（机械制造及其自动化专业论文）细水雾螺旋喷嘴曲面特征识别及数字重构研究.pdf

：1 1 i i ii iul l l lfi i iii ii ii ：y 18 8 5 4 9 6 r e s e a r c ho nc u r v es u r f a c ef e a t u r er e c o g n i t i o na n d d i g i t a lr e c o n s t r u c t i o no f m i n i f o gi m p u l s en o z z l e s q i a od e n g y u b e ( l a n z h o uj i a o t o n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rr u iz h i y u a n m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：夼整玉日期：加1 1 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：沙f f 年 月7 日 日期全户年6 月j 日 硕+ 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景l 1 2 反求工程技术的应用领域2 1 3 反求工程的关键技术及研究现状3 1 3 1 数据获取技术3 1 3 2 数据预处理技术5 1 3 3 点云数据分割技术6 1 3 4 曲面重构技术8 1 3 5c a d 模型重构1 0 1 4 课题研究意义及主要研究内容1 1 1 4 1 课题研究意义1 1 1 4 2 本文主要工作1 4 第2 章螺旋喷嘴数据测量与数据预处理技术1 5 2 1 实物数据测量技术1 5 2 1 1 接触式测量方法的特点1 5 2 1 2 非接触式测量方法的特点1 6 2 1 3 三维数据测量方法的选择1 6 2 2 基于反求工程的细水雾螺旋喷嘴的测量1 7 2 2 1 基于反求工程的细水雾螺旋喷嘴测量设备1 7 2 2 2 基于反求工程的细水雾螺旋喷嘴数据测量实现1 9 2 3 细水雾螺旋喷嘴的测量数据预处理2 4 2 3 1 测量数据分类2 4 2 3 2 数据精简2 5 2 3 3 数据平滑和孔洞修补2 7 2 4 本章小结2 9 第3 章点云数据特征识别与提取3 0 3 1 反求工程中的特征技术3 0 3 1 1 反求工程中的特征定义及其分类3 0 3 1 2 特征识别和提取技术3 2 3 2 细水雾螺旋喷嘴的特征提取3 3 细水雾螺旋喷嘴曲面的特征识别及数字重构研究 3 2 1 截面轮廓线的提取3 3 3 2 2 扫描轨迹线的拟合3 6 3 3 本章小结3 8 第4 章细水雾螺旋喷嘴模型重构及误差检测3 9 4 1 曲面重构方法3 9 4 1 1 基于曲线的曲面重构方法3 9 4 1 2 曲面片直接拟合的曲面重构方法4 0 4 1 3 曲面重构方法的比较4 1 4 2 细水雾螺旋喷嘴曲面重构4 1 4 2 1 细水雾螺旋喷嘴曲面重构方法的选择4 1 4 2 2 细水雾螺旋喷嘴曲面重构流程4 2 4 3 细水雾螺旋喷嘴曲面重构误差分析4 5 4 3 1 误差分析的目的4 5 4 3 2 反求的误差来源4 5 4 3 3 螺旋喷嘴重构曲面误差分析4 6 4 4 本章小结4 7 结论4 9 参考文献5 0 致谢5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 5 硕士学位论文 摘要 随着哈龙灭火剂的限用和面临的淘汰，细水雾灭火技术以其无环境污染、灭火迅速、 耗水量低、对防护对象破坏性小等特点展示出广阔的应用前景，目前己成为火灾科学前 沿研究热点之一。在各种细水雾灭火系统中，雾化喷嘴是系统的核心部件之一，喷嘴雾 化性能的优劣直接影响着所设计的灭火系统能否满足不同灭火场合的使用要求。目前国 内开发的高压雾化喷嘴大都结构复杂，运行参数多且难以控制。因此，研制出一种体积 小、重量轻、结构简单，加工、安装方便，在中、低压范围内雾化效果较好的单相细水 雾喷嘴，对细水雾灭火技术在我国的推广应用意义重大。德国m i n i m a x 公司生产的细 水雾锥螺旋喷嘴正具备了这样的优点，因此，本文利用反求设计在先进技术引进方面的 优点，对该喷嘴的特征提取和曲面重构进行了相关研究。 本文对常用的数据获取技术进行了分类讨论，分析了不同的测量方法各自特点和适 用场合，选择测量速度快，精度较高的德国g o m 公司的a t o s = 维光学扫描仪对喷嘴进 行数据测量。并针对所得数据中存在的问题，对其进行了数据预处理。 研究了反求工程中特征识别与提取技术，提出了一种适用于螺旋扫描曲面的边界特 征识别与提取方法。对螺旋喷嘴切片后每一层数据点进行边界特征点提取和轮廓线拟 合，将相邻层边界点拟合得到边界线，实现了细水雾螺旋喷嘴的区域分割和特征提取。 