（机械设计及理论专业论文）面向再设计的逆向工程cad建模技术研究.pdf

摘要 摘要 逆向工程作为现代先进的设计方法之一，在产品开发设计中扮演着越来越重要 的角色。并随着计算机图形学、计算机辅助几何设计以及高性能计算机等相关技术 的发展，逆向工程得到了前所未有的深入研究和广泛应用。为了更加有利地支持产 品的创新设计，如何将逆向设计与正向设计相结合成为了逆向工程研究所关注的焦 点之一。本文重点研究了面向再设计的逆向工程相关技术及方法，为逆向工程技术 的应用提供指导。 根据实际当中面对不同类产品的问题，本文将研究内容分为针对结构类产品的 逆向参数化建模及再设计方法，针对曲面类产品的逆向建模及基于曲面变形的再设 计方法两类。主要以c a t i a 、t h i n k d e s i g n 等商业c a d 软件为平台，并结合逆向工 程中的相关理论，研究了逆向建模技术以及各种再设计方法。 在针对结构类产品时，提出通过现有的、成熟的商业c a d 软件，并结合特征 提取相关理论方法在结构类产品中进行各种特征的提取，如辅助特征提取、截面特 征提取、非截面曲线特征提取等等。通过这种特征的提取，使得重建的c a d 模型 能更加准确地反映原始产品的设计意图。而更为重要地是，所提取的特征为参数化 的特征，即得到是参数化特征模型，这非常有利地支持产品创新再设计。 在针对曲面类产品时，同样提出基于特征的曲面逆向建模，即自由曲线曲面拟 合及提取方法、多截面曲面特征提取、过渡曲面特征提取等等，这在准确反映原产 品设计意图的同时，也更使得曲面类产品的表面质量得到最好保证。本文对于曲面 类产品重点研究了基于曲面变形的再设计方法，如基于约束的曲面变形、基于控制 点移动的曲面变形等等。即是利用商业c a d 软件为无法参数化的曲面模型提供了 非常方便的修改手段，如此，便能使曲面类产品像结构类产品一样可以随用户需要 而进行必要地调整。 本文也通过实例证明，这些特征提取技术以及再设计方法为产品的创新再设计 提供了行之有效的途径。 关键词：逆向工程；特征提取；再设计；曲面变形 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d so fm o d e ma d v a n c e dd e s i g n ，t h er e v e r s e e n g i n e e r i n g ( r e ) i sp l a y i n ga l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rg r a p h i c s ，c o m p u t e ra i d e dg e o m e t r i cd e s i g n ，h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n ga n d o t h e rr e l a t i v et e c h n o l o g i e s ，r eh a sb e i n gd e e p l yr e s e a r c h e da n dw i d e l yu s e d i no r d e rt o r ei sc o n d u c i v et oi n n o v a t i o nr e d e s i g no fp r o d u c t ，h o wt oc o m b i n ew i t ht h er e v e r s e d e s i g na n df o r w a r dd e s i g nb e c o m e so n eo ft h ef o c u sp r o b l e m so fr er e s e a r c h t h i s t h e s i sm a i n l ys t u d i e dt h em e t h o do fr em o d e l i n gf o rr e d e s i g n ，a n di tw a n t e dt op r o v i d e t h ep r a c t i c a la d v i c ef o rr ea p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp r o c e s s i n gw a y st od i f f e r e n tp r o d u c t s ，t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e rc o n t a i n s ：r e v e r s em o d e l i n gi nt h ep r o d u c t so fs t r u c t u r a lt y p ea n dm e t h o do f r e d e s i g n ，r e v e