飞机结构件反求建模关键技术研究

中 图 分 类 号 ： TP391 论 文 编 号 ： 1028705 07-1004学 科 分 类 号 ： 082503博 士 学 位 论 文飞 机 结 构 件 反 求 建 模 关 键 技 术 研 究 *研 究 生 姓 名学 科 、 专 业研究方向指导教师汪 俊航 空 宇 航 制 造 工 程CAD/CAM周 来 水 教 授南 京 航 空 航 天 大 学研 究 生 院 机 电 学 院二 七 年 三 月* 本 文 工 作 得 到 下 列 项 目 支 持 ： 1. 教 育 部 高 等 学 校 优 秀 青 年 教 师 教 学 科 研 奖 励 计 划 2. 航 空 科学 基 金 （ 01H52051） 3. 江 苏 省 自 然 科 学 基 金 （ BK2001408）Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsThe Graduate SchoolCollege of Mechanical and Electrical EngineeringResearch on Key Technology in Reconstruction ofAircraft Structural PartsA Thesis inAerospace Manufacturing EngineeringbyJun WANGAdvised byProf. Laishui ZhOUSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofDoctor of PhilosophyMarch, 2007承 诺 书本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 学 位 论 文 ， 是 本 人 在 导 师 指 导 下 ， 独 立 进行 研 究 工 作 所 取 得 的 成 果 。 尽 我 所 知 ， 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外 ，本 学 位 论 文 的 研 究 成 果 不 包 含 任 何 他 人 享 有 著 作 权 的 内 容 。 对 本 论 文 所涉 及 的 研 究 工 作 做 出 贡 献 的 其 他 个 人 和 集 体 ， 均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标明 。本 人 授 权 南 京 航 空 航 天 大 学 可 以 有 权 保 留 送 交 论 文 的 复 印 件 ， 允 许论 文 被 查 阅 和 借 阅 ,可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行 检 索 ， 可 以 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 他 复 制 手 段 保 存 论 文 。(保 密 的 学 位 论 文 在 解 密 后 适 用 本 承 诺 书 )作 者 签 名 ：日 期 ：摘 要反 求 建 模 技 术 在 我 国 新 型 飞 机 研 制 及 已 有 飞 机 的 改 进 改 型 设 计 制 造 中 具 有 广 阔的 应 用 前 景 。 然 而 ， 飞 机 产 品 的 反 求 建 模 比 一 般 机 械 产 品 的 反 求 建 模 要 求 高 、 难 度 大 ：首 先 ， 飞 机 测 量 数 据 量 大 ， 外 形 品 质 要 求 高 ； 其 次 ， 飞 机 结 构 复 杂 ， 结 构 间 协 调 要 求高 ； 同 时 ， 通 过 反 求 建 立 的 模 型 只 能 作 为 飞 机 进 一 步 设 计 的 初 始 模 型 ， 不 可 能 直 接 作为 飞 机 设 计 的 最 终 模 型 ， 因 此 ， 反 求 重 建 的 飞 机 产 品 模 型 必 须 符 合 飞 机 设 计 表 达 ， 易于 设 计 修 改 。 本 文 针 对 飞 机 产 品 反 求 建 模 必 须 符 合 飞 机 设 计 表 达 、 易 于 设 计 修 改 的 要求 ， 对 飞 机 结 构 件 反 求 建 模 关 键 技 术 进 行 了 系 统 深 入 的 研 究 ， 主 要 研 究 内 容 与 成 果 如下 ：提 出 了 基 于 特 征 的 飞 机 结 构 件 模 型 重 建 思 路 ： 将 样 件 测 量 数 据 （ 三 角 网 格 模 型 ）进 行 特 征 分 解 ； 提 取 各 基 本 特 征 参 数 及 约 束 ， 并 重 建 基 本 特 征 ； 根 据 各 特 征 之 间 的 依赖 关 系 ， 通 过 布 尔 运 算 及 曲 面 裁 剪 等 特 征 操 作 ， 获 得 结 构 件 的 参 数 化 特 征 模 型 。 重 建模 型 反 映 原 始 设 计 意 图 ， 符 合 飞 机 设 计 表 达 ， 为 后 续 的 飞 机 详 细 设 计 或 改 进 改 型 设 计奠 定 了 基 础 。针 对 基 本 特 征 重 建 需 要 ， 提 出 了 基 于 特 征 的 数 据 自 动 分 割 算 法 。 