（化工过程机械专业论文）基于点的几何模型及其cadcam应用研究.pdf

摘要 c a d c a m 技术的发展，大大加速了产品的设计制造进程，是提升制造业竞 争力的根本方式。几何模型是c a d c a m 应用的核心和基础，线框模型、曲面 模型和实体模型作为c a d c a m 系统中的常规模型，得到了成熟而广泛的应用， 满足了大量产品的应用需求。但仍存在一些具有复杂外形的产品，在应用 c a d c a m 技术进行具体的产品设计制造时，很难用常规的几何模型表示，或是 即使能用常规几何模型表示也难以进行后续的设计修改和数控编程操作。 随着测量技术的发展，高效高精度地获取物体表面数据成为可能，物体表面 点集成为逆向工程应用的前提，点作为描述几何的基本体素，是曲线曲面表达和 应用的基础，同时，由点集表示物体几何在计算机图形学领域兴起了研究热潮并 得到日益广泛的应用。基于点的几何模型，简称点模型，以物体表面数据点集表 示产品几何，并通过对点集的直接操作实现c a d c a m 功能，有常规几何模型 所没有的特性，可以应用于c a d c a m ，完成某些产品的高效设计制造。 鞋楦是制鞋的模具，传统的鞋楦生产方式严重制约了我国鞋业的发展，将 c a d c a m 技术引入鞋楦的设计与制造，是变革我国制楦业的根本方式。如何有 效的表示鞋楦几何，并在此基础上开发适用的设计修改和数控编程功能，是实现 鞋植c a d c a m 的关键。 本文从c a d c a m 应用角度，以基于点的几何模型作为研究对象，对其相关 理论、技术与应用进行了系统研究，并在以下方面取得了创新性成果： 1 根据当前c a d c a m 技术和数据测量技术的发展现状和趋势，结合基 于点的几何模型在计算机图形学中的研究与应用，首次提出了应用于 c a d c a m 的基于点的几何模型。给出了基于点的几何模型的定义及 其c a d c a m 应用流程，分析了模型初始数据的获取方式，研究了模 型精度的评价方法，根据点模型的结构特征和后续应用特点，将点模 型分为非规则化点模型和规则化点模型，分别研究了模型固有的数据 结构、几何属性的计算和点的插入与精简等方法。 2 给出了适用于点模型的平移、旋转、比例、等距等几何变换操作；通 过变形区域和变形函数思想，实现了点模型的局部修改功能：通过生 成点模型八叉树，进而进行空单元模型内外部区分和边界单元模型内 外部计算，实现点模型的c s g 功能；通过设置过渡区域实现点模型的 组合设计。这些c a d 方法是点模型应用于c a d c a m 的必要基础。 i _ ：_ f ，矢t 博士学位论文基于点的几何模型及其c a d c a m 应用研究 3 点模型没有连续的几何表示，只能通过离散的点位信息计算刀具轨迹， 在分析了当前基于常规c a d 模型和直接基于点的c a m 方法后，给出 了适用于规则化点模型的参数线加工方法和通用的点模型刀具轨迹计 算方法，并就加工仿真和相应的数控加工设备作了探讨。 4 点模型在产品中的具体应用，需要通过c a d c a m 系统实现，基于点 的c a d ，c a m 系统开发，除了需要遵循软件工程的方法外，重要的是 图形系统的开发，在给出了系统框架和功能需求后，提出了从底层做 起、基于c a d ，c a m 开发平台、基于通用c a d c a m 系统和基于逆向 软件等四种开发方法，根据我国国情，研究了专用产品的基于点的 c a d c a m 系统开发与应用。 5 将基于点的几何模型及其c a d c a m 应用的相关理论应用于鞋檀，得 到基于点的鞋楦c a d c a m 技术。首先给出基于点的鞋楦几何模型的 定义，根据鞋楦几何和计算机辅助设计的特点，研究鞋楦点模型的c a d 方法，并分别讨论了由实物样楦建立鞋楦模型、组合设计和局部修改 技术，然后给出了鞋楦c a m 的具体过程，最后给出鞋楦c a d c a m 系 统开发与应用的成功案例。 本文对于基于点的几何模型的研究工作，对c a d c a m 技术提出了一种新的 思想，并对其实现和应用做了初步的系统研究，随着相关技术的发展和研究的进 一步深入，基于点的几何模型必将成为c a d c a m 技术的核心要素，在产品的 设计制造中发挥重要作用。 关键词：基于点的几何模型，点模型，计算机辅助设计，c a d ，计算机辅助制 造，c a m ，基于点的c a d ，c a m 系统，鞋楦 i l a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc a d c a mt e c h n o l o g yh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ep r o d u c t s d e s i g na n d m a n u f a c t u r ep r o c e s sa n dh a sp r o v e dt ob et h eu l t i m a t es o l u t i o nt oi n n o v a t et h em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y g e o m e t r i cm o d e li st h ek e r n e la n db a s eo fc a d c a ma p p l i c a t i o n t h ec o n v e n t i o n a l g e o m e t r i cm o d e l s ，s u c ha sw i r e f r a m em o d e l ，s u r f a c em o d e la n ds o l i dm o d e l ，s u i tm o s tp r o d u c t