r s em o d e l i n gi nt h es u r f a c ep r o d u c t sa n dm e t h o do fr e d e s i g nb a s e do n s u r f a c ed e f o r m a t i o n t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r eo fc a t i aa n dt h i n k d e s i g na st h e p l a t f o r mw a s u s e di nt h i sp a p e r , t os t u d yt h er e l e v a n tt e c h n o l o g yo fr e v e r s em o d e l i n ga n d m e t h o do fr e d e s i g nb a s e do nr et h e o r e t i c a l w h e nf a c i n gt h ep r o b l e mo fs t r u c t u r a l p r o d u c t s r e v e r s em o d e l i n g ，t h i sp a p e r p r o p o s e ds o m em e t h o d so fe x t r a c t i o nf o rk i n d so fc h a r a c t e ra c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g ， m a t u r ec o m m e r c i a lc a ds o f t w a r ea n dr e l e v a n tt h e o r e t i c a la b o u tc h a r a c t e re x t r a c t i o n f o re x a m p l e ：e x t r a c t i o no fa u x i l i a r yf e a t u r e ，e x t r a c t i o no fs e c t i o n a lf e a t u r e ，e x t r a c t i o no f 3dc u r v e sa n ds oo n t h r o u g ht h i se x t r a c t i o n ，w ec a nn o to n l ye x a c t l yr e f l e c tt h ed e s i g n i n t e n to fo r i g i n a lp r o d u c t s ，b u ta l s og e tap a r a m e t e r i z e df e a t u r em o d e l s ot h i si sb e n e f i t t os u p p o r ti n n o v a t i o nr e d e s i g n w h e nf a c i n gt h es u r f a c ep r o d u c t s ，t h i sp a p e ra l s op r o p o s e dt h em e t h o do fs u r f a c e r e v e r s em o d e l i n gb a s e do nf e a t u r e s t h a ti sf i t t i n ga n de x t r a c t i o no ff r e e f o r mc u r v e sa n d s u r f a c e s ，e x t r a c t i o no fm u l t i - s e c t i o n a lf e a t u r e ，e x t r a c t i o no fb l e n ds u r f a c ea n ds oo n s o i tc a ng e tac a dm o d e lf i tt ot h eo r i g i n a ld e s i g ni n t e n t ，a n da tt h es a m et i m et h eq u a l i t y o ft h es u r f a c ec a nb eg u a r a n t e e d m o r e o v e r , t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e t h o do fr e d e s i g n b a s e do ns u r f a c ed e f o r m a t i o n f o re x a m p l e ，d e f o r m a t i o nb a s e do nc