依 次 采 用 法 矢 准则 、 曲 率 准 则 和 曲 面 拟 合 误 差 准 则 对 测 量 获 得 的 三 角 网 格 模 型 进 行 数 据 粗 分 割 、 再 分割 以 及 细 分 割 ， 并 采 用 后 置 优 化 处 理 方 法 调 整 分 割 结 果 中“不 合 格 ”数 据 块 ， 实 现 了网 格 模 型 的 特 征 精 确 分 解 ， 为 后 续 的 特 征 重 建 作 好 了 准 备 。针 对 与 外 形 无 关 飞 机 结 构 件 特 征 的 特 点 ， 将 其 模 型 重 建 归 结 为 参 与 布 尔 运 算 的 基本 实 体 特 征 重 建 和 实 施 曲 面 裁 剪 操 作 的 曲 面 特 征 重 建 。 针 对 基 本 实 体 特 征 ， 给 出 了 拉伸 特 征 、 旋 转 特 征 、 扫 掠 特 征 、 放 样 特 征 、 圆 角 特 征 以 及 对 称 特 征 的 重 建 方 法 。 针 对曲 面 特 征 ， 提 出 了 基 于 SDM 策 略 的 单 个 规 则 曲 面 重 建 方 法 、 基 于 约 束 的 多 个 规 则 曲面 整 体 重 建 方 法 以 及 基 于 误 差 控 制 的 B 样 条 自 由 曲 面 重 建 方 法 。 两 者 结 合 ， 实 现 了与 外 形 无 关 飞 机 结 构 件 特 征 模 型 重 建 。针 对 与 外 形 相 关 飞 机 结 构 件 特 征 的 特 点 ， 提 出 了 基 于 外 形 曲 面 等 距 的 结 构 件 表 面特 征 重 建 方 法 和 可 近 似 为 直 纹 面 的 结 构 件 表 面 特 征 重 建 方 法 。 对 飞 机 结 构 件 中 与 飞 机外 形 贴 合 的 表 面 较 宽 、 面 积 较 大 的 表 面 特 征 ， 采 用 基 于 外 形 曲 面 等 距 的 方 法 重 建 表 面特 征 ， 该 方 法 遵 循 了 原 结 构 件 的 设 计 要 求 。 对 飞 机 结 构 件 中 与 飞 机 外 形 贴 合 的 表 面 较窄 、 面 积 较 小 的 表 面 特 征 ， 由 于 其 表 面 轮 廓 外 形 线 比 较 平 坦 ， 接 近 于 直 线 （ 通 常 采 用四 、 五 坐 标 机 床 的 铣 刀 摆 角 功 能 以 线 接 触 方 式 加 工 得 到 ）， 该 类 特 征 可 近 似 为 可 展 直纹 面 特 征 ， 采 用 直 纹 面 来 重 建 该 类 表 面 特 征 ， 反 映 了 该 类 零 件 加 工 制 造 的 实 际 。本 文 研 究 成 果 已 集 成 到 南 京 航 空 航 天 大 学 CAD/CAM 工 程 研 究 中 心 开 发 的 逆 向i工 程 软 件 系 统 FBRES 中 ， 并 成 功 应 用 于 某 型 号 飞 机 结 构 件 的 反 求 建 模 ， 大 量 的 应 用实 例 验 证 了 本 文 方 法 的 正 确 性 和 有 效 性 。关 键 词 ： 逆 向 工 程 ， 飞 机 结 构 件 ， 特 征 识 别 ， 特 征 提 取 ， 特 征 模 型 重 建iiABSTRACTModel reconstruction has wide applications in the national defense because it plays animportant role in the improvement and redesign of the aircrafts which are under research orin service. However, The aircraft products are more difficult to be reconstructed than thosemechanical parts for the following reasons: Firstly the measured data of aircraft productsare huge, and the airplane contour requires higher quality; Secondly the aircraft structuresare complicated, and the high synchronization between them is required; Moreover, thereconstructed model of aircraft product just serves as a initial model for further design, notthe final model. Therefore, the reconstructed model of aircraft product must accord withthe design expression of aircraft and be facile to improve and redesign. Based on thoserequirements, the model reconstruction of aircraft structural parts is studied systematicallyand deeply. The main subjects and achievements of this paper are summarized