基于细分曲面的反求工程CAD系统设计.pdfVIP

3 1 基于细分 曲面的反求工程 C A D系统设计 张明容， 王丽 ( 华南理工大学 广州汽车学院汽车工程系， 广东 广州 5 1 0 8 0 0 ) 摘要： 通过对细分曲面的两种基本细分模式的研究， 设计了一个基于细分的反求工程 C A D系统。这个系统可以将物体的 三维离 散数据进行简化， 然后根据不同的细分方法， 反求出物体的 C A D模型， 而且这个系统可以对模型进行旋转、 平移、 缩 放、 局部放大、 整屏显示全图等操作。 关键词 ： 反求工程细分曲面C A D 中图分类号 ： T P 3 9 1 文献标识码 ： A 文章编号： l0 0 2 6 8 8 6 ( 2 0 1 1 ) o 1 “ 0 0 3 1 0 3 De s ig n in g a CAD Re v e r s e En g in e e r in g S y s t e m Ba s e d o n S u b d iv is i o n S u r f a ce Z HA NG M in g r o n g， W ANG Li Ab s t r a ct ：A C AD mo d e l r e co n s t r u ct i o n s y s t e m b a s e d O i l s u b d i v i s i o n is d e v e lo p e d a cco r d i n g t o d e e p l y s t u d y t h e s u b d iv i s io n S i l l - f a ce T h is s y s t e m ca n s i mp li f y t h e t h r e e - d i me n s i o n a l d is cr e t e d a t a， t h e n r e co n s t r u ct t h e C AD mo d e l b a s e d o n d i ff e r e n t s ub d i vi s i o n me t h - o d s An d i t ca n a lS O r o t a t e r e mo v e and z o o m the mo d e l and ma g n i f y t h e p a r t v i e w Ke y wo r d s： Re v e r s e En g in e e r i n g；s u b d iv i s io n s u r f a ce；C AD 0引言 反求工程( R e v e r s e E n g i n e e r in g， R E ) 是对实 物进 行三维数字化处理， 将获得的三维离散数据作为初始素 材， 借助 C A D C A E C A M系统， 构造产品的 C A D模型， 输 出N C加工指令， 制造产品的一种产品开发模式。在反求 工程中， 数据的获取和处理、 曲面重构是其关键技术， 其中 曲面重构在反求工程的关键技术中占有极其重要的地位。 因此， 应用恰当的曲面重构方法非常重要。目前， 应用最 多的曲面重构方法是细分曲面法， 与其它的曲面重构方法 相比， 细分曲面( s u b d i v is i o n s u r f a ce ) 具有局部支撑性、 高 效性、 细仿射不变性、 算法简洁性、 整体连续性等等优点， 所以本文采用细分曲面作为曲面重构的方法。 然而在细分曲面应用于反求工程曲面重构时， 绝大 多数是对以前的细分方法进行改进或者提出一种新的细 分方法。而很少有人把几种细分方法用于同一个反求工 程系统中。针对此问题 ， 本文提出了一种基于细分曲面的 反求工程 C A D系统。这个系统包含了两种基本的细分， 可以根据输入的三维数据选择不同的细分方法。 1 细分 曲面 1 1 C a t m u l 1 C la l k细分模式 C a t m u ll C la r k细分模式 的初始网格是四边形网 格。V F是新面点， V E是新边点， w 是新顶点， 则： ( 1 ) F一 顶点 设面的四个顶点为 。 ， ， ： ， ， 则相应 的 F一顶点的 位置取为 ： F= v o+ 1 + 2+ 3 ) 4 ( 2 ) E一顶点 设内部边的端点为V o ， 共享此边的两个四边形面分 别为 V o ， ， ， V )和( ， ， ) 4 ， ) ， 那么与此内部边相对 应的 E一顶点为 ： = 詈 ( ) + ( ： ) ( 3 ) V一顶点 若内部顶点 的1 一 邻域的边界顶点依次为 。 ， - ， ，其中n= I l ( 1 l 表示顶点V 的邻边数) ， 偶数下标 的顶点为邻点， 奇数下标的顶点为其 四边形面上的对角 点， 相应的V一顶点为： = + 蓑 + 鲁 其中J8 =3 ( 2 n ) = 1 ( 4 n ) =1一卢 一 ( 4 ) 边界边( 。 ， ) 上的 E一顶点 v 0 + 1 ) ( 5 ) 边界顶点 在边界上的两个相邻顶点为 ， ， 则 的 V一顶点为 ： =i1( + )+ 3 C a t m u llC la r k 细分的正则点C 2 连续， 奇异点cl连 中 国 机 械 采 购 网 3 2 续。 1 2 细分模式 细分模式 的初始控制网格为三角形 ， 在每个三 角形面中插入一个 F一顶点， 并与该三角形的三个顶点相 连， 共享一条边的两个三角形对应的 F一顶点也相连 ， 最 后删除原来的边得到新网格。 细分时， 它只生成新面点 V F 和新顶点 V V 。 ( 1 ) F一顶点 设三角形面片的三个顶点为 ， ， ： ， 则新插入的F一 顶点 ： = ( V 0+V 1+ 2 ) 3 ( 2 ) V一顶点 若内部顶点 的1 一 邻域的边界顶点依次为 。 ， 一 ， 其中n：I l ， ( 1 l 表示顶点 的邻边数) ， 相应的 V一顶点为 ： n， n l = ( 1 一 O gn ) V + 其中的权值为： =( 4 2 co s ( 2 w n ) ) 9 3细分所有的点都 c1 连续。 2 基于细分曲面的反求工程 C A D系统设计 根据 C a t m u ll C l a r k细分 细分两种细分模式的细 分规则、 初始网格形式、 连续性等， 采用 Mi cr o s o ft V is u a l C + 6 0 , M F C类库、 O p e n G L图形函数库等工具， 开发一个 基于细分的逆 向工程 C A D系统 。 2 1系统功能结构 系统的主要功能是 以用户 提供 的样 品( 以粘 土或木 模等材料表达的设计者的理念) 的三维离散数据为初始素 材， 首先完成对初始离散数据的平滑、 精简等预处理， 借助 曲面细分技术实现三维曲面的重构， 构造出样品的 C A D 模型。系统主要由文件管理、 数据预处理 、 细分曲面重 构、 图形显示、 几何数据管理五大功能模块组成。整个系 统功能结构图如图 1 所示。 基于细分的反求工程 C A D 系统 l l l l 文件管理 图形显示 l 几何数据管理 l 数据预处理 l细分曲面重构 _ L _ L - L 上 上 上 _ l_ _ L _ _ L _ 上 上 L 上 上 L 上 工 点 S T I C 醛 视 标 材 几 几 几 平 数 数 构 E C 作 云 标 标 图 准 质 何 何 何 滑 字 据 建 细 细 区 文 准 准 动 视 与 元 滤 精 分 初 分 分 文 件 文 文 态 图 光 素 素 素 波 简 割 始 件 输 件 件 变 显 照 的 的 的 细 输 入 输 输 换 示 设 添 隐 拣 分 入 入 出 转 置 加 藏 选 网 输 换 删 显 查 格 出 到 盥 - 7- 一 一 一 一 一 。 一 L 一 - 7 - 。 _ 1 上 上 上 _ 1 穗 ：M M 旋 视 视 四 三 测 转 图 罔 边 角 涣 量 皿 局 全 形 形 量 数 移 部 屏 网 匣 据 缩 放 显 格 棉 文 放 大 不 j 件 _一_ _ 一 一 图1 系统功能结构框 图 2 2系统的实现 系统 的开 发环境 基于 Win d o w 2 0 0 0操 作 系统 ， 采用 M icr o s o f t V is u a l C+ 6 0 、 M F C类库、 O p e n G L图形函数库 等工具开发 。 2 2 1系统的数据结构 反求逆向工程 C A D系统共包含 4种基本 的几何模 型： 点云、 曲线、 曲面、 S T L实体， 它们对应的类名称分别是 C MP o i n t C lo u d 、 C M C u r v e 、 C M F a ce 、 C M S t l。这 些 类 均从 类 C M G e o m e t r y O b j e ct 继 承而来。类 C M G e o m e t r y O b j e ct 包含 了所有几何模型的共有属性和方法， 例如模型的名称、 最 大最小 X Y Z坐标值 、 模型的外包围球半径等。 2 2 2系统文件输入输出接 口的实现 本系统用到 的接 口主要有点云文件输 入接 口、 I G E S 文件输出接口、 S T L文件输入接口 三种标准文件接口。 点云文件包括两种 A S C I I 格式的文件类型， 一种是激 光扫描测量得到的“ a s c” 文件， 另一种是接触式坐标测 量机测量得到的“ cp t ” 文件。一个点云文件仅能存放 一 个点云， 点云的每一个点都单独占一行， 并按照 X Y Z坐 标值从左到右排列， 中间由空格隔开， 根据这一特点不难 编制出读取上述两种格式的点云文件的程序代码。 