o n s t r a i n t ， d e f o r m a t i o nb a s e do nc o n t r o lp o i n t sa n ds oo n t h r o u g ht h a tt h e r ei sa na p p r o a c ht o l i a b s t r a c t r e d e s i g nf o rt h a tn o n - p a r a m e t r i cs u r f a c ec a d m o d e la st h es t r u c t u r a lc a dm o d e l t h r o u g ha ne x a m p l ei nt h i sp a p e r , t h o s em e t h o d sw e r ep r o v e dt ob ea l le f f e c t i v ep a t h t op r o d u c t si n n o v a t i o nr e d e s i g n k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；e x t r a c t i o no ff e a t u r e ；r e d e s i g n ；s u r f a c ed e f o r m a t i o n i i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) 一i v c o n t e n t s v i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n g 1 1 2i n t r o d u c t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gf o rr e d e s i g n 2 1 2 1r e v e r s em o d e l i n gb a s e do nf e a t u r e s 3 1 2 2t h es t a t ea n dt r e n do fd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo fc u r v e sa n ds u r f a c e s 4 1 3r e s e a r c hc o n t e n t sa n dc h a p t e ra r r a n g e m e n t 7 1 4c h a p t e rs u m m a r y 8 c h a p t e r2r e s e a r c ho fr e v e r s em o d e l i n ga n dr e d e s i g nf o rs t r u c t u r a lp r o d u c t s 9 2 1r e v e r s ea n a l y s i so fs t r u c t u r a lp r o d u c t s 9 2 1 1a n a l y s i so ff u n c t i o na n du n d e r s t a n d i n go fd e s i g ni n t e n tt op r o d u c t s 9 2 1 2t h ep l a n n i n go fr e v e r s em o d e l i n g 10 2 2t h et e c h n o l o g yo fr e v e r s em o d e l i n gb a s e do nf e a t u r e s 10 2 2 ie x t r a c t i o no fa u x i l i a r yf e a t u r e 1 2 2 2 2e x t r a c t i o no fs e c t i o n a lf e a t u r e 17 2 2 3e x t r a c t i o no f3 dc u r v e s 2 2 2 2 4c o m p l e t et h ec a dm o d e l 2 5 2 3 t h et e c h n o l o g yo fr e d e s i g nf o rs t r u c t u r a lp r o d u c t s 2 6 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2 7 c h a p t e r3r e s e a r c ho fr e v e r s em o d e l i n g a n dr e d e s i g nf o rs u r f a c ep r o d u c t s 2 9 3 1r e v e r s ea n a l y s i