as follows:A novel thought for feature-based model reconstruction of aircraft structural parts isproposed: the features within triangle-mesh model of structural part are disassembledfirstly; then the basic features are reconstructed on basis of the parameters and theconstraints extracted from original features; finally the parameterized feature model ofaircraft is reconstructed by performing operations, including Boolean operation, trimoperation and so on, among basic features based on dependency relationships of basicfeatures. The reconstructed model reflects original design intent, accords with designexpression, which lays a foundation for further detailed design and redesign.The feature-based segmentation algorithm is put forward for the further reconstructionof basic features. Firstly based on the normal rule, the raw segmentation is achieved,secondly the further segmentation is performed according to the curvature rule, and thenthe precise segmentation is realized in accordance with the surface fitting error rule, finallythe segmented model could be refined by some methods such as eliminating impuretriangle meshes, combining small segments and smoothing jagged boundary. With a result,the basic features are disassembled accurately, which makes preparations for the modelreconstruction.According to the characteristics of these aircraft structural parts, which are notconjoint with aircraft contour directly, their model reconstruction could be divided by twoparts: the solid feature reconstruction and the surface feature reconstruction. As for theformer, the methods for reconstruction of extrude feature, revolute feature, sweep feature,iiilofting feature, blend feature, symmetry feature are presented; for the latter, the fittingmethod based on SDM is proposed for the reconstruction of sole regular surface firstly,then the method for simultaneous fitting of several regular surfaces with constraints is putforward, finally the error-based fitting method of B-spline surface is proposed toreconstruct freedom surface. With the above-mentioned methods, those aircraft structuralparts, connected with aircraft contour directly, could be reconstructed facilely.According to the characteristics of these aircraft structural