分析了常用的曲面重构方法，对各自的特点进行了比较，在此基础上提出了基于反 求工程的细水雾螺旋喷嘴的模型重构方法和流程，实现了模型重构，并对重构细水雾螺 旋喷嘴模型进行了误差分析，确保重构曲面模型符合要求。 关键词：反求工程；细水雾螺旋喷嘴；特征提取；曲面重构 a b s t r a c t w i t hd i e i n go u to fh a l o nf i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n t ，w a t e r m i s tf i r es u p p r e s m o nt e c h n o l o g y s h o w s 嘶d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sb e c a u s eo f i t sm e r i t s ，j u s ta sn op o l l u t i o n , h i g hs p e e d ，l o w w a t e rc o n s u m p t i o n ，s m a l ld e s t r u c t i v e n e s s n o w , t h i sf i r ef i g h t i n gt e c h n i q u eh a sb e c a m eo n e o ft h em o s th o tt o p i c s i na l lk i n d so fw a t e rm i s tf i r es u p p r e s s i o ns y s t e m s ，o n eo f t h em o s t i m p o 删p a r t i st h ea t o m i z i n gn o z z l e i t sp r o p e r t yh a s d i r e c ti n f l u e n c eo nt h ep e 仃o m a i l c eo t t h ew h 0 1 es v s t e m a tp r e s e n t ，t h em a i np r o b l e mo f o u rh o m ep r o d u c t si n c l u d e ：t h es t r u c t u r eo f l en o 劢ei st o oc o m p l e xa n di t i sh a r dt oc o n t r o lt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r s s o ，i th a sb l g s i g n i f i c a n c ei fw ec a nd e v e l o pa k i n do fn o z z l ew i t hs m a l l e rv o l u m e ，l o w e rw e i g h t , s 皿p l e m e c h a l l i c a ls t m c t u r ea n db e t t e ra e r o s o lp e r f o r m a n c e t h em i n i f o gi m p u l s en o z z l ef r o m t h e m i n i m a xo fg e r m a n yh a st h e s em e r i t sa b o v e s oi nt h i sp a p e r , w eu s et h e r e v e r s e e n g i n e e r i n g ( r e ) a s t h em a i nm e t h o dt od os o m er e s e a r c ho i lt h ef e a t u r ee x t r a c t i o na n d c u r v e s u r f a c er e c o n s t i t u t i o n i n 缸l i sp a p e r ，w ec h o o s eo n ek i n do fm i n i f o gi m p u l s e n o z z l ea st h er e s e a r c ho b j e c t a f t e r c o m p 撕n gw i t hs e v e r a lk i n d s o fd a t am e a s u r e m e n t s ，w ec h o o s et h ea t o s 丘o mg o m c o r p o r a t i o na st h em a i ne q u i p m e n tt oo b t a i n r e l a t i v ed a t a a f t e rt h a t , w ea l s od os o m e p r e 骶a 恤e n t t ot h ep o i n tc l o u da c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ed