so fs u r f a c ep r o d u c t s 2 9 3 1 1a n a l y s i so ff u n c t i o na n du n d e r s t a n d i n go fd e s i g ni n t e n tt op r o d u c t s 2 9 3 1 2e x t r a c t i o no fm u l t i s e c t i o n a lf e a t u r e s 3 0 3 2t h et e c h n o l o g yo fs u r f a c er e v e r s em o d e l i n gb a s e do ne x t r a c t i v ef e a t u r e s 3 0 3 2 1t h ef i t t i n ga n de x t r a c t i o no ff r e e f o r r nc u r v e sa n ds u r f a c e s 31 v i c o n t e n t s i l l 3 2 2e x t r a c t i o no fm u l t i s e c t i o n a lf e a t u r e s 4 1 3 2 3e x t r a c t i o no fb l e n ds u r f a c e s 4 6 3 2 4ac a s eo fs u r f a c er e v e r s em o d e l i n g 4 9 3 3t h et e c h n o l o g yo fr e d e s i g nt ot h es u r f a c e p r o d u c t sb a s e d o ns u r f a c e d e f o r m a t i o n 5 3 3 3 1s u r f a c ed e f o r m a t i o nb a s e do nc o n s t r a i n t s 5 3 3 3 2s u r f a c ed e f o r m a t i o nb a s e do nc o n t r o lp o i n t s 5 8 3 3 3o t h e rs u r f a c ed e f o r m a t i o nw i t hr e g u l a rg e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n 6 0 3 4c h a p t e rs u m m a r y 6 1 c h a p t e r4e n g i n e e r i n gp r a c t i c e 6 2 4 1r e v e r s em o d e l i n g 6 2 4 1 1d i g i t i z a t i o na n d p r e p r o c e s s i n go ft h em o d e l 6 2 4 1 2e x t r a c t i o no ff e a t u r e sa n dr e v e r s em o d e l i n g 6 3 4 2r e d e s i g nw i t hd e f o r m a t i o n 6 7 4 3c h a p t e rs u m m a r y 7 0 c o n c l u s i o na n do u t l o o k 7 1 r e f e r e n c e s 7 3 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gt h em a s t e rd e g r e es t u d y i n g 7 7 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n t 7 8 a u t h o r i z a t i o ns t a t e m e n to fd i s s e r t a t i o n sc o p y r i g h t 。7 8 a c k n o w l e d g e m e n t 7 9 v i l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 逆向工程的原理及应用 一般意义上，逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 指的是针对已有产品原型， 挖掘、消化和吸收蕴含在其中的涉及产品设计、制造和管理等各个方面的原理和知 识的一系列分析方法、手段和技术的综合。逆向工程也称反求工程，对其的研究 内容十分广泛，概括起来主要包括产品设计意图与原理反求、美学审视和外观反求、 几何形状与结构反求、材料反求、制造工艺反求及管理反求等n “，。