s a n dh a v eb e a na p p l i e dt op r a c t i c ew i d e l y b u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o d u c t sw i t hc o m p l e xs h a p e t h a tc a nh a r d l yb er e p r e s e n t e db yt h e s et h r e ec o n v e n t i o n a lm o d e l so ri fc a n ，t h es u b s e q u e n tc a d a n dc a m o p e r a t i o n sc a nb eh a r d l yr e a l i z e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 ds c a n n i n gt e c h n o l o g y , o b t a i n i n gt h e o b j e c t s s u r f a c ep o i n t s e f f e c t i v e l ya n dp r e c i s e l yh a sb e e np o s s i b l e ，s ot h a tt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yb a s e do n t h es u r f a c ed a t ap o i n t sc a nd e v e l o p e dg r e a t l y a st h ef u n d a m e n t a lg e o m e t r i cp r i m i t i v e ，p o i n ti st h e b a s eo fc u r v ea n ds u r f a c er e p r e s e n t i n ga n da p p l i c a t i o n p o i n th a sa l s oe x p e r i e n c e dam a j o r r e n a i s s a n c ei nc o m p u t e rg r a p h i c sa n dp o i n t b a s e dm o d e lh a sa t t r a c t e dg r e a tr e s e a r c ha t t e n t i o n p o i n t - b a s e dg e o m e t r i cm o d e l ，a b b r e v i a t e d p b g m ，w h i c hu s e ss u r f a c ed a t ap o i n t st or e p r e s e n t p r o d u c tg e o m e t r ya n dr e a l i z e sc a d c a mt h r o u i g hm a n i p u l a t i n gt h e s ep o i n t s ，h a st h eg o o d c h a r a c t e r i s t i c st h a tt h ec o n v e n t i o n a lg e o m e t r i cm o d e l sd on o tp o s s e s sa n dc a r lb ea p p l i e dt o c a d c a mt or e a l i z es o m ep r o d u c t s e f f e c t i v ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e s h o el a s ti st h em o l dt om a k es h o e s t h et r a d i t i o n a ll a s tm a k i n gm e t h o d sa r eh a r dt os a t i s f y i n c r e a s i n gd e m a n d sc a d c a mt e c h n o l o g yi st h ev i t a ls o l u t i o nt oi m p r o v es h o el a s ti n d u s t r y t o r e a l i z es h o el a s tc a d c a m ，t h ek e yi sh o wt od e s c r i b et h es h o el a s tg e o m e t r ya n dh o wt od e v e l o p a p p r o p r i a t ed e s i g na n dn cp r o g r a m m i n gf u n c t i o n s f r o mt h ep o i n to fv i e wo fc a d c a ma p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e ru s e sp o i n t - b a s e dg e o m e t r i c m o d e la sr e s e a r c hs u b j e c ta n dm a k e ss y s t e m a t i cr e s e a r c ho ni t sc o r r e l a t i v et h e o r y ，t e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o n t h