a t a b ys n i d y i l l ge x i s t i n gm e t h o d so ff e a t u r er e c o g n i t i o na n d e x t r a c t i o n , an e wm e t h o dw m c h i ss u i 诅b l ef o rs p i r a ls c a n n i n gc u r v e ds u r f a c ea n dc a nb eu s e d t or e c o g m z et h eb o u n d a 巧 c _ h 麟t c r i s t i ci sr a i s e d a f t e rc u t t i n gt h ep o i n t si n t os l i c e s ，w ed o t h eb o u n d a r yc h a r a c t e r i s t i c p o i 幽e x t r a c t i o na n dc o n t o u rl i n ef i t f o re v e r ys l i c ep o i n t s a f t e rd o i n gt h a t ，w ec a ng e t b o u n d a r vl i n eb yf i t t i n ga d j a c e n tl a y e rp o i n t s ，t h e n , w ec a nr e a l i z eo u rp u r p o s eo ft e a t u r e e x t r a c t i o n 尉衙锄a l 蛐ge x i s t i n gm e t h o d s ，w ed oc o m p a r i s o no n t h e s em e t h o d s an e wm e t h o d w t l i c hi ss u i t a b l ef o rs p i r a ls c a n n i n g c u r v e ds u r f a c ea n dc a nb eu s e dt or e c o g r a z et h e b o u i l d a r yc h a r a c t e r i s t i ci sr a i s e d b yu s i n gt h i sm e t h o d ，w eg o t t h ec a dm o d e lo ft h i sp a r t a 船rd o i n gt h ee r r o ra n a l y s i s ，w ef i n dt h ec a d m o d e lc a r ls a t i s f yo u rr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；m i n i f o gi m p u l s e n o z z l e s ；f e a t u r ee x t r a c t i o n ； s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n h 硕士学位论文 i i i i 一一一一一i i 一一一一 _ _ 一i l l 皇曼曼皇曼曼曼! 曼兰曼曼曼曼曼皇曼! 皇曼! 曼曼曼! 曼舅曼蔓皇曼舅舅曼璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼蔓 1 1 课题背景 第1 章绪论 如何更快、更好的发展科技和经济，是世界各国极为关注的问题。普遍采用 的手段就是充分利用别国的科技成就加以消化与创新，进而发展自己的技术。事 实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速度增长的战略措施。 要掌握这些技术，正常途径就是通过反求工程。实际上任何产品问世，不管是创 新、改迸还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的继承、应用和借鉴。引进技术 的应用和开发一般分为三个阶段【l 】： ( 1 ) 使用阶段对引进的生产设备等硬件技术会操作、使用、维修，在生产中 发挥作用。对图样、生产工艺等软件应通过加工和生产实践的应用了解其特点及 不足之处，即做到“知其然 。 ( 2 ) 消化阶段对引进产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、生产管理 方法等进行深入的分析研究，用科学的设计理论和测试对其性能进行计算测定， 了解其原料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术，即做到“知 其所以然”。 ( 3 ) 创新阶段对引进技术消化综合，博采众家之长，结合深入的科学研究， 通过移植、综合、改造等手段，开发具有本国特色的创新技术，并争取进一步实 现某些技术从输入到输出的转化。 