而本学位论文主 要研究及所指均是产品外观及结构反求方面。 自2 0 世纪6 0 年代逆向工程发展以来，其主要以几何形状重构为目的进行c a d 逆向建模。逆向工程的基本原理即是利用数据扫描系统对需进行实物进行外观的数 据采集，然后利用逆向系统软件对采集的数据进行c a d 模型重建n “1 。其基本过程 如图1 - 1 所示： 日闻 图1 1 逆向工程基本流程 f i g 1 1p r o c e s so fr e v e r s ee n g i n e e r i n g 逆向工程主要是为了改善技术水平、提高生产率和增强经济竞争力，已经被世 界各国应用于各个行业中来消化吸收先进技术和经验。随着计算机、数控和测量技 术的飞速发展，逆向工程技术在许多领域中得到广泛应用 6 - - s 9 具体表现在以下几个 方面： ( 1 )在飞机、汽车、家电等产品开发中，产品的空气动力学性能和美学设计 显得特别重要，且设计师习惯依赖于实物模型。所以在整个产品设计过程中，首先 广东工业大学硕士学位论文 得到的是设计师所制作的一定比例木制或者油泥模型，然后才利用逆向工程技术重 建c a d 模型。 ( 2 )在缺乏二维设计图或者原始参数情况下，需要将实物零件转化为计算机 表达的c a d 模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析、计算机辅助制造等先进技 术，并进行产品创新设计。 ( 3 )在一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制，医学领域中人体骨骼、 关节等的复制、假肢制造、特种服装、头盔的制造时就需要先利用逆向工程建立人 体的几何模型，进而得到产品的c a d 模型。 1 2 面向再设计的逆向工程方法介绍 随着科技的进步，市场竞争亦变得异常激烈，我国的科技水平总体落后于很多 发达国家，在市场国际化的背景下，提高对产品的再设计和创新能力是适应这一趋 势的不二选择。逆向工程作为消化和吸收现有技术的一种先进设计理念，其意义不 仅仅是仿制，应该脱离原有产品的几何禁锢，从简单复制走向再设计，从而在原有 产品的基础之上实现创新设计他，t ”。 为了方便进行产品的再设计，首先在逆向建模时就应构建出符合原始设计意图 并可方便后续修改的数字模型，然后又有针对不同模型方便再设计的各种手段。还 原实物样件的设计意图、提高重建模型的再设计能力是当前逆向工程c a d 建模瓶 颈，也是逆向工程所研究的重点。 近年来，“特征 的思想引入到逆向工程中形成了基于特征的逆向建模方法， 并成为了逆向工程新的发展方向n 2 , 6 , 1 0 - - 4 。特征是几何参数、约束信息、拓扑信息等 各种信息的综合表达n ”。特征的概念对设计意图的理解、造型规律的识别有着非重 要的意义，并可强有力地支持创新设计。但从目前的发展水平来看，现有的技术还 远不能支持这种高层次的逆向工程需求。目前根据测量数据点云生成曲面模型，在 模型数据划分与特征识别方面是公认的首要薄弱环节，并且缺乏对逆向产品支持较 大创新的设计手段。在这种情况下，从数字化测量数据点云的区域划分及特征识别 入手，理解原有产品的设计意图，建立便于产品创新设计的c a d 模型和拓展创新 设计的手段就显得十分迫切。 作为新产品开发的一种重要手段，逆向工程的研究受到国内外学术界的广泛的 重视。国外对它的研究起步较早，目前以美、德、英、韩、匈牙利等国在技术研究 2 第一章绪论 以及应用水平居世界先进行列。国内对逆向工程技术的研究相对来说起步较晚，主 要局限于一些大学和科研院所。在国内有关逆向工程的技术研究方面：浙江大学、 西安交通大学、西北工业大学，南京航空航天大学、华中科技大学、上海交通大学、 山东大学等单位都作了相关研究并取得了一些研究成果。 近年来许多新的思想方法和数学工具的引入，丰富了逆向工程的研究理论，拓 展逆向工程的研究领域。特别是对于基于特征的逆向建模方法的研究更引人关注， 但许多关键技术还需要不断完善和发展。下面简要介绍基于特征的逆向建模、c a d 曲面变形修改等面向再设计的逆向工程技术发展情况。 1 2 1 基于特征的逆向建模 基于特征的逆向工程是将正向设计中的特征技术引入到逆向工程中产生的一 种新的逆向工程c a d 建模思路，它通过抽取表达原始设计意图的、蕴涵在测量数据 中的特征，重建出基于特征表达的参数化c a d 模型，并能很好地支持产品创新再 设计。目前主要形成了两种具有代表性的基于特征的逆向工程c a d 建模方法：特征 模板匹配方法和特征元提取方法。 特征模板匹配方法：特征模板匹配方法主要针对特定领域的逆向工程建模问 题，在对同类零件的事物或c a d 模型进行大量分析的基础上找出其公共特征，建 立所有公共特征的参数化特征模板库。在逆向工程建模时，将特征模板与测量数据 进行匹配，按匹配结果对点云数据进行分块，然后基于模板与分块点云进行约束优 化求解来修改特征参数，最后组装、编辑得到c a d 模型。