ei n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e r3 r el i s t e da sb e l o w ： 1 a c c o r d i n gt o t h ec u r r e n ts t a t u sa n df u t u r et r e n d so fc a d c a ma n ds c a n n i n g t e c h n o l o g ya n dc o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c hs t a t u so f p o i n t - b a s e dc o m p u t e rg r a p h i c s ， p o i n t b a s e dg e o m e 灯i cm o d e la p p l i e dt oc a d c a mi sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h ed e f i n i t i o no f p b g ma n di t sc a d c a ma p p l i c a t i o np r o c e s sa r ep r e s e n t e d p b g m i sd i v i d e dt or e g u l a rp b g ma n dn o n - r e g u l a rp b g ma c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n d a p p l i c a t i o nf e a t u r e ，e a c hm o d e l l si n t r i n s i ca t t r i b u t e sa r er e s e a r c h e ds e p a r a t e l y 2 c a dm e t h o d so fp b g ma r er e s e a r c h e d o e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o no p e r a t i o n ss u c ha s t r a n s l a t i o n , r o t a t i o n ，s e a l i n ga n do f f s e ta r ep r e s e n t e d l o c a lm o d i f i c a t i o nf u n c t i o ni s 1 i i 期弘未_ 博士学位论文基于点的几何模型及其c a d c a m 应用研究 4 5 r e a l i z e db yd e f o r m a t i o nd o m a i na n dd e f o r m a t i o nf u n c t i o n ，t h ec s gf u n c t i o ni s r e a l i z e db y c o n s t r u c t i n g o c t r c ea n dm a k i n gc e l li n s i d e - o u t s i d ej u d g m e n t t h e c o m b i n a t i o nd e s i g nf u n c t i o ni sr e a l i z e db yt r a n s i t i o nr e g i o n c a mm e t h o d so f p b g ma r er e s e a r c h e d p b g mh a sn oc o n s e c u t i v ef o n l l s ot h et o o l p a t hc b eo b t a i n e do n l yb yd i s c r e t ep o i n ti n f o r m a t i o n a f t e rr e v i e w e dt h e c o n v e n t i o n a lc a dm o d e lb a s e dc a mm e t h o d sa n dp o i n t - b a s e dc a mm e t h o d s ，a p a r a m e t r i cm a c h i n i n gm e t h o ds u i t e d t or e g u l a rp b g ma n da g e n e r a lt o o lp a t h g e n e r a t i o nm e t h o da r ep r o p o s e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a c h i n i n gs i m u l a t i o na n dn c m a c h i n e r ya r ca l s od i s c u s s e d t oa p p l yp b g mt oc o n c r e t ep r o d u c t s ，c a d c a ms y s t e mi sn e c e s s a r yp o i n t - b a s e d c a d c a ms y s t e md e v e l o p m e n ts h o u l df o l l o wt h em e t h o d so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ， b u ti t sg r a p h i cf u n c t i o n sa r cm o