由于技术保密，除非购买转让，否则很难获得产品的图样、技术文档、工艺 等技术资料，而产品实物作为商品和最终的消费品，是最容易获得的一类研究对 象。在只有产品原型或实物模型条件下， 进行生产制造，除实现对原型的仿制外， 可以基于产品实物反求工程对产品零件 通过重构产品零件的c a d 模型，在探询和 了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品 更新之目的。对于其他具有复杂曲面外形的零部件，反求工程更成为其主要的设 计方式。 传统的产品开发过程遵从正向工程的思维进行，是从收集市场需求信息着手， 按照“产品功能描述一产品概念设计一产品整体设计及详细的零部件设计一制定 生产工艺流程一设计、制造工夹具、模具等工装一零部件加工及装配一产品检验 及性能测试这样的步骤开展工作，是从未知到已知、从抽象到具体的过程。而 反求工程则是按照产品引进、消化、吸收与创新的思路，以“实物一原理一功能 一三维重构一再设计”框架进行工作f 2 3 】。其中，最主要的任务是将原始物理模型 转化为工程设计概念或产品数字化模型。一方面为提高工程设计、加工、分析的 质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的c a d c a e c a m 技术对 细水雾螺旋喷嘴曲面的特征识别及数字重构研究 已有的产品进行再创新设计服务。 二者之间的比较如图1 1 所示，其中图1 1a ) 所示为传统的正向产品开发流 程，图1 1b ) 为典型的逆向工程手段进行产品开发的流程。两者比较，区别在于： 正向工程中从抽象的概念到产品数字化模型建立是一个计算机辅助的产品“物化 过程；而反求工程是对一个“物化 产品的再设计，强调产品数字化模型建立的 快捷性和效率，以满足产品更新换代和快速响应市场的要求。反求工程技术的发 展，使得基于实物的模型重建技术得以实现，产品的设计更为便利：当手工艺 品创作时，反求建模技术使它能轻易实现从产品至i j c a d 模型转换这一过程；当 产品原型数据丢失时，用反求建模技术来实现原型数据的重新获取；当缺乏二 维设计图样或者零件设计图纸丢失或被损坏时，反求建模技术可以解决这一难题。 因此，近年来利用反求工程技术重建复杂零件c a d 模型已成为学者们研究的热点。 也正是因为如此，本文对反求工程在机械加工行业的应用进行了深入研究。 概念设计 。i 、。合格。 jr lc a d 设计图 n 产品加工 、 不合格 幻正向工程设计过程 l 样品卜- i 数字化测量卜叫c 觥型卜岁叫产品加工 不合格 b 、反求工程设计过程 图1 1 传统设计过程与反求工程设计过程的对比 1 2 反求工程技术的应用领域 反求工程在实际应用中有十分广泛的需求。概括起来反求工程可以在以下诸 多方面发挥重要作用： ( 1 ) 通过反求工程将实物模型转化为三维c a d 模型。 目前，许多外形设计还难以直接用计算机进行某些物体( 如复杂的艺术造型、 人体和其他动植物外形等) 的三维几何设计，而更倾向于用油泥、木材或泡沫塑料 进行初始外形设计，再进行模型设计。 ( 2 ) 反求工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。 由于工艺、美观、使用等方面的原因，人们经常要对己有的构件做局部修改。 在原始设计没有三维c a d 模型的情况下，若能将实物构件通过数据测量与处理产 硕十学何论文 生与实际相符的c a d 模型，对c a d 模型进行修改以后再进行加工，将显著提高生 产效率。 ( 3 ) 以现有产品为基础进行设计升级。 目前我国在设计制造方面距发达国家还有一定的差距，利用反求工程技术可 以充分吸收国外先进的设计成果，使我国的新产品设计立于更高的起点，同时加 速关键产品的国产化速度。 ( 4 ) 快速制造替代件。 某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的损坏而 停止运行，通过反求工程手段，可以快速生产这些零部件的替代件，从而提高设 备的利用率和使用寿命。 ( 5 ) 用于无损检测。 借助于工业c t 技术，反求工程不仅可以产生物体的外形，而且可以快速发现、 度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。 ( 6 ) 面向一些特殊领域的应用。 例如制作数字化人体，用于开发服装、游戏、制作影视等，还有像艺术品、 考古文物的复制，这些场合都需要用到反求工程技术。 可见，反求工程技术具有广阔的应用领域，当快速原型( i 冲) 技术在制造业中 出现以后，作为r p 技术的前端数据处理方法，r e r p 的结合成为产品创新设计与 制造的重要技术途径之一，对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业 产品的快速c a d 设计与制造水平，加快产品开发速度，提高产品市场竞争能力， 具有重要的意义和经济价值。 