重建的主要技術(shù)方法，并已應(yīng)用于商用逆向軟件，但這種技術(shù)方法在機(jī)械產(chǎn)品逆向工程的應(yīng)用上卻受到一定限制，在模型表達(dá)上，如果曲面是多個(gè)曲面片組成的復(fù)合曲面，采用自由形狀曲面表示時(shí)（如標(biāo)準(zhǔn)的B-樣條曲面），難以找到保證C0或更高階連續(xù)的分割曲線，而且用一簡(jiǎn)單的B-樣條曲面擬合整個(gè)曲面不能反映曲面的分段特性。為解決這個(gè)問(wèn)題，Pal Benko7提出了用B-Rep來(lái)表達(dá)重建模型，它根據(jù)零件外形曲面的特征，按照組成曲面的類型（如平面、Sweep曲面、Blend曲面等）分別進(jìn)行擬合，最終的模型還必須保證曲面

9、之間的約束如連續(xù)、相切等關(guān)系。這B-Rep表達(dá)為基于特征和約束的模型重建方法提供了理論基礎(chǔ)。因?yàn)槭褂脜?shù)曲面片的方式表達(dá)零件的幾何形狀，不能表達(dá)零件對(duì)象更高層次的結(jié)構(gòu)特征信息，同時(shí)由于在曲面擬合過(guò)程中沒(méi)有考慮特征間的約束關(guān)系和模型的整體信息，重建得到的數(shù)據(jù)模型沒(méi)有還原原形的幾何特征，這種表達(dá)對(duì)只要求提供零件的位置信息的下游應(yīng)用，如零件數(shù)控仿形、直接生成模具等，是基本合適的，但涉與到產(chǎn)品改型、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等，特別是自由曲面組成的外形，就存在編輯、修改的困難。因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)械零件產(chǎn)品都是按一定特征設(shè)計(jì)制造的，同時(shí)特征之間還具有確定的幾何約束關(guān)系，在產(chǎn)品的模型重建過(guò)程中，僅還原特征而忽略幾何約束，得到的產(chǎn)

10、品模型是沒(méi)有意義或是不準(zhǔn)確的8-12。因此基于特征與約束的模型重建方法就隨之而提出，可以這么認(rèn)為在機(jī)械領(lǐng)域，基于特征與約束的三維模型重建技術(shù)是逆向造型的一個(gè)發(fā)展方向。其關(guān)鍵技術(shù)有兩點(diǎn)：一是特征識(shí)別和抽取，二是在特征恢復(fù)時(shí)考慮特征間的約束關(guān)系。目前面向逆向工程的特征建模研究剛剛展開(kāi)，已進(jìn)行的研究多集中在應(yīng)用于數(shù)據(jù)分割的表面棱線、區(qū)域邊界和部分規(guī)則表面（平面、柱面）特征的識(shí)別上9.10，對(duì)自由曲面的重建，只是從曲面擬合的角度研究了旋轉(zhuǎn)15、掃成13.14、放樣16 曲面的重建問(wèn)題，尚無(wú)完整的特征建模方法，對(duì)面向逆向工程的特征定義、分類、特征數(shù)據(jù)模型定義、基于特征的模型測(cè)量規(guī)劃等則少有研究涉與。部分

11、研究考慮了特征間的約束關(guān)系，提出了處理簡(jiǎn)單約束關(guān)系，主要是規(guī)則幾何特征的位置約束的約束擬合方法11.17?；谔卣髋c約束的模型重建具有能捕捉和還原原設(shè)計(jì)意圖、準(zhǔn)確表述零件的幾何關(guān)系，CAD模型包含的幾何特征信息有利于后續(xù)的CAPP/CAM過(guò)程的特征識(shí)別、易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和零件的定位和裝配等優(yōu)點(diǎn)。但目前的基于幾何特征與約束的模型重建技術(shù)仍是以恢復(fù)和還原原形為目標(biāo)，目前模型重建的主要方式還是先擬合曲面片，然后再建立產(chǎn)品的曲面整體模型以與實(shí)體模型，這樣的建模方法對(duì)恢復(fù)原形是有效的，但如果我們要對(duì)CAD模型進(jìn)行修改或再設(shè)計(jì)，操作起來(lái)就顯得十分困難，這種模型孤立的曲面片表示與擬合就成為模型修改的瓶頸，因