这类方法中最具代表性 的是u t a h 大学的t h o m p s o n 教授n 引针对机械零件的逆向工程建模和香港理工大学的 a u t ”，针对时装模特的逆向工程建模时分别提出的建模方法。其方法在针对特定领域 的某一类实物的逆向工程建模具有一定的优势，可以快速、准确的重建出参数化特 征表达的c a d 模型。但其应用由于需建立大量同类模型的特征模板库的困难而具 有较大的局限性。 特征元提取方法：通过提取测量数据中的各中曲面基元实现数据的分块，然后 根据提取参数来重建特征曲面，或直接基于分块点云进行曲面拟合，最后基于分块 曲面重建b r e p 表达的c a d 模型。该方法中最具代表性的是匈牙利科学院计算机及 自动化研究所的b e n k o 、v a r a d y m ，等人研究成果，和以m e n q 教授为代表的美国俄亥 俄州立大学研究团队所取得研究成果n “。他们分别提出了数据分块、简单曲面、过 广东工业大学硕士学位论丈 渡曲面自动拟合及约束优化等算法。浙江大学以柯映林教授为首的研究团队在基于 特征的逆向工程方面开展了系统研究，并开发出c a d 建模系统r e s o f t 他，能提取 出二次曲面、简单自由曲面等特征所包含的相关参数信息。特征元提取方法相比于 特征模板方法具有更广泛的应用性，并逐渐成为基于特征的逆向工程的主要发展方 向。 在传统的逆向建模过程中，往往只考虑模型的几何形状，并没有考虑产品本身 的设计意图、外形特征构成以及再设计要求，即以单纯几何形状重建为逆向建模目 的。所以总的来说，基于特征逆向建模相比这种传统逆向建模具有如下的优势： ( 1 ) 表达原始设计意图，可以重建更为精确的c a d 模型 ( 2 ) 可以显著提高模型重建的效率，实现产品的快速建模 ( 3 ) 易于实现模型的参数化修改，推动产品的创新设计 1 2 2g a d 曲线曲面变形发展现状 对于主要由自由曲面构成的曲面类产品外形，特征的概念显得非常模糊，因此 特征或者参数化技术并不能在这类产品的再设计过程中提供非常有效的手段。这样 曲线曲面的变形在此时便可发挥的强大作用，为产品再设计铺平道路。曲线曲面的 变形技术着重于对已有的c a d 模型进行修改变形，从而可以快速在原模型基础之 上生成新的模型。 形状变形技术主要是针对b s p l i n e 、n u r b s 等参数曲线曲面。在1 9 8 4 年b a r r t 剐 首先提出整体和局部自由变形方法后，变形技术得到了越来越多的重视和研究。当 前，依据其与模型表达方式的相关程度，可分为与模型表达方式相关的变形技术和 独立于模型表达方式的变形技术两大类。前者通过移动控制顶点从而实现b 样条曲 面或n u r b s 曲面的变形。后者又可根据是否使用变形工具分为使用变形工具的变 形方法和直接作用于物体的空间变形方法。 ( 1 )与模型表达方式相关 a n u r b s 曲线曲面形状修改。1 9 8 9 年，p i e g l l 2 “提出了两种n u r b s 曲线曲面的形 状修改算法：基于控制顶点变动的方法和基于权因子变动的方法。对于曲线，在重 新定位控制顶点时，通过寻找对曲线上要修改点p 影响最大的顶点，可以实现曲线 上点的直接修改。对于曲面，则必须是对控制顶点的修改。通过反插节点技术，可 以实现对界定曲线曲面部分的修改，实现变形修改的区域化。 4 第一章绪论 由于该技术直观简单，且不要求设计员具有n u r b s 及几何造型方面的数学背 景知识，因而易于为工程实践所接受和推广。并在各种c a d 或者c a i d 软件中， 均集成有针对n u r b s 曲线曲面通过移动控制点进行修改的工具，为曲线曲面直观 的修改提供便利。 一 b 可变形b 样条交互变形方法。该方法是一种物理造型方法，基于能量最小化原 理，通过施加力，对可变形b 样条进行交互修改。由t h i n g v o l d 和c o h e n 乜2 1 提出的可 变形b 样条是把该曲面的控制点表达为与弹簧及铰链相联系的质点，从而使其具有 了物理属性。该方法基于非均匀b 样条曲线曲面的物理模型，通过求解能量方程， 把线面表达为一系列质点在约束力作用下的平衡，可用方程表达为： k v o = c f o ( 1 1 ) 其中v o 表示原始控制点的位置，f o 表示原始的约束力，方程建立了力与控制顶 点的关系。k 和v 分别为与模型表达及力有关的矩阵，是可求的。当对线或面施加 外力f 时，用f 表示力的改变量，用v ，表示控制点的改变量，有： k ，v r ：c f f ( 1 2 ) 其中v ，对曲线来说，r 代表要改变的控制点数，对曲面来说r 代表一个的替换 矩阵。r 可以根据需要由用户指定，它将决定变形程度的大小的范围。改变作用力 的大小，可以改变相应控制顶点移动的大小，从而可以改变变形程度的大小。反过 来，知道了曲面上某一点移动的大小，也可以求出相应控制点移动的大小，从而可 以求出应施加力的大小。