1 3 反求工程的关键技术及研究现状 反求工程技术最早是2 0 世纪8 0 年代初分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研 究所以及美国u v p 公司提出并研制开发成功。9 0 年代后期，反求工程在我国得到 了推广和发展。目前已有一些高等学府和企业正致力于这方面的研究。如浙江大 学、西北工业大学、南京航空航天大学、西安交通大学、清华大学、上海交通大 学、华中科技大学。而今，它已成为了支持产品开发和技术创新的有效工具。已 经在各行各业中得到了广泛的应用，如家电、汽车、玩具、轻工机械、煤矿机械、 建筑业、医疗、航空航天、兵器、服装业、考古文物、艺术品等行业。 反求工程可分为数据获取、数据与处理、数据分块与曲面重构、c a d 模型构造 以及快速原型等五大关键的技术1 4 j 。 1 3 1 数据获取技术 数据获取是反求工程实现的第一步，是数据处理、模型重建的基础。该技术 的好坏直接影响对实物( 零件) 描述的精确度和完整度，从而影响重构的c a d 曲 细水雾螺旋喷嘴曲面的特征识别及数字重构研究 面和实体模型质量，最终影响快速成型或数控加工出来的产品是否真实地反映原 始的物体模型，因此，它也是整个原型反求的基础。数据的获取通常是利用一定 的测量设备对零件表面进行数据采样，得到的是采样数据点的o ，y ，z ) 坐标值。反 求工程采用的数据获取的方法大致分为两类1 5 , 6 】：1 ) 接触式测量方法、2 ) 非接触 式测量方法。 1 ) 接触式数据测量方法，包括基于力触发原理的触发式数据测量和连续扫描 数据测量、磁场法、超声波法等，用于的接触式测量方法的设备有机械接触式三 坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 或机械手臂( r o b o t ) 。 ( 1 ) 触发式数据测量方法 触发式数据测量采用触发探头，当探头的探针接触到样件的表面时，由于探 针尖受力变形触发采样中的开关，这样通过数据测量系统记下探针尖的当时坐标， 逐点移动，就能测量到样件表面轮廓的坐标数据。在触发式数据测量过程中，由 于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探 针需要法向退出以避免过量而折断，因此数据测量速度较低。数据需进行测头半 径补偿，而且由于测量力的存在，对一些软质表面或易损伤物体表面无法进行测 量。 ( 2 ) 连续式数据测量方法。 连续式数据测量采用模拟量开关采样头，由于数据测量过程是连续进行的， 速度比点接触触发式采样头快，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许 用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制造的模型。且采样速度快， 连续式数据测量可以用来测量大规模的数据。 ( 3 ) 磁场法。 该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面运动， 通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数字化， 其特点是不需要像坐标测量机一类的设备，但不适宜于导磁的样件。 2 ) 非接触式测量根据测量原理的不同，分为光学测量法、工业c t 测量法、核 磁共振( m r i ) 测量法、超声波测量法、电磁测量法、层析法等方式，较为成熟的是 光学测量法。光学测量法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三 角法( l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o d s ) 、结构光法( s t r u c t u r em e t h o d s ) 以及图像分析法 ( i m a g ea n a l y s i sm e t h o d s ) 。而其他非接触式测量方法在反求工程中应用较少。 ( 1 ) 激光三角测距法。 激光三角测距法是反求工程中曲面数据采集应用最广泛的方法，其基本原理 为【8 j ：利用具有规则几何形状的激光束或模拟探针沿样品表面连续扫描，被测表面 形成的漫反射光点( 光带) 在光路中安置的图像传感器上成像，按照三角形原理， 测出被测点的空间坐标。典型的激光三角形法测距光路，如图1 2 所示。 ( 2 ) 结构光法。 硕士学位论文 将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄得反射光的图像，通过对比 不同模式之间的差别来获取样件表面的点的位置。它的特点是不需要坐标测量机 等精密设备，造价比较低，但精度较低，操作复杂。 ( 3 ) 图像分析法。 与结构光法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定物体同一点在 两幅图像中的位置，由视差计算距离。