12、此，這樣的建模方法和模型表示對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是不適宜的，應(yīng)尋求新的模型表達(dá)與建模方法。3 支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重建模型表達(dá)3.1 CAD造型技術(shù)回顧從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，CAD造型技術(shù)由線框、自由曲面，發(fā)展到目前仍占據(jù)主流的基于約束的實(shí)體造型技術(shù)，主要有以PTC 公司的Pro/E軟件為代表的參數(shù)化造型理論和以EDS公司的I-DEAS軟件為代表的變量化造型理論兩大技術(shù)流派。參數(shù)化造型是由編程者預(yù)先設(shè)置一些幾何圖形約束，然后供設(shè)計(jì)者在造型時(shí)使用，與一個(gè)幾何相關(guān)聯(lián)的所有尺寸參數(shù)可以用來(lái)產(chǎn)生其它幾何。采用參數(shù)化技術(shù)可以克服自由建模的無(wú)約束狀態(tài)，幾何形狀均可通過(guò)尺寸的形式來(lái)控制。如零件形狀需要修改時(shí)，只需改變尺寸

13、的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)形狀上的改變，尺寸驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為當(dāng)今造型系統(tǒng)的基本功能。變量化技術(shù)或稱變量化設(shè)計(jì)（Variational Design），它保留了參數(shù)化技術(shù)基于持征、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改的優(yōu)點(diǎn)，但在約束定義方面做了根本性改變，它將參數(shù)化技術(shù)中所需定義的尺寸“參數(shù)”進(jìn)一步區(qū)分為形狀約束和尺寸約束，而不是象參數(shù)化技術(shù)那樣只用尺寸來(lái)約束全部幾何，這樣就賦予了設(shè)計(jì)修改更大的自由度。兩種技術(shù)的根本區(qū)別在于是否要全約束以與以什么形式來(lái)施加約束。從應(yīng)用上來(lái)說(shuō)，參數(shù)化系統(tǒng)特別適用于那些技術(shù)已相當(dāng)穩(wěn)定成熟的零配件行業(yè)。這樣的行業(yè)，零件的形狀改變很少，經(jīng)常只需采用類比設(shè)計(jì)，即形狀基本固定，只需改變一些關(guān)鍵尺寸

14、就可以得到新的系列化設(shè)計(jì)結(jié)果。再者就是由二維到三維的抄圖式設(shè)計(jì)，圖紙往往是絕對(duì)符合全約束條件的。而變量化系統(tǒng)除了一般的系列化零件設(shè)計(jì)，比較適用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、老產(chǎn)品改形設(shè)計(jì)這類創(chuàng)新式設(shè)計(jì)。逆向工程的模型重建技術(shù)離不開(kāi)現(xiàn)有的CAD基礎(chǔ)理論，從上面的分析可以看出，如果重建模型選擇參數(shù)化或變量化表示，根據(jù)參數(shù)化和變量化技術(shù)的特點(diǎn)，它們都在一定程度上支持模型的修改設(shè)計(jì)，而且都具有方便的可操作性，滿足支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的模型表達(dá)的要求。3.2 基于參數(shù)化的重建模型表示模型的外形幾何表示為參數(shù)化形式，這樣可以通過(guò)修改尺寸實(shí)現(xiàn)模型的修改，根據(jù)實(shí)物的外形幾何特點(diǎn)，我們將模型分成兩種類型，一是具有規(guī)則幾何特征的外形，二