这使得可以方便的把模型上的某一点移动到希望的位置。 由于模型具有物理特征，且使用了力作为变形的工具，该技术可以被形象的描述为 对模型地“雕刻”，对用户来说，该方法具有较好的直观性、交互性。 ( 2 )独立于模型表达方式 a 使用变形工具的间接变形技术。该方法把变形首先作用到变形工具上，然后通 过模型与变形工具之间的映射函数d ：r r ，把模型上的点变换到新的位置，从而 得所需的变形。依据所使用变形工具的不同，该方法可细分为如下五种： a ) 自由变形( f f d ) 方法。该方法由s e d e r b e r g 和p a r r y 心3 1 在1 9 8 6 年提取，它引入了 被称为“晶格 的参数体网格作为变形工具。在该方法中，晶格是一个被均匀划分 的平行六面体，由一个三维控制顶点数组定义。把需要变形物体嵌入到晶格中，并 建立起物体与晶格间的映射关系，当对晶格施加变形时，通过映射关系，嵌入晶格 的物体也就会相应地发生变形。 广东工业大学硕士学位论丈 b ) 扩展的自由变形( e f f d ) 方法。该方法是对f f d 方法的改进、加强。在该方法 中，不再限制变形工具必须为平行六面体，它可以是各种形状的单元网格或单元网 格的组合。当变形工具是几个单元网格的组合时，每一个单元都可以表达为f f d 方 法的一个个体，从而提供了局部变形控制。但同时，这也导致了各单元网格间连续 性问题的出现。 c ) 有理自由变形( r f f d ) 方法。有理自由变形是f f d 方法的又一种扩展。它把平 行六面体网格的控制顶点与“权”结合了起来，增加了一个用于定义变形的自由度。 当权值为单位值时，这种变形方法与f f d 方法是相同的。该技术中，用户既可以通 过移动网格控制顶点，也可以通过修改控制顶点的权值控制变形。然而，通过改变 控制顶点的权值所获得的变形常常是不可预测的。 d ) 轴变形( a x d f ) 方法。在轴变形中，模型的变形由一个新的变形工具“轴 来 控制。轴是一条与模型相联系的参数曲线。当轴发生弯曲、拉伸或扭转变形时，依 据映射关系，模型将产生相应的变形。这种变形方法操作灵活，但因物体只能沿轴 线进行变形，因而应用范围较窄。 e ) 参数曲面控制的自由变形。应用参数曲面作为变形工具是近来提出的一种新的 自由变形方法，是对f f d 方法和a x d f 方法的一个补充。在该方法中，控制变形的 工具既不是空间网格，也不是参数曲线，而是两张参数曲面，分别称为形状曲面和 高度曲面。其中形状曲面控制物体变形的形状，而高度曲面控制物体变形时沿曲面 法向的伸缩程度。变形时，与前述方法相似，首先将要变形物体嵌入曲面的参数空 间，并通过映射函数建立物体与曲面的一一对应关系。然后，在变形过程中，保持 这种对应关系不变，参数曲面的变形就会自动传递给物体。该变形方法要求对参数 曲面有一个比较好的了解，否则很难通过参数曲面的调节而获得希望的变形形状。 b 直接作用于物体的空间变形技术 a ) 空间变形技术。空间变形技术的模型最早是由b o r r e l 和b e c h m a n 乜引在1 9 9 0 年提 出的。该技术把模型上一个任意选中点( 称为约束点) 的替换向量称为“约束 。在 r n 空间中任何一点的变换，都需要经过计算以满足约束的要求。特别地，约束点可 以是模型上的点，这就实现了对模型的直接变形，可以将模型上的点移到指定的位 置。 b ) 直接自由变形技术。该技术也是要把需要变形的物体模型嵌入到一个由控制点 数组定义的三变量网格体中，模型的变形跟随着网格的变形。但是，与f f d 方法不 6 第一章绪论 同的是，它的网格控制点的计算遵循“将模型上的某个点移动到指定的位置 这一 要求。也就是说，它根据模型上点的位置改变来计算网格控制点改变量，是直接对 模型点的操作，向用户隐藏了网格控制顶点的移动操作。 1 3 本文研究内容及章节安排 为了满足原有产品的再设计，并实现创新设计的要求，根据不同模型的重构特 点及再设计方法，本学位论文重点研究了满足结构类产品和曲面类产品再设计要求 的两种不同思路：一是对结构类产品进行基于特征的参数化逆向建模，就可针对其 参数化的模型方便快速地实现产品再设计。即根据对点云数据的特征划分，对不同 区域进行参数化的特征单独提取、构造，同时将各种不同的约束及参数信息添加到 各特征之间，然后通过布尔操作生成符合原始设计意图的、准确的参数化模型。在 此参数化的模型下，便可方便快捷地基于原有产品进行再设计。二是对曲面类产品 进行基于特征提取地逆向建模并利用曲面变形实现产品再设计。即对大量自由曲面 组成的曲面类产品进行必要的特征的提取操作，包括辅助特征、较规则特征，复杂 空间曲线特征等等，然后基于这些特征进行曲面重构，又由于参数化工具无法为这 些曲面集提供有效的再设计手段，所以对这类产品的再设计需进行基于自由曲面变 形操作。