parts, which are conjointwith aircraft contour directly, the reconstruction method of the surface feature generated byoffsetting aircraft contour and the reconstruction algorithm for the surface feature,approximated by ruled surface, are proposed. The former method is applicable to thesurface feature within aircraft structural parts, which conjoins aircraft contour with widearea, while the latter algorithm is suitable for the surface feature within aircraft structuralparts, which conjoins aircraft contour with narrow area. The former method follows thedesign acquirement of original feature, while the latter algorithm reflects the manufacturefact of original feature.The research achievements above have been integrated into the FBRES(Feature-Based Reverse Engineering System), developed by Research Center ofCAD/CAM Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, and alsoapplied for the model reconstruction of some aircraft structural parts. Experimental resultsdemonstrate the accurateness and effectiveness the proposed methods.Keywords: Reverse Engineering, Aircraft Structural Parts, Feature Recognition, FeatureExtraction, Feature Model Reconstructioniv目 录第 一 章 绪 论 . 11.1 引 言 . 11.2 逆 向 工 程 中 反 求 建 模 技 术 的 国 内 外 研 究 现 状 . 21.3 基 于 特 征 的 飞 机 结 构 件 模 型 重 建 . 51.4 本 文 的 选 题 背 景 及 章 节 安 排 . 7第 二 章 基 于 特 征 的 数 据 自 动 分 割 . 102.1 引 言 . 102.2 三 角 网 格 顶 点 微 分 几 何 特 性 的 估 算 . 112.2.1 网 格 顶 点 微 分 几 何 特 性 的 估 算 . 112.2.2 微 分 几 何 特 性 估 算 验 证 . 122.3 基 于 法 矢 准 则 的 数 据 粗 分 割 . 142.3.1 法 矢 准 则 . 142.3.2 区 域 生 长 . 142.3.3 数 据 粗 分 割 . 152.4 基 于 曲 率 准 则 的 数 据 再 分 割 . 162.4.1 基 于 k-邻 近 的 曲 率 平 滑 滤 波 . 162.4.2 数 据 再 分 割 . 172.5 基 于 曲 面 拟 合 误 差 准 则 的 数 据 细 分 割 . 182.5.1 种 子 区 域 提 取 . 182.5.2 数 据 细 分 割 . 202.6 数 据 分 割 实 例 . 202.7 本 章 小 结 . 22第 三 章 基 于 约 束 的 二 维 轮 廓 特 征 重 建 . 233.1 引 言 . 233.2 二 维 轮 廓 数 据 点 的 获 取 . 243.3 二 维 轮 廓 数 据 点 的 曲 率 估 算 及 平 滑 处 理 . 24v3.4 分 段 轮 廓 点 集 所 属 线 型 的 自 动 识 别 263.5 分 段 轮 廓 点 集 的 单 独 拟 合 283.5.1 椭 圆 . 293.5.2 双 曲 线 . 303.5.3 抛 物 线 . 323.5.4 自 由 曲 线 . 333.6 分 段 轮 廓 之 间 约 束 关 系 的 识 别 343.7 基 于 约 束 的 二 维 轮 廓 特 征 整 体 拟 合 353.8 二 维 轮 廓 特 征 重 建 实 例 373.9 本 章 小 结 41第 四 章 与 外 形 无 关 的 飞 机 结 构 件 实 体 特 征 重 建 . 434.1 引 言 434.2 拉 伸 特 征 的 重 建 434.2.1 拉 伸 方 向 的 提 取 . 444.2.2 拉 伸 轮 廓 的 重 建 与 拉 伸 范 围 的 确 定 . 