r ei m p o r t a n t f o u rd e v e l o p m e n tm e t h o d s ：f r o mb a s e ， b a s e do nc a d c a mp l a t f o r m ，b a s e do nc o n v e n t i o n a lc a d c a ms y s t e ma n db a s e d o nr e v e r s ee n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，a r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fc h i n a ， t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp o i n t - b a s e dc a d c a m s y s t e mf o rs p e c i a l p r o d u c t sa r ea n a l y z e d a p p l yp b g ma n di t sc o r r e l a t e dc a d c a mt e c h n o l o g yt os h o el a s tp r a c t i c a l l ya n d s u c c e s s f u l l y f i r s t ，p o i n t - b a s e dg e o m e t r i cm o d e lf o rs h o el a s ti sd e f i n e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a da n dt h es h o el a s tg e o m e t r y , t h ec a dm e t h o d so fs h o el a s t a r ep r e s e n t e da n dt h ed e t a i l e dp r o c e s s e so f t h r e ed e s i g nf u n c t i o n s ，s u c h 牺c o n s t r u c t i n g s h o el a s tm o d e lf r o ms a m p l el a s t ，c o m b i n a t i o nd e s i g na n dl o c a l m o d i f i c a t i o n ，a r e d i s c u s s e d s e c o n d ，s h o el a s tc a mi sr e a l i z e da n dt h nd e t a i l e dp r o c e s si sp r e s e n t e d f i n a l l y , s h o el a s tc a d c a ms y s t e mi sd e v e l o p e da n da p p l i e dt op r a c t i c es u c c e s s f u l l y t h ec o n t r i b u t i o no f t h i sp a p e ri st op u tf o r w a r dp b g ma n dm a k es y s t e m a t i cr e s e a r c ho ni t s c o r r e l a t e dt h e o r ya n da p p l i c a t i o n t h i sb r i n g sao e wi d e at oc a d c a mw i t ht h er e s e a r c hg o i n g d e e p e r , p o i n t - b a s e dg e o m e t r i cm o d e lm u s tb eak e r n e lm o d e lo fc a d c a ms y s t e ma n dp l a ya v e r yi m p o r t a n tr o l ei np r o d u c t s d e s i g na n dm a n u f a c t u r ep r o c e s si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：p o i n t - b a s e dg e o m e t r i cm o d e l ，p b g m ，c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，c a d c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ，p o i n t - b a s e dc a d i c a ms y s t e m ，s h o el a s t 第 1 章 绪论 1 。1 c a d ，c a m 技术 1 1 1c a d c a m 的概念 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 和计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) ，简称c a d c a m ，是指以计算机为主要技术手段来 生成和运甩各种数字信息和图形信息，进行产品的设计和制造【b 昆，2 0 0 a 。 c a d c a m 技术作为2 0 世纪8 0 年代最杰出的工程技术之一，被称为工业起 飞的引擎，它推动了几乎一切领域的技术革命。