由于匹配精度的影响，图像分析法对形状 的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确地 描述具有复杂曲面的三维实体造型。 发射光 学系统 圈 心 ， ，：$ # i 参考平面 哆勺弋憾 器 图1 2 激光三角法测距光路 ( 4 ) 工业计算机断层扫描成像法( i n d u s t r i a lc o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 。 工业计算机断层扫描成像( 简称i c t ) 是对产品实物经过i c t 层析扫描后，获得 一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部结构 的完整信息，不仅可以进行工件的形状、结构和功能分析，还可以提取产品工件 的内部截面，并由工件系列截面数据重建工件的三维几何模型。i c t 的最大优点在 于它能测量工件内部断面的信息，并且不对零件造成破坏，因而适用于任意的形 状结构，但测量精度不高。 ( 5 ) 层析法。 采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外 轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于适用于对任 意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，不足之处是测量方式是破坏性不可 逆的过程。 1 3 2 数据预处理技术 由数字化设备采集的三维测量数据一般需进行预处理后才能进行后续的曲面 细水雾螺旋喷嘴曲面的特征识别及数字重构研究 建模，数据预处理的效果直接决定曲面重构的质量，数据预处理技术是联系表面 数据测量和曲面重构的纽带，也是反求工程中的关键技术。预处理主要包括：数 据点的去噪处理、数据压缩、数据插补及光顺、多视拼合等，对于接触式测量所 得的测量数据还需进行测头半径的补偿。 ( 1 ) 数据去噪 无论采用何种测量方法，测量数据总存在噪声信号，在数据预处理中应设法 予以过滤。非接触式测量噪声信号主要来自镜面反射等因素；接触式测量噪声信 号主要来自测量过程的振动。当模型表面光滑时，振动较小；当模型表面不太光 滑时，振动较明显，尤其在坡度较大的表面处振动更明显。噪声的去除前提是对 噪声点的正确判断，由于测量数据之间没有明显的拓扑关系，噪声点的精确判断 和去除无法做到，可用的方法人机交互方法、或平滑滤波方法，数据平滑通常采 用标准高斯、平均或中值滤波。也有采用图像处理技术进行。 ( 2 ) 数据删减 对于高密度“点云”，由于存在大量的冗余数据，有时需要按一定要求减少 测量点的数量。不同类型的点云可采用不同的精简方式。对于散乱点云可采用随 机采样的方法来精简；对于扫描线“点云 和多边形点云可采用等间距缩减、倍 率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；网格化“点云 可采用等分布密度和最小包 围区域法进行数据缩减。 ( 3 ) 多视图拼合 在一些工程应用中要求建立整个物体的几何模型，但是一次测量或扫描只能 得到物体一部分的信息，这时就需要移动物体或测量设备，并进行多次测量，这 样就得到多个视图，将这多个视图拼合起来，就可以得到整个物体的表面信息。 在多视图拼合中的一个主要的问题是坐标归一化处理和数据重叠处理。常用方法 有3 种：点位法、固定球法和平面法。在视图拼合时，首先通过人一机交互的方 法利用坐标平移和旋转的方法确定初始的几何匹配位置，得到初始的形状匹配误 差和坐标变换矩阵，然后，采用距离直接计算方法和最小平方法等优化方法，优 化形状误差，得到高精度的多视图匹配结果。 由于构成实体的表面形状复杂，加之缺少对物体表面的精确数学表达，使得 数据预处理变得异常困难，各种处理方法都是近似地处理。同时，数据预处理是 为最终曲面重构作准备，因此，数据预处理技术研究的重点就是一方面保证数据 处理精度，另一方面，便于后续曲面重构的进行。 1 3 3 点云数据分割技术 大多数产品的几何模型都不能用单一曲面来表示，通常是由若干不同类型的 曲面构成的。因此在曲面重构时，需要对点云数据进行分割处理，针对每一片点 云用恰当的曲面来拟合。目前数据分割基本有两种方法，即基于边界的方法和基 硕+ 学位论文 于面的方法。 基于边界的方法是先寻找曲面之间的边界点，边界点就是在该点处的法线方 向发生突变的点。如果可能存在光滑边界( 切矢连续) ，就需要寻找曲面上曲率或 高阶导数不连续的点。在找到了边晃点之后，再将这些边界点拟合出各分片点云 的边界线，利用这些边界线就可以将整个点云数据分割成不同的区域。 1 9 9 5 年，美国俄亥俄州立大学h u a n g 博士1 1 4 】首先对点云数据进行三角化，然后 基于网格边的方向曲率识别边界边，最后应用区域生长法对网格平面片进行分组 从而实现区域分割。 2 0 0 2 年，南朝鲜光州科技研究所w o o 1 5 j 提出了基于八叉树的三维栅格细分法。 