15、是由自由曲面組成的復(fù)雜外形。對(duì)前者來(lái)說(shuō)，較適宜采用參數(shù)化表示，而且也容易實(shí)現(xiàn)；對(duì)后者來(lái)說(shuō)，由于自由曲面（曲線）從整體來(lái)說(shuō)，較難表示為某種幾何與尺寸約束，但對(duì)一些具有確定的解析計(jì)算公式表示的曲線或曲面，仍可選擇參數(shù)化表示。因?yàn)橹苯訉?duì)三維模型建立參數(shù)化仍然存在困難，因此，目前的參數(shù)化造型都是先建立全尺寸約束二維草圖，經(jīng)過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等幾何造型形成三維模型的。為將重建模型表現(xiàn)為參數(shù)化模型，可將模型分解為由一系列特征和操作組合而成的三維形體，由于重建模型多選擇曲面表示，因此參數(shù)化也主要針對(duì)曲面進(jìn)行。圖2給出了重建模型的參數(shù)化結(jié)構(gòu)。重建的曲面模型幾何特征幾何特征幾何特征二維約束圖二維約束圖二維約束圖

16、特征操作：求交、剪裁、過(guò)渡等拉伸特征庫(kù)平面、球、橢圓、二次曲面等旋轉(zhuǎn)掃掠圖2重建模型的參數(shù)化表示從圖1 看出，模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)化表示的關(guān)鍵是特征分解和約束施加，即將組成模型的所有幾何特征分解成二維特征約束圖+特征操作，這樣整個(gè)模型即實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)。3.3 基于變量化的重建模型表示變量化技術(shù)賦予了模型表示和修改更大的自由度，因此變量化表示既適合于規(guī)則外形和自由曲面組成的外形。基于變量化的逆向模型結(jié)構(gòu)基本和參數(shù)化結(jié)構(gòu)一樣，只是二維幾何圖可以是欠約束的。下面我們僅討論基于特征參數(shù)化的支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的模型重建方法。4.支持創(chuàng)新的模型重建方法在CAD造型技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法主要有：編程參數(shù)化、交互參數(shù)化

17、、離線參數(shù)化和三維參數(shù)化等。編程參數(shù)化通過(guò)編程來(lái)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。交互參數(shù)化是通過(guò)交互的方法來(lái)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，其生成方法又包括多種：變動(dòng)幾何法、作圖規(guī)則匹配、幾何作圖局部求解法、輔助線作圖法、變量流技術(shù)和交互生成參數(shù)繪圖命令等。離線參數(shù)化是將幾何模型向參數(shù)化模型轉(zhuǎn)換，它分成兩個(gè)步驟：其一：在已有圖形基礎(chǔ)上通過(guò)標(biāo)注尺寸建立約束關(guān)系，其二，在已有圖形和尺寸的基礎(chǔ)上，通過(guò)尺寸框架的識(shí)別搜索建立約束關(guān)系。三維參數(shù)化的實(shí)現(xiàn)有兩種途徑：一是由二維參數(shù)化圖形通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等操作得到三維參數(shù)化圖形，二維圖形改變，三紹圖形隨之變化；二即是建立基于特征的三維參數(shù)化模型，特征模型中包含特征定位和特征間的關(guān)聯(lián)信息

18、，因而可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。根據(jù)逆向造型的特點(diǎn)和CAD造型實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的幾種方法，我們可以得出適合于逆向建模的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)方法，即離線參數(shù)化和三維參數(shù)化。如圖8.13所示，其處理過(guò)程為數(shù)據(jù)分割、特征約束識(shí)別、確定特征造型過(guò)程、特征的參數(shù)化建立。這里我們主要對(duì)特征約束識(shí)別和特征參數(shù)化方法展開(kāi)討論。4.1幾何特征識(shí)別實(shí)現(xiàn)圖1過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)首先為為特征約束識(shí)別，如果能將模型分解為不同特征的組合和確定特征間的約束關(guān)系，將為幾何特征轉(zhuǎn)換為參數(shù)化表示提供實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。另外，為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化需完整地給出特征的約束關(guān)系，不僅僅是用尺寸來(lái)建立圖形元素約束的位置關(guān)系，因?yàn)闊o(wú)法通過(guò)尺寸標(biāo)注來(lái)確定兩圖形元素相切的關(guān)系，盡管變量化方法