c a d c a m 技术的发展和应用水 平已经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。 c a d c a m 的基础技术积累可追溯到2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 0 年，第一台图形 显示器( w h i r l w i n di ) 在美国麻省理工学院诞生，并在此基础上出现了新的学科 计算机图形学，c a d 技术逐渐发展，到7 0 年代，二维绘图和三维线框图形 为主的c a d 系统形成主流，并于1 9 7 3 年诞生了第一个实体造型试验系统，1 9 7 8 年第一代实体造型软件推向市场，到2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代，实体造型技术 成为c a d 技术发展的主流，并走向成熟。1 9 5 2 年，美国开始研制实用数控机床， 标志着c a m 开始了发展历程，c a m 技术的发展主要是数控编程和计算机辅助 工艺规划两个方面。1 9 5 5 年美国麻省理工学院伺服机构实验室开发了a p t 系统， 并进一步完善，随着计算机技术、c a d 技术的发展，数控编程开始向交互式图 形编程过渡。进入2 0 世纪7 0 年代，c a d c a m 开始走向共同发展的道路，首先 是不同c a d 和c a m 系统之间数据接口的开发，将不同的系统集成在一起。然 后用统一的产品数据模型同时支持c a d c a m 的信息表达，实现了真正意义上 的集成化c a d c a m 。2 0 世纪8 0 年代，出现了一大批工程化的c a d ，c a m 商品 化软件系统，如c a d a m 、c a t i a 、u g i i 、i - d e a s 、p r o e n g i n e e r 等，进入 2 0 世纪9 0 年代，特征造型技术的成熟应用，使得c a d c a m 系统的集成度不断 蛳啦妒博士学位论文基于点的几何模型及其c a d c 皇丛堕堡堑墨 提高 s o e n a n , l 2 】嘈荣镊，懈4 】。 c a d 技术的研究和应用主要是围绕着几何造型展开的，先后经历了线框造 型、曲面造型和实体造型和特征造型等发展阶段。后来，c a d 逐渐涉及到有限 元分析、动力学分析与仿真、运动学分析与仿真等考察产品综合特性的内容。随 着计算机辅助手段在制造业中日益广泛的应用，实践中有了进一步提高生产组织 的集成化和自动化程度的要求，c a d 从概念上进一步扩展到与制造全过程相关。 现在，c a d 技术已经被赋予了比较广泛的意义。已经成为绘图、设计计算与分 析一体化的综合技术【源清，1 9 9 8 】【童秉枢，2 0 0 0 。 c a m 技术主要是围绕着数控编程技术开始发展起来的，数控加工是 c a d c a m 发挥效益最直接、最明显的环节之一。c a m 有狭义和广义的两个概 念。狭义的c a m 是指从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，包括 c a p p 、n c 编程、工时定额的计算、生产计划的制定等。这是最初的c a m 系统 的狭义概念，这一概念可以进一步缩小为n c 编程的同义词。c a m 的广义概念 除了上述狭义定义所包含的内容外，还包括制造活动中与物流有关的所有过程的 监视、控制和管理，如加工、装配、检验、存储、输送等 王先离1 9 9 s 。 近2 0 年来，计算机科学突飞猛进地发展，c a d c a m 技术成为发展最迅速 的领域之一，也是应用领域最广泛的实用技术之一。目前，工业发达国家已有 8 0 以上的企业使用了c a d c a m 技术，我国c a d c a m 技术起步较晚，但已 经意识到其重要性，并着手大力研究和推广。 1 1 2c a d c a m 在产品设计制造中的应用 c a d c a m 已经渗透到工程技术和人类生活的几乎所有领域，并日益向纵深 发展。在形成和发展过程中，c a d c a m 系统针对不同的应用领域、用户需求和 技术环境，表现出不同的发展水平和构造模式。 c a d c a m 技术主要服务于机械、电子、宇航、建筑、轻纺等产品的总体设 计、外形设计、结构设计、优化设计、运动机构的模拟设计、有限元分析的前后 置处理、物体质量特性计算、工艺过程设计、数控加工、检验测量等环节。它涉 及计算机科学、计算数学、计算几何、计算机图形学、数据结构、数据库、数控 技术、软件工程、仿真技术、机器人学、人工智能等学科领域。 应用c a d c a m 技术进行产品的开发，能使设计和生产快速而高效的进行。 美国g m 公司在汽车开发中应用c a d c a m 技术，使得新型汽车的设计周期由5 年缩短为3 年，而且新产品的可信度由2 0 提高到6 0 ：过去生产一个大规模 细，土妒博士学位论文基于点的几何模型及其c a d c a m 应用研究 提高 s o e n e n rl 盼2 】瞎荣镊，i 钟4 】 c a d 技术的研究和应用主要是围绕着几何造型展开的，先后经历了线框造 型、曲面造型和实体造型和特征造型等发展阶段。后来，c a d 逐渐涉及到有限 元分析、动力学分析与仿真、运动学分析与仿真等考察产品综台特性的内容s 随 着计算机辅助手段在制造业中日益广泛的应用，实践中有了进一步提高生产组织 的集成化和自动化程度的要求，c a d 从概念上进一步扩展到与制造全过程相关。 现在，c a d 技术已经被赋予了比较广泛的意义，已经成为绘图、设计计算与分 析一体化的综合技术晦清，1 9 9 8 】【童秉捣2 0 0 0 。 c a m 技术主要是围绕着数控编程技术开始发展起来的数控加工是 c a d c a m 发挥效益最直接、最明显的环节之一。c a m 有狭义和广义的两个概 念。