454.2.3 特 征 生 成 与 实 例 . 454.3 旋 转 特 征 的 重 建 464.3.1 旋 转 轴 线 的 提 取 . 474.3.2 旋 转 母 线 的 重 建 . 474.3.3 旋 转 角 度 的 确 定 . 484.3.4 特 征 生 成 与 实 例 . 484.4 扫 掠 特 征 的 重 建 504.4.1 截 平 面 的 提 取 . 504.4.2 扫 掠 路 径 的 重 建 . 514.4.3 扫 掠 轮 廓 的 提 取 . 524.4.4 特 征 生 成 与 实 例 . 534.5 放 样 特 征 的 重 建 544.5.1 放 样 脊 线 的 重 建 . 54vi4.5.2 放 样 轮 廓 的 提 取 . 564.5.3 特 征 生 成 与 实 例 . 564.6 圆 角 特 征 的 重 建 . 574.6.1 圆 角 特 征 重 建 方 法 . 584.6.2 特 征 生 成 与 实 例 . 594.7 对 称 特 征 的 重 建 . 614.7.1 旋 转 对 称 特 征 的 重 建 . 614.7.2 反 射 对 称 特 征 的 重 建 . 654.8 本 章 小 结 . 70第 五 章 与 外 形 无 关 的 飞 机 结 构 件 曲 面 特 征 重 建 . 725.1 引 言 . 725.2 规 则 曲 面 特 征 的 重 建 . 735.2.1 单 个 曲 面 特 征 重 建 . 735.2.2 基 于 约 束 的 多 个 曲 面 特 征 整 体 重 建 . 815.2.3 特 征 重 建 实 例 . 835.3 自 由 曲 面 特 征 的 重 建 . 845.3.1 B 样 条 曲 面 最 小 二 乘 拟 合 基 本 原 理 845.3.2 基 于 误 差 控 制 的 B-样 条 曲 面 特 征 重 建 68 855.3.3 特 征 重 建 实 例 . 865.4 本 章 小 结 . 87第 六 章 与 外 形 相 关 的 飞 机 结 构 件 特 征 重 建 . 886.1 引 言 . 886.2 基 于 外 形 曲 面 等 距 的 结 构 件 表 面 特 征 重 建 . 896.3 可 近 似 为 直 纹 面 的 结 构 件 表 面 特 征 重 建 . 906.4 本 章 小 结 . 93第 七 章 基 于 特 征 的 参 数 化 反 求 建 模 系 统 (FBRES)的 设 计 与 实 现 . 947.1 引 言 . 94vii7.2 FBRES 系 统 结 构 947.2.1 系 统 体 系 结 构 . 947.2.2 系 统 功 能 结 构 . 957.2.3 系 统 数 据 结 构 . 967.3 FBRES 参 数 化 反 求 建 模 举 例 977.4 FBRES 部 分 应 用 实 例 1017.5 本 章 小 结 103第 八 章 总 结 与 展 望 . 1048.1 全 文 工 作 总 结 1048.2 今 后 工 作 展 望 105参 考 文 献 . 107致 谢 116在 学 期 间 的 研 究 成 果 及 发 表 的 学 术 论 文 117附 录 118viii图 、 表 清 单图 1. 1 反 求 建 模 基 本 流 程 图 . 2图 1. 2 飞 机 结 构 件 特 征 分 类 6图 1. 3 基 于 特 征 的 反 求 建 模 技 术 路 线 . 9图 2. 1 网 格 顶 点 矩 形 点 阵 分 布 . 12图 2. 2 圆 环 面 非 规 则 三 角 网 格 模 型 13图 2. 3 尖 锐 边 界 、 光 滑 过 渡 边 界 处 法 矢 夹 角 . 14图 2. 4 某 型 飞 机 结 构 件 曲 率 平 滑 滤 波 . 16图 2. 5 某 型 飞 机 某 梁 尾 端 曲 率 平 滑 滤 波 . 17图 2. 6 网 格 顶 点 的 腐 蚀 运 算 算 子 . 19图 2. 7 某 型 飞 机 某 肋 数 据 分 割 实 例 21图 2. 8 某 型 飞 机 平 尾 梁 数 据 分 割 实 例 21图 2. 9 某 型 飞 机 某 梁 数 据 分 割 实 例 21图 3. 1 轮 廓 点 集 提 取 方 法 24图 3. 2 数 据 点 pi 的 k-领 域 点 集 25图 3. 3 椭 圆 拟 合 的 正 交 距 离 30图 3. 4 双 曲 线 拟 合 的 正 交 距 离 31图 3. 5 抛 物 线 拟 合 的 正 交 距 离 33图 3. 6 B 样 条 曲 线 拟 合 的 正 交 距 离 . 34图 3. 7 某 型 飞 机 结 构 件 模 型 38图 3. 8 二 维 轮 廓 数 据 点 集 及 分 段 轮 廓 的 提 取 38图 3. 9 分 段 轮 廓 1 数 据 点 的 曲 率 分 布 图 39图 3. 10 分 段 轮 廓 2 数 据 点 的 曲 率 分 布 图 39图 3. 11 某 型 飞 机 结 构 件 二 维 轮 廓 特 征 重 建 结 果 39图 3. 12 某 型 飞 机 某 梁 尾 段 二 维 轮 廓 特 征 重 建 实 例 41图 3. 13 某 型 飞 机 结 构 件 二 维 轮 廓 特 征 重 建 实 例 41图 4. 1 拉 伸 方 向 提 取 示 意 图 44图 4. 