19、不需要建立全約束關(guān)系，但對(duì)產(chǎn)品修改來(lái)說(shuō)，如果產(chǎn)品具有裝配關(guān)系，模型的變化是相互關(guān)聯(lián)的，這時(shí)零部件之間整體協(xié)同變形的約束關(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(cè)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(guò)原形分析來(lái)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。1.特征分類對(duì)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與其構(gòu)造特征，如點(diǎn)、線、面等。為方便后續(xù)的特征識(shí)別，根據(jù)幾何特征的特點(diǎn)和識(shí)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(jiàn)表1、2。表1 規(guī)則幾何特征regular 點(diǎn)線面測(cè)量點(diǎn) &

20、#160;(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(shí)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)與特征間的約束關(guān)系，零件的特征模型被定義為一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。第

21、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。3.特征識(shí)別（1）規(guī)則幾何特征的識(shí)別規(guī)則幾何特征是構(gòu)成零件外形的基本幾何特征，對(duì)機(jī)械零件產(chǎn)品，在外形測(cè)量時(shí)即可由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)完成部分特征的識(shí)別和測(cè)量，如平面、直線、圓（?。┑?。但對(duì)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(méi)有位于一個(gè)平面，更由于制造誤差使輪廓外形產(chǎn)生變形，特征識(shí)別就變得重要。針對(duì)規(guī)則特征的特征匹配識(shí)別方法的步驟包括：Step1:建立匹配特征

22、庫(kù)；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(shí)別，提取已識(shí)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(guò)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、圓弧與球體的定位，可以通過(guò)計(jì)算測(cè)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(duì)稱軸，對(duì)稱軸的建立可由邊界輪廓的相互鏡像求出。特征匹配過(guò)程需要處理待識(shí)別的特征輪廓線不處于一個(gè)平面時(shí)，如曲面表面的孔槽、斜孔和由于測(cè)量誤差使掃描截面線成為一空間曲線的情況，

23、在匹配之前應(yīng)將其對(duì)應(yīng)的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)投影在一個(gè)平面。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(cè)量時(shí)固定的坐標(biāo)軸平面。特征識(shí)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(shí)別采取的判據(jù)是特征線的重合率16，方法是先從特征庫(kù)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(shí)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(shí)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） （

24、b） （c）圖4匹配特征與定位示意圖(a.圓 b.拋物線 c.橢圓)（2）造型特征識(shí)別在本文中，我們將自由曲面特征定義為造型特征，因?yàn)閷?duì)絕大多數(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單的特征子曲面，再由簡(jiǎn)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一樣的構(gòu)造方法來(lái)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(duì)上述造型方法，其已知或要求的造型條件（信息）見(jiàn)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(shí)別也只能測(cè)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(duì)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面，由于其旋轉(zhuǎn)軸不能準(zhǔn)確建立，截

25、面掃描測(cè)量得到的截面點(diǎn)以與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(wèn)題，我們提出一種曲面特征識(shí)別方法，其原理步驟為：Step1:人工標(biāo)識(shí)測(cè)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(píng)價(jià)，通過(guò)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(duì)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

26、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(jiàn)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(duì)參考點(diǎn)擬合重新選擇匹配特征曲面匹配評(píng)價(jià)特征抽取特征參數(shù)化圖5.曲面匹配造型流程這樣我們即通過(guò)造型方法，獲得了測(cè)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

27、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(cè)量或識(shí)別確定，可選Sweep或Blend方法，否則選Loft方法；圖6給出一Sweep曲面產(chǎn)生示意圖。導(dǎo)引線參考點(diǎn)截面線圖6.Sweep曲面重建4.2約束識(shí)別幾何特征間的約束關(guān)系類型有：包容約束、位置約束、距離約束和裝配約束等，由于測(cè)量點(diǎn)中沒(méi)有包含約束信息，約束識(shí)別主要通過(guò)測(cè)量進(jìn)行，即用人工方式，通過(guò)測(cè)量機(jī)進(jìn)行約束關(guān)系識(shí)別，能識(shí)別位置約束、距離約束和裝配約束。4.3 特征重建和特征參數(shù)化采用上述特征識(shí)別方法，在識(shí)別的同時(shí)也完成了特征的