算法首先对激光扫描数据进行三角化，并估算法矢；然后对点云数据包围盒进行 八叉树细分，直至包含在栅格内的点的估算法矢标准偏差小于用户输入的最小值； 最后对边长小于某一定值的栅格进行合并并识别点云棱边，进而基于区域生长法 实现扫描数据区域分割。为了提高反求工程建模的效率，浙江大学的柯映林【1 6 】提 出了一种基于空间栅格的区域分割方法。该方法采用二次抛物面模型计算散乱数 据点的曲率，利用空间栅格结构建立散乱点的拓扑关系，根据栅格中数据点与栅 格中心点的相对位置计算栅格曲率以及相邻栅格间的曲率差值，由曲率差函数判 别并抽取边特征栅格，通过特征栅格的空间位置与曲面栅格的连通性实现了空间 散乱数据的区域分割。 西安交通大学董明晓博士【1 7j 提出了一种基于数据点曲率变化的区域分割方 法，即先对每一条扫描线上的数据点求取曲率值，然后将其中曲率值变化较大的 点提取出来作为边界点，当边界确定后，再将云点数据分割成多个区域。 基于边的区域分割方法的关键是提取边界特征，德国的c s c h o e n e h m a n n 等人 【l8 】提出了一种特征提取的方法：他们把边界特征分为三种类型：分离的边界，尖 锐的边界和光滑的边界，并且研究了通过计算曲率的方法自动和半自动提取边界 线，然后通过边界线对点云数据进行分割。 基于面的方法则是从种子点开始，假设种子点及其邻域属于某一类型的曲面， 在种子点周围逐渐加入属于这一曲面的邻接点，邻接点不断增长，直到没有属于 当前区域的相邻的点，这些点构成了具有相同属性的点云连通区域，作为一片需 要重构曲面的原始点云数据。可以在零件表面的不同区域选取种子点，生成不同 的点云，然后通过合并、延伸、相交等操作来得到各片点云之间的边界。 i o a n n i sk y r i a z i s 1 9 j 提出了基于平面的区域分割方法：首先对点云数据进行平 面分割，平面分割散乱点有很多种分割方法，可以通过在一个固定的方向( l l 如x ， y ，z 轴方向) 来生成一系列间距相同的平面，然后通过平移、旋转来得到最适合的 分割位置，两平面之间的区域就是分割的区域。 香港大学的d o n gm i n g y a n 等 2 0 1 提出了基于二次曲面拟合的区域分割方法， 细水雾螺旋喷嘴曲面的特征识别及数字霞构研究 该方法扩展了以往用特殊的二次曲面拟合点云数据的区域分割方法。通过计算近 似几何距离，用一般二次曲面方程拟合点云数据。在拟合误差控制下进行区域分 割。 通过这两种方法的对比可以发现，基于边界的技术存在以下问题：1 ) 敏感数 据，特别是激光扫描得到的数据，在清晰边界处不可靠；2 ) 可用于数据分片的点 的数目少，仅限于采用的边界点的范围内，这就意味着大量其他点的信息不可以 用来辅助生成可靠的面片；3 ) 寻找光滑边界点( u p 切矢连续或更高阶连续的点) 十分 困难，这是由于存在噪声点和测量误差引起的；另一方面如果首先对数据进行光 顺处理以减少误差，那么可能使计算出的导数发生变化，而且，过滤噪声点可能 会移动特征的位置。 基于面的技术具有以下优点：1 ) 使用更多的点，最大限度的利用了所有可以得 到的数据。2 ) 可以直接确定哪些点属于哪些曲面。3 ) 直接提供了点云数据的最佳拟 合曲面。 但基于面的方法也存在一些缺点：1 ) 很难选定最佳的种子点；2 ) 如果加入了坏 点，那么会破坏对当前曲面属性的估计。3 ) 无法表示出一张复杂的自由曲面，而 是会生成很多模型中并不包含的细小平面或二次曲面，得不到预期的结果。 因此，一些学者提出了将基于边界的分割技术与基于区域的分割技术结合的 方法。基于边界和区域相结合的分割方法结合了两种独立方法的优点，但在具体 的细节上还存在一些问题，如何合理地将这两种方法结合起来是需要进一步研究 的课题。在对待一般的简单曲面时。可以利用基于区域的方法得到准确的曲面模 型，对于自由曲面则可以采用基于边界的方法，找到自由曲面的边界，达到对自 由曲面分割的目的。 1 3 4 曲面重构技术 曲面重构是反求工程的关键环节，根据曲面拓扑形式的不同，可以将曲面重 构方法分为三大类：1 ) 基于矩形域曲面的方法；2 ) 基于三角域曲面的方法；3 ) 基于几何特征及约束的模型重建方法。 ( 1 ) 基于矩形域曲面的方法 在计算几何里，常用的曲面模型有c o o n s 、b e z i e r 、b s p l i n e 、n u r b s 等，它 们对应三维空间的一个矩形参数域，曲面边界由四条边界曲线表示。因而这类曲 面的拟合方法一直是曲面拟合的研究重点，许多研究成果已成为成熟技术在 c a d c a m 中广泛使用。 其中n u r b s 方法具有两个突出的优点：1 ) 可以精确地表示二次规则曲面，从 而能用统一的数学形式表示规则曲面和自由曲面；2 ) 具有可影响曲线曲面形状的 权因子，使形状更易于控制和实现。