2 某 型 飞 机 结 构 件 拉 伸 特 征 重 建 实 例 46图 4. 3 某 型 飞 机 连 接 件 拉 伸 特 征 重 建 实 例 46图 4. 4 旋 转 轴 线 提 取 示 意 图 47图 4. 5 旋 转 母 线 提 取 示 意 图 48ix图 4. 6 某 型 飞 机 结 构 件 旋 转 特 征 重 建 实 例 49图 4. 7 截 平 面 提 取 示 意 图 51图 4. 8 扫 掠 轮 廓 提 取 示 意 图 . 53图 4. 9 某 型 飞 机 零 件 扫 掠 特 征 重 建 实 例 54图 4. 10 放 样 特 征 示 意 图 . 55图 4.11 放 样 脊 线 重 建 流 程 图 . 55图 4. 12 放 样 轮 廓 提 取 示 意 图 . 56图 4. 13 某 型 飞 机 结 构 件 放 样 特 征 重 建 实 例 57图 4. 14 圆 角 特 征 主 曲 率 特 性 58图 4. 15 某 型 飞 机 结 构 件 圆 角 特 征 重 建 实 例 60图 4. 16 某 型 飞 机 某 肋 前 段 圆 角 特 征 重 建 实 例 60图 4. 17 旋 转 对 称 轴 线 提 取 示 意 图 62图 4. 18 某 型 飞 机 结 构 件 对 称 特 征 重 建 实 例 65图 4. 19 反 射 对 称 平 面 提 取 示 意 图 67图 4. 20 对 称 平 面 提 取 算 法 流 程 图 67图 4. 21 某 型 飞 机 某 梁 中 段 对 称 特 征 重 建 实 例 69图 4. 22 某 型 飞 机 结 构 件 对 称 特 征 重 建 实 例 70图 5.1 与 外 形 无 关 曲 面 特 征 的 重 建 流 程 . 73图 5. 2 空 间 曲 面 的 Frenet 活 动 标 架 . 74图 5.3 圆 柱 面 特 征 . 75图 5.4 某 型 飞 机 结 构 件 圆 柱 面 特 征 重 建 实 例 . 77图 5.5 平 均 拟 合 误 差 与 迭 代 次 数 之 间 的 关 系 图 . 77图 5.6 圆 锥 曲 面 特 征 . 78图 5.7 某 型 飞 机 结 构 件 圆 锥 面 特 征 重 建 实 例 . 79图 5.8 平 均 拟 合 误 差 与 迭 代 次 数 之 间 的 关 系 图 . 79图 5.9 球 面 特 征 . 80图 5.10 某 型 飞 机 结 构 件 球 面 特 征 重 建 实 例 . 81图 5.11 平 均 拟 合 误 差 与 迭 代 次 数 之 间 的 关 系 图 . 81图 5.12 某 型 飞 机 结 构 件 与 外 形 无 关 规 则 曲 面 特 征 重 建 实 例 . 84图 5.13 某 型 飞 机 框 与 外 形 无 关 自 由 曲 面 特 征 重 建 实 例 . 87图 6.1 飞 机 机 翼 结 构 示 意 图 88图 6.2 飞 机 机 身 结 构 示 意 图 88图 6. 3 某 型 飞 机 外 形 结 构 图 89x图 6. 4 某 型 飞 机 翼 肋 前 段 与 外 形 相 关 特 征 重 建 实 例 90图 6. 5 梁 、 框 模 型 外 形 轮 廓 . 91图 6. 6 五 坐 标 侧 铣 加 工 翼 肋 模 型 中 与 外 形 相 关 特 征 . 91图 6. 7 直 纹 面 母 线 及 边 界 提 取 示 意 图 . 92图 6. 8 某 型 飞 机 翼 肋 与 外 形 相 关 特 征 重 建 实 例 93图 7. 1 FBRES 系 统 体 系 结 构 95图 7. 2 FBRES 系 统 级 模 块 96图 7. 3 FBRES 系 统 基 本 数 据 结 构 97图 7. 4 飞 机 某 肋 前 段 点 云 模 型 98图 7. 5 模 型 子 特 征 的 划 分 98图 7. 6 毛 坯 模 型 重 建 结 果 99图 7. 7 中 间 特 征 A 的 生 成 . 99图 7. 8 中 间 特 征 B 的 生 成 . 99图 7. 9 子 特 征 11 重 建 结 果 100图 7. 10 子 特 征 12 重 建 结 果 100图 7. 11 子 特 征 13 参 数 提 取 结 果 101图 7. 12 中 间 特 征 C 101图 7. 13 重 建 所 得 最 终 特 征 模 型 101表 2. 1 圆 环 面 非 规 则 网 格 模 型 平 均 、 高 斯 曲 率 图 13表 2. 2 圆 环 面 非 规 则 网 格 模 型 平 均 、 高 斯 曲 率 估 算 比 较 13表 2. 3 数 据 分 割 结 果 中 各 种 特 征 数 据 块 的 数 量 22表 3. 1 分 段 轮 廓 线 型 识 别 39表 3. 2 分 段 轮 廓 之 间 潜 在 约 束 关 系 40表 3. 3 截 面 轮 廓 分 段 拟 合 误 差 及 约 束 误 差 40表 5. 1 三 种 不 同 方 法 拟 合 结 果 77表 5. 2 三 种 不 同 方 法 拟 合 结 果 79表 5. 3 三 种 不 同 方 法 拟 合 结 果 81表 7. 1 飞 机 结 构 件 模 型 重 建 的 部 分 应 用 实 例 . 101xi第 一 章 绪 论1.1 引 言逆 向 工 程 (Reverse Engineering)， 也 称 反 求 工 程 、 反 向 工 程 等 。 