28、構(gòu)建，因此特征與模型重建階段的主要工作是組合簡(jiǎn)單的特征以構(gòu)成高層次的復(fù)合特征，組合方式包括延伸、剪裁、求交、倒角等，最終形成一完整的幾何實(shí)體，提供后續(xù)的應(yīng)用。應(yīng)指出的是特征以與模型重建時(shí)應(yīng)考慮特征的幾何約束關(guān)系，否則最終的原形是不準(zhǔn)確的。對(duì)規(guī)則幾何特征，根據(jù)前面的分析，可以將特征分解為組成特征的二維約束圖，并建立基準(zhǔn)繪圖平面，這樣可進(jìn)行截面形狀尺寸以與實(shí)現(xiàn)方式（如拉伸距離、旋轉(zhuǎn)角）的參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)圖形變化，達(dá)到變形設(shè)計(jì)的目的。對(duì)造型特征，主要將組成曲面的截面幾何曲線和實(shí)現(xiàn)方式（如sweep導(dǎo)引線等）進(jìn)行參數(shù)化，這樣改變曲面形狀可以在控制點(diǎn)調(diào)控的基礎(chǔ)上，增加尺寸驅(qū)動(dòng)的方式。4.4 建立特征

29、變形協(xié)同關(guān)系在完成特征識(shí)別和特征參數(shù)化后，即完成的了實(shí)物零件的幾何特征的重建和約束關(guān)系的恢復(fù)，但對(duì)一些復(fù)雜產(chǎn)品，其組成產(chǎn)品外形的幾何特征有時(shí)是跨零件的，特征間的變形協(xié)同關(guān)系，對(duì)跨零件曲面以與整體協(xié)同變形曲面建立邊界約束關(guān)系根據(jù)變形區(qū)域、變形方式和變形量確定約束類型和約束參數(shù)。對(duì)規(guī)則幾何特征，可建立特征造型的歷史樹(shù)，確立特征間的協(xié)同變形（父子關(guān)系）關(guān)系，以保證父特征改變時(shí)，子特征也發(fā)生相應(yīng)的變化，如不需要協(xié)同變形，也可以取消父子關(guān)系。 對(duì)造型特征（自由曲面特征），主要建立特征邊界的協(xié)同變形關(guān)系，如一sweep曲面和一extrude曲面的邊界約束關(guān)系，可以考慮兩種情況，一是邊界約束固定的，與邊界不

30、發(fā)生改變；另一種是邊界自由的，這時(shí)一個(gè)曲面改變后，另一與之有邊界連結(jié)的曲面也應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的變化。5.實(shí)例 圖7-8給出了一摩托車前大板的基于逆向工程的改形設(shè)計(jì)的圖例。 （a） （b）圖7. 某摩托車前大板三維模型（a.正視圖b.軸測(cè)圖） （a） （b）圖8. 基于逆向工程的改形（創(chuàng)新）設(shè)計(jì)圖（a.正視圖b.軸測(cè)圖）6.總結(jié)本文提出支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的概念、模型表達(dá)和實(shí)現(xiàn)方法，在現(xiàn)有CAD造型技術(shù)條件下，選擇基于特征的參數(shù)化或變量化表達(dá)來(lái)描述重建模型，將便于對(duì)模型進(jìn)行修改和再設(shè)計(jì)操作，達(dá)到改變產(chǎn)品外形，實(shí)現(xiàn)形狀創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。其技術(shù)關(guān)鍵在于重建原形的幾何特征與約束關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)造型方法將幾何特征

31、分解為二維截面約束圖，建立造型關(guān)系樹(shù)，實(shí)現(xiàn)特征的參數(shù)化表達(dá)，最終通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)來(lái)改變形狀。這種方法可以有效處理規(guī)則幾何特征組成的產(chǎn)品零件，難點(diǎn)在于復(fù)雜組合特征的識(shí)別和重建，以與自由曲面特征之間的變形約束關(guān)系的構(gòu)建，上述問(wèn)題是今后的研究重點(diǎn)。參 考 文 獻(xiàn)1. Tamas Varady, Ralph Martin, Jordan Cox. Reverse Engineering of Geometric Modelsan introduction, Computer Aided Design,1997, Vol.29:2532542. Leonardis A. Jaklic A. Solina F

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