即本文的研究路线如下图所示： 图1 2 研究路线图 f i g 1 - 2t h er o u t eo ft h er e s e a r c h 围绕这两种不同思路，本学位论着重研究了以下关键技术：点云数据的初步分 割、辅助特征的提取及创建、截面特征的创建、参数及约束信息的提取及创建、自 由曲面的变形等，并以工程实例加以验证。各章节内容安排如下： 广东工业大学硕士学位论丈 第一章绪论，介绍了逆向工程的原理及应用，同时指出了逆向工程新的发展趋 势，最后概述了本学位论文的研究内容及技术路线。 第二章针对结构类零件产品，研究了面向其再设计的逆向建模方法。即首先对 这类产品的进行必要的逆向分析，然后提出了一些新的基于特征的逆向建模思路， 并应用c a t i a 等软件具体实施了这些方法在实际逆向建模当中的应用，最后实现产 品数字化模型的快速再设计要求。 第三章针对陆面类产品，研究了对其进行逆向建模及再设计的方法。首先对这 类产品的外形进行逆向分析，然后进行基于特征的逆向建模，最后提出应用曲面变 形方法对这类产品进行再设计。 第四章通过工程实例进一步验证本文第二章和第三章所研究的特征提取技术 以及再设计方法。 第五章对本学位论文的研究进行了工作总结，并指出下一步的研究方向。 1 4 本章小结 本章主要阐述了逆向工程的原理及其应用，介绍了基于特征的逆向建模方法分 类与进展，还简要介绍了曲面变形的不同分类以及相关技术发展。本章的最后给出 了本文的主要研究内容、研究路线和章节安排。 8 第二章结构类产品的逆向建模及再设计 第二章结构类产品的逆向建模及再设计 2 1结构类产品的逆向分析 产品的逆向分析是指在逆向建模以前，对产品功能、设计意图以及各部分特征 的类型、构建方式等方面进行初步的理解，以明晰逆向建模目的、确定逆向建模规 划，降低逆向建模的操作难度，提高逆向建模的工作效率。产品的逆向分析是基于 特征逆向建模的首要必经阶段，其主要分以下两方面进行。 2 1 1 产品的功能分析及设计意图的理解 在对任何产品进行逆向建模以前，均需要对产品的功能及其设计意图进行初步 理解，这样才能重建有目的性、准确性的c a d 逆向模型，而且也更加有利于简化 逆向建模的操作难度，提高用户工作效率。 对于结构类产品来说，使用功能是其考虑的主要因素，所以进行逆向分析时需 要初步确定产品使用功能，而且需要进一步考虑逆向建模后产生的新产品将会满足 何种新的使用功能。在确定了产品的使用功能之后，则需确定原产品的特征类型， 即原产品的使用功能由哪些特征实现，由此来确定模型的主要特征和次要特征，以 及特征的主要参数和次要参数。如图2 1 某基座为例，此基座主要由孔1 和孔2 起 支承轴承的作用，即这两个孔特征是此产品的主要特征，其孔径尺寸是其主要参数， 在逆向建模后，需完全恢复此两个特征，并可根据需要进行进一步参数等方面的调 整。而底板上3 孔是起固定基座的作用，所以是属于次要特征，位置精度和尺寸精 度等各方面便可以有更大容差空间。而其它特征，如拉伸特征也均是起辅助作用的 次要特征。 1 3 图2 1 某轴承基座 f i g 2 - 1o n eb e a r i n gp e d e s t a l 9 广东工业大学硕士学位论文 由上例可知，对此类产品的进行功能分析，即是从产品的使用功能出发，来理 解其不同特征的构造及作用，这有利于产品设计意图的理解，以及各种产品的设计 考虑因素，为产品再设计提供准确的依据，也体现逆向工程的本质所在。 2 1 2 逆向建模规划 在对产品进行功能等方面的逆向分析之后，则需要在分析及理解的基础上重点 对各不同特征进行构造分析。确定整体坐标系，每个特征的类型、参照及构建方式， 每个特征的所依赖的参数关系，继而确定整体c a d 模型不同特征的构建顺序。经 过这样的整体规划，便使得逆向建模的步骤更加清晰化，为后面进行基于特征的提 取操作带来极大的方便性和可行性。如图2 2 所示为例，此模型的特征多为拉伸特 征，需要首先建立整体坐标系，以便为各种特征的建立提供必要的参照信息，如拉 伸方向、截面位置等；拉伸特征由截面特征和拉伸方向构建而成；孔特征主要是孔 位置、孔径等这些参数确定。 图2 2 轴承基座特征分类 f i g 2 - 2c l a s s i f i c a t i o nf o rf e a t u r e so f t h eb e a r i n g p e d e s t a l 在进行了如上的特征分类，以及重构规划之后，就可以有序的进行逆向建模， 并使得模型更加准确地表达原产品的信息，且各特征更加具有实际的工程语义。 2 。2 基于特征的逆向建模方法研究 特征是几何参数、约束信息、拓扑信息等各种信息的综合表达，。基于特征的 逆向建模最重要的就是特征的识别、提取，以及各种参数、约束信息的识别、添加。 不同学者对特征有不同的分类，但s h a h 旧“指出：特征分类必须依据特征在模型设计 中所担任的功能角色。基于此，本学位论文将根据特征逆向建模要求，将特征结构 层次进行如图2 - 3 所示的划分： 1 0 p ， r，x。