I G E S是一种中性文件， 采用 I G E S 标准文件将系统 A 中的数据传送到系统 B中时， 必须先由系统 A的I G E S 前 处理器将数据转换成I G E S 标准格式， 由系统 B读入后， 再 由其 I G E S 后处理器将 I G E S 标准数据文件转换为系统 B 内部的数据文件 。反求 C A D系统实现的 I G E S标准输出 模块可直接读取系统几何数据存储结构 中的曲线和 曲面 模型， 然后映射成 I G E S文件所要求的文件格式。 S T L ( S t e r o lit h g r a p h y ) 文件是 C A D系统与快速成型制 造系统进行数据交换的接口规范， 它是通过对 C A D实体 模型或表面模型进行 三角化离散得到的。该 文件用很多 的三角平面片近似表示曲面( 三角平面片越多， 对曲面逼 近的精度就越高) ， 并给出每个 三角平面片的外法矢和三 个顶点的 x 、 Y 、 Z 坐标。 2 2 3系统主要绘图及视 图动态变换功能的实现 基于细分的逆向工程 C A D系统主要功能是将三维测 量数据点相连构建初始三角形或四边形网格， 然后根据相 应的细分算法进行细分， 逐渐逼近极限曲面， 其中主要用 到的是 O p e n G L的点与点之间的直线 的绘制功能。同时 要实现模型的多角度显示， 包括动态旋转、 平移、 缩放、 视 图的局部放大、 整屏显示全图等各种基本的图形操作， 主 要用到 O p e n G L的平移 、 旋转和缩放功能。 2 3系统界面 系统界面由菜单栏、 工具栏、 主窗口、 状态栏组成， 如 图2所示。 3 3 - 其中， 菜单栏 中的“ 反求” 菜单 项是 整 个 系统 的 核心 ， 它 的主要功 能是 完 成 点 云 数 据的精 简和曲面 重构 方 法 的选 择 等。 2 4系统应用举例 图2 系统界 面 本例对象是人脸模型， 当选择反求 C a m u l l C la r k细 分时， 得到图3 ( a ) ， 当选择反求 细分时， 得到图3 ( b ) 。 图4是人脸模型 C a m u ll C l a r k细分的正视图( a ) 和局部 放大图( b ) 。 (且 ) ( b ) 图3人脸模 型的C a mu ll C l a r k 细分和 细分 ( a 】 ( b ) 图4 C a mu l l C l a r k 细分 的正视 图和局部放 大图 3 结束语 目前， 反求工程的应用越来越广泛， 设计一个完整的 系统非常重要， 本文只设计了一个简单的系统， 还有很多 方面需要改善。 细分曲面因其具有独特的优势， 在反求工程的曲面 重构中占有很重要的地位， 是未来发展的趋势。随着我们 对它的研究逐步深入， 细分曲面将在逆向工程中发挥更大 的作用。 参考文献 1 金涛， 童水光等逆向工程技 术 M 北京： 机械工业 出版社， 2 0 0 3 2 E C a t m u l l a n d J C l a r k R e cu r s i v e l y G e n g e r a t e d B S p l in e S u r f a ce s o n A r b i t r a r y T o p o i0 ca l M e s h e s J C o m p u t e r Md e d D e s ig n ， 1 9 7 8 ， 1 0 ( 6 ) ： 3 5 0 3 5 5 3 L e i f K o b b e h 一 S u b d i v i s i o n c I n C o m p u T e r G r a p h i cs P r o ce e d - in g s， An n u a l C o n f e r e n ce S e ri e s ， ACM S I G GR AP H， 2 0 0 0 4 田晓东， 史桂蓉 复杂曲面实物的逆向工程及其关键技术 J 机 械设计与制造工程 ， 2 O O O， 2 9 ( 7 ) ： 1 - 6 5 左旭， 卫原平， 阮雪榆等 利用 S T L文件进行模具复杂型面的几何 信息传递 J 模具工业， 1 9 9 7 ， 2 0 0 ( 1 0 ) ： 9 1 1 6 张艳丽 逆向工程中模型重建关键技术研究 D 南京： 南京航 空航天大学， 2 0 0 1 7 周海， 周来水 基于细分的逆向X - L其关键技术分析 J 机 械设计与制造 ， 2 0 0 3 ， 2 ： 3 作者简介： 张明容( 1 9 8 3 一) ， 女， 四川合江人， 工学硕士， 主要从事反 求工程 、 细分 曲面的研究。 王丽， ( 1 9 8 3 一 ) ， 女， 华南理工大学广州汽车学院汽车工 程系， 助教， 主要研 究方向： 汽车设计， 反求工程， C A D CAM。 收稿 日期： 2 0 1 0 8 2 5 ( 上接第