由于n u r b s 方法的这些突出优点，国际标准 化组织( i s o ) 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据交换的s t e p 国际标准【2 3 1 ，将 硕十学位论文 n u r b s 方法作为定义工业产品几何形状的唯一数学描述方法，各种成熟的商业化 c a d c a m 软件也普遍采用n u r b s 方法作为自由曲面造型的标准。 对n u r b s 曲面的重构，一般首先将大规模的数据点进行压缩，再进行曲面 重构。来新民等【2 4 , 2 5 j 提出了基于曲率测度的大规模散乱数据点自适应压缩方法， 再用n u r b s 曲面进行拟合。胡鑫等【2 6 】提出了基于三角剖分原理建立散乱点云数 据的拓扑关系，提取边界完成点云的自动分割，然后用自由曲面或是二次曲面进 行拟合。 n u r b s 方法也存在一些问题：1 ) 曲面光顺性难以保证、计算复杂；2 ) 曲线 网格的建立、分块等很难自动完成，需要较强的交互参与；3 ) 曲面构造的精度较 难控制，若不能满足要求，往往必须从头开始计算。 ( 2 ) 基于三角域曲面的方法 为了弥补矩形域曲面拟合散乱数据和不规则曲面的不足，人们探讨了采用三 角b e z i e r 曲面拟合或直接利用三角网格离散曲面进行重构的技术，它具有构造灵 活、边界适应性好等特点，一般用于具有任意拓扑结构的散乱数据曲面造型中。 该方法通过三个步骤：( 1 ) 初始曲面估计，( 2 ) 网格优化，( 3 ) 生成分段光滑曲面。 可以在测量数据上构造一张整体连续的复合三角b e z i e r 曲面模型。 在国外，这方面的研究工作华盛顿大学起步较早，h o p p e t 2 8 】对大规模散乱测量 数据的三角b e z i e r 曲面重构问题进行了研究。p a r k l 2 9 】提出了一种自适应的光滑曲 面逼近大规模散乱点的方法，他们用分段三次b e z i e r 三角代数曲面作为最终输出 结果，而使各三角曲面片之间达到跨边界g 1 连续。 在国内，柯映林【3 0 j 利用b e z i e r 三角曲面插值来拟合分片点云，再以b e z i e r 三 角曲面作为过渡曲面进行n u r b s 曲面光滑重构，生成c a d 模型。d a p a nc h e n t 3 1 】 等提出了一种微量遗传算法( m i c r og e n e t i ca l g o r i t h m ) 与c 1 曲面函数插补相结合的 方法，该方法适用于不规则点云曲面网格的形成。 三角曲面能够适应复杂的形状及不规则的边界，因而在对复杂型面的曲面构 造过程中，具有很大的应用潜力。其不足之处在于所构造的曲面模型不符合产品 描述标准，并与通用的c a d c a m 系统通讯困难。 ( 3 ) 基于几何特征及约束的模型重建方法 产品模型重建过程中的一个重要目标就是还原模型几何特征以及它们之间的 约束。孤立地拟合测量点形成曲面片的原型重建方法存在两个不足：一是没有准 确还原几何特征：二是拟合过程没有考虑特征问题的约束关系和模型的整体信息。 由于不能表达零件对象更高层次的结构特征信息，对只要求提供零件位置信息的 下游应用，如零件数控仿形、直接生成模具等，其数据模型描述是基本合适的， 但涉及到产品改型、创新设计、c a p p c a m 集成等，特别是自由曲面组成的外形， 就存在编辑、修改和表达的困难。基于特征及约束的c a d 建模有以下优点： 细水雾螺旋喷嘴曲面的特征识别及数字重构研究 1 ) 能捕捉和还原设计意图，使重建模型更接近原型，减少数据冗余； 2 ) 能准确表述零件的几何关系，易于实现测量数据和零件的定位和装配； 3 ) 重建模型实现参数化表达，方便设计的编辑、修改，达到创新设计的目的： 4 ) 模型检测简化且准确。 基于特征的重建技术，需要解决的问题是，如何从离散的数据点识别和抽取原 有的形状几何特征信息。现有的研究多集中在数据分割的表面棱线、区域边界和 规则表面( 平面、柱面和等、变半径过渡曲面特征的识别上，对自由曲面的重建， 只是从曲面拟合的角度研究了旋转、扫成、放样曲面的重建问题，尚无完整的特 征建模方法，对面向反求工程的特征定义、分类、特征数据模型定义、基于特征 的模型测量规划等则少有研究涉及。 基于特征和约束的曲面重构的技术包括两个内容：特征识别和抽取，难点是 自由曲面组成的复合曲面特征的处理，一个解决办法是通过造型的方法去识别和 还原特征，这时可以定义自由曲面特征为造型特征，上述的旋转、扫掠等曲面的 重建研究便体现了这种思想。在特征恢复时考虑特征间的约束关系，即在对测量 点拟合的同时增加一个或一个以上几何约束，如平行、垂直、相交、共线、共面 等。难点是随着约束数的增加，方程的矩阵阶数也增大，使求解困难。 1 3 5g a d 模型重构 反求工程最后阶段的目的是生成用b r e p 方法表示的连续c a d 模型。如果采 用基于面的方法，可能在各面片之间发生重叠或存在缝隙。如果各面片之间没有 清晰的边界，就需要通过延伸面片来处理。我们假定模型采用b r e p 方法表示，即 用面、环、边、点来定义物体的位置和形状。在建立物体的模型之前获取尽可能 多的预先信息，也就是表面的全局特征是非常重要的。例如，假定我们得到了一 系列从圆柱面上的测