广 义 的 逆 向 工 程 是指 针 对 消 化 吸 收 先 进 技 术 的 一 系 列 分 析 方 法 和 应 用 技 术 的 综 合 ， 其 研 究 对 象 包 括 产 品实 物 、 软 件 （ 图 纸 、 程 序 、 技 术 文 件 ） 或 影 像 （ 图 像 、 照 片 ） 等 ， 应 用 现 代 设 计 方 法学 原 理 、 生 产 工 程 学 、 材 料 学 和 有 关 专 业 知 识 进 行 系 统 深 入 地 分 析 和 研 究 ， 探 索 掌 握其 关 键 技 术 ， 进 而 开 发 出 同 类 的 更 为 先 进 的 产 品 1, 2。 在 工 程 应 用 领 域 ， 逆 向 工 程 通常 是 指 面 向 实 物 样 件 的 “实 物 逆 向 工 程 ”， 即 通 过 实 物 数 字 化 技 术 和 模 型 重 建 技 术 将实 物 模 型 转 化 为 数 字 化 模 型 ， 还 原 实 物 模 型 中 包 含 的 材 料 、 工 艺 、 形 状 等 诸 多 方 面 的原 始 设 计 意 图 的 过 程 3。 本 文 主 要 研 究 逆 向 工 程 中 基 于 测 量 数 据 的 模 型 重 构 技 术 ， 重点 研 究 飞 机 结 构 件 的 特 征 反 求 建 模 技 术 。我 国 飞 机 制 造 业 对 逆 向 工 程 技 术 有 迫 切 的 应 用 需 求 。 首 先 ， 借 鉴 已 有 先 进 飞 机 的设 计 经 验 ， 以 已 有 飞 机 为 样 机 进 行 新 型 飞 机 的 研 制 ， 是 实 现 我 国 飞 机 制 造 业 和 国 防 事业 快 速 发 展 的 有 效 途 径 ， 但 这 种 情 况 一 般 只 有 样 机 实 物 ， 得 不 到 飞 机 样 机 的 任 何 设 计资 料 （ 图 纸 、 数 字 化 模 型 等 ）， 通 过 逆 向 工 程 快 速 建 立 其 数 字 化 模 型 ， 利 用 先 进 的 数字 化 手 段 为 新 机 的 设 计 及 制 造 提 供 参 考 和 依 据 ， 是 缩 短 新 机 设 计 周 期 ， 实 现 新 机 快 速研 制 最 有 效 的 手 段 。 另 外 ， 逆 向 工 程 技 术 在 我 国 已 有 飞 机 的 改 进 改 型 中 也 大 有 用 武 之地 。 我 国 目 前 正 在 生 产 的 飞 机 ， 如 J11、 运 8 系 列 、 直 9 系 列 、 教 练 机 系 列 等 ， 大 多仍 采 用 “模 线 样 板 标 准 样 件 工 作 法 ”制 造 ， 即 采 用 模 拟 量 信 息 传 递 体 系 ， 这 正 是 造 成飞 机 制 造 工 艺 装 备 数 量 巨 大 、 生 产 准 备 周 期 和 研 制 周 期 长 、 互 换 协 调 困 难 、 质 量 难 以保 证 、 成 本 高 、 批 量 生 产 能 力 不 足 等 一 系 列 问 题 的 根 源 。 尽 管 我 国 的 航 空 企 业 大 都 引进 了 为 数 不 少 的 先 进 的 数 字 化 设 计 制 造 手 段 ， 基 本 具 备 了 全 面 采 用 数 字 化 设 计 制 造 技术 的 基 础 和 条 件 ， 但 由 于 这 些 飞 机 大 都 没 有 建 立 完 整 的 数 字 化 模 型 ， 且 数 字 化 设 计 制造 技 术 应 用 深 度 还 很 不 够 ， 因 而 ， 在 模 拟 量 信 息 传 递 体 系 下 ， 这 些 数 字 化 设 计 制 造 手段 一 般 仅 在 局 部 应 用 ， 甚 至 有 的 飞 机 经 过 几 代 改 型 ， 原 设 计 图 纸 已 不 全 ， 往 往 以 工 装为 依 据 进 行 改 型 设 计 制 造 ， 不 协 调 现 象 经 常 发 生 ， 制 造 质 量 和 生 产 周 期 难 以 保 证 ， 尽管 解 决 了 “制 造 出 ”的 问 题 ， 但 仍 未 达 到 “制 造 快 ”和 “制 造 好 ”的 目 标 ， 更 难 以 适应 批 量 生 产 的 要 求 。 解 决 这 一 问 题 的 途 径 ， 就 是 应 用 逆 向 工 程 技 术 建 立 原 飞 机 的 全 机（ 或 零 部 件 、 工 装 ） 的 数 字 化 模 型 ， 充 分 利 用 先 进 的 数 字 化 设 计 制 造 手 段 ， 提 高 我 国在 产 飞 机 生 产 制 造 水 平 及 改 进 改 型 设 计 制 造 的 能 力 。1多 视 拼 合数 据 简 化1.2 逆 向 工 程 中 反 求 建 模 技 术 的 国 内 外 研 究 现 状逆 向 工 程 中 反 求 建 模 的 基 本 流 程 是 ： 对 实 物 样 件 进 行 坐 标 数 据 采 集 ， 获 取 实 物 表面 测 量 数 据 ； 然 后 对 这 些 数 据 进 行 预 处 理 ， 包 括 拼 合 、 简 化 、 修 补 、 三 角 化 、 去 噪 ，并 对 数 据 按 特 征 进 行 分 割 ； 最 后 根 据 数 据 分 割 结 果 ， 提 取 特 征 参 数 ， 实 现 模型 重 建 并进 行 误 差 评 价 。 图 1.1 给 出 了 逆 向 工 程 中 反 求 建 模 的 基 本 流 程 图 。数据数 据 去 噪 数 据 修 补 模型采 评集 三 角 剖 分 数 据 分 割 价图 1. 1 反 求 建 模 基 本 流 程 图数 据 采 集 是 反 求 建 模 的 第 一 个 环 节 ， 是 后 续 数 据 处 理 、 模 型 重 建 的 基 础 。 高 效 率 、高 精 度 地 采 集 样 件 的 外 形 数 据 是 逆 向 工 程 一 个 重 要 研 究 内 容 。 随 着 传 感 技 术 、 控 制 技术 、 制 造 技 术 等 相 关 技 术 的 发 展 ， 出 现 了 各 种 各 样 的 数 据 采 集 方 法 ， 主 要 分 为 接 触 式 、非 接 触 式 和 破 坏 式 三 大 类 ， 其 中 代 表 性 的 数 据 采 集 设 备 有 三 坐 标 测 量 机(CMM)、 光 学扫 描 仪 和 断 层 扫 描 仪 4。 在 数 据 采 集 过 程 中 ， 测 量 方 法 本 身 的 精 度 、 仪 器 的 校 准 、 测量 范 围 的 限 制 、 阻 挡 、 采 集 数 据 的 局 部 缺 失 、 被 测 物 体 表 面 的 光 洁 度 、 零 件 数 据 的 统计 性 分 布 等 因 素 直 接 影 响 测 量 数 据 的 质 量 。 一 般 情 况 下 ， 测 量 数 据 一 般 要 经 过 预 处 理后 才 能 进 行 曲 面 拟 合 和 CAD 模 型 重 建 。数 据 预 处 理 是 反 求 建 模 的 关 键 环 节 之 一 ， 它 的 结 果 直 接 影 响 后 续 模 型 重 建 的 可 行性 以 及 重 建 模 型 的 质 量 。 为 了 将 测 量 数 据 转 化 为 便 于 模 型 重 建 的“造 型 数 据 ”， 在 模型 重 建 之 前 必 须 进 行 预 处 理 工 作 ， 主 要 包 括 以 下 六 个 方 面 的 内 容 5-7： 多 视 拼 合 ：由 于 样 件 尺 寸 超 过 设 备 的 测 量 范 围 或 样 件 结 构 上 的 遮 挡 等 原 因 ， 对 实 物 样 件 进 行 测 量时 ， 通 常 不 能 在 同 一 坐 标 系 下 将 产 品 几 何 数 据 一 次 测 得 ， 此 时 需 要 在 不 同 视 角 下 对 样件 进 行 多 次 测 量 ， 然 后 通 过 坐 标 变 换 将 多 个 视 角 测 得 的 数 据 合 并 为 同 一 坐 标 系 下 的 完整 模 型 数 据 。 针 对 测 量 数 据 的 多 视 拼 合 ， 通 常 采 用 的 自 动 匹 配 方 法 是 基 于 ICP8, 9和IRCP10算 法 ， 这 些 算 法 对 各 视 图 中 的 重 合 数 据 自 动 迭 代 匹 配 后 得 到 完 整 测 量 数 据 。 噪 声 处 理 ： 在 数 据 采 集 过 程 中 ， 由 于 环 境 和 人 为 因 素 的 影 响 ， 测 量 数 据 中 将 不 可 避免 地 存 在 噪 声 数 据 ， 因 此 在 模 型 重 建 之 前 ， 需 要 对 测 量 数 据 进 行 去 噪 处 理 。 通 常 采 用滤 波 的 方 法 进 行 噪 声 处 理 ， 常 见 的 滤 波 方 法 有 高 斯 滤 波 、 均 值 滤 波 、 中 值 滤 波 法10，以 及 能 量 法 11, 12、 拉 普 拉 斯 法 13-15、 平 均 曲 率 法 16等 。 数 据 简 化 ： 由 于 采 用 光 学测 量 法 得 到 的 数 据 点 集 一 般 比 较 庞 大 ， 存 在 大 量 的 冗 余 数 据 ， 严 重 影 响 后 续 重 建 算 法的 效 率 ， 故 有 必 要 在 满 足 一 定 要 求 的 条 件 下 ， 对 测 量 数 据 进 行 简 化 。 例 如 ， 飞 机 结 构数据预处理模型重建2简 化 。 数 据 修 补 ： 在 数 据 采 集 过 程 中 ， 由 于 被 测 实 物 本 身 的 几 何 拓 扑 原 因 或 者 是件 上 装 配 了 许 多 为 满 足 力 学 以 及 其 它 性 能 要 求 的 辅 助 零 部 件 ， 如 铆 钉 、 加 强 筋 等 ， 而在 采 用 流 动 式 光 学 测 量 系 统 采 集 飞 机 结 构 件 表 面 数 据 时 ， 不 可 能 将 这 些 辅 助 件 全 部 拆除 ， 这 样 飞 机 结 构 件 的 测 量 数 据 中 包 含 了 大 量 的 冗 余 数 据 ， 若 将 这 些 冗 余 数 据 作 为 飞机 结 构 件 测 量 数 据 的 一 部 分 来 进 行 后 续 处 理 ， 不 仅 降 低 了 数 据 分 割 的 效 率 ， 同 时 也 会增 加 后 续 特 征 重 建 的 误 差 ， 降 低 重 建 质 量 。 不 同 类 型 的 点 云 可 采 用 不 同 的 简 化 方 法 ，对于规则点云可采用等间距均匀简化、倍率简化、等量简化、弦偏差简化等方法 1处 理 ； 对 于 散 乱 点 云 ， 可 采 用 随 机 采 样 、 均 匀 采 样 、 按 距 离 和 法 向 距 离 简 化 等 方 法17,18受 到 其 它 物 体 的 阻 挡 ， 经 常 出 现 部 分 表 面 无 法 测 量 、 采 集 的 数 字 化 模 型 存 在 数 据 缺 损等 现 象