狭义的c a m 是指从产品设计到加工制造之问的一切生产准备活动，包括 c a p p 、n c 编程、工时定额的计算、生产计划的制定等。这是最初的c a m 系统 的狭义概念，这一概念可以进步缩小为n c 编程的同义词。c a m 的广义概念 除了上述狭义定义所包含的内容外，还包括制造活动中与物流有关的所有过程的 监视、控制和管理，如加工、装配、检验、存储、输送等【王 嵩i 螂b 】。 近2 0 年来，计算机科学突飞猛进地发展，c a d c a m 技术成为发展最迅速 的领域之一，也是应用领域最广泛的实用技术之一。目前，工业发达国家已有 8 0 以上的企业使用了c a d c a m 技术，我国c a d c a m 技术起步较晚，但已 经意识到其重要性，并着手大力研究和推广。 1 1 2c a d c a m 在产品设计制造中的应用 c a d c a m 已经渗透到工程技术和人类生活的几乎所有领域，并日益向纵深 发展。在形成和发展过程中，c a d c a m 系统针对不同的麻用领域、用户需求和 技术环境，表现出不同的发展水平和构造模式。 c a d c a m 技术主要服务于机械、电子、宇航、建筑、轻纺等产品的总体设 计、外彤设计、结构设计、优化设计、运动机构的模拟设计、有限元分析的前后 置处理、物体质量特性计算、工艺过程设计、数控加工、检验测量等环节。它涉 及计算机科学、计算数学、计算几何、计算机图形学、数据结构、数据库、数控 技术、软件工程、仿真技术、机器人学、人工智能等学科领域。 应用c a d c a m 技术进行产品的开发，能使设计和生产快速而高效的进行。 美国g m 公司在汽车开发中应用c a d c a m 技术，使得新型汽车的设计周期由5 年缩短为3 年，而且新产品的可信度由2 0 提高到6 0 ；过去生产一个大规模 年缩短为3 年，而且新产品的可信度由2 0 提高到6 0 ；过去生产一个大规模 第1 章绪论 集成电路芯片要花两年的时间，而采用c a d c a m 技术只要两周即可完成：美 国波音7 7 7 客机的设计和制造是2 0 世纪c a d c a m 技术成功应用的标志性工程， 第一次实现了商用飞机从设计到制造过程的全数字化，在广域网上实现了异地设 计和异地制造，最终使新机型的开发周期由原来的1 6 个月缩短到8 个月。随着 c a d c a m 技术的普及，大到汽车、电视机、小到我们每天使用的鼠标、电话等 各种产品的设计制造都已经与c a d c a m 技术密不可分。 c a d c a m 技术的发展，深刻改变了人们能够借以设计和制造各种产品的常 规方式，其最原始的同时也是最直接有效的应用是在计算机辅助下完成零件设 计、并在此基础上生成零件的数控加工程序，至今许多含有复杂型面的零件沿用 这种方法。 典型的产品c a d c a m 应用过程为： ( 1 ) 概念设计 根据市场需求分析新产品的功能，给出产品的概念模型，可以利用c a d c a m 系统提供的图形功能，初步确定设计产品的形状和几何结构。 ( 2 ) 在c a d 系统中建立设计产品的几何模型 通过c a d 系统提供的曲线、曲面和实体造型功能，建立设计产品的几何模 型。根据产品结构和几何特点( 对于机械产品，或许已经存在二维设计图纸) ， 选择合适的造型方式，用曲线、曲面或者实体表示设计产品，并将相关信息存储 于数据库中。 ( 3 ) 分析、修改几何模型 在c a d 系统中建立产品几何模型以后，利用c a d 系统提供的几何检查功能， 如曲率、几何连续性等，检查零件几何建模的正确性。运用计算方法库的计算分 析，包括有限元分析和优化设计，检验设计产品结构和功能的合理性，并根据分 析结果完成对设计产品几何模型的修改，直至达到设计要求为止。 ( 4 ) 数控编程操作 根据零件数控加工要求，进行零件数控加工工艺分析，利用c a m 系统提供 的数控加工功能，在几何模型的基础上进行零件的n c 编程工作，计算刀位轨迹 并进行仿真验证，经过后处理得到最终的零件数控加工程序。 ( 5 ) 在数控机床上完成产品的最终加工 选择合适的数控加工机床( 通用的或者专用的) ，由前面生成的数控加工程 3 j 啊i 蠢驴博士学位论文基于点的几何模型及基c a c 鉴皇坚堕旦堕塑 序控制完成零件的粗、精加工。 ( 6 ) 产品质量检验与市场销售 零件加工出来以后，进行产品质量检验，如果出现问题。确定是c a d 中建 立的几何模型、c a m 编程还是数控机床的问题，并返回到相应的前面的步骤进 行优化修改，得到最终为市场认可的产品。 1 1 3 逆向工程技术及其应用 尽管计算机辅助设计( c a d ) 发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但 目前还是无法满足一些复杂曲面零件的设计需要。在产品开发和制造过程中，有 许多产品最初并不是由c a d 模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。对 于这类产品的计算机辅助技术的应用，兴起了一项新的技术一一“逆向工程” ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 技术 v a r a d y ，1 9 9 8 1 【金海2 0 0 3 。 逆向工程技术，也称反求工程、反向工程等，其思想最初来自从油泥模型到 产品实物的设计过程，随后发展形成一项以先进产品、设备的实物、样件、软件 或影像等作为研究对象，应用现代设计方法学和有关专业知识进行系统分析和研 究，进而开发出同类的更为先进的产品的技术。在2 0 世纪9 0 年代初，逆向工程 技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视，广义的逆向工程，其虽终产品除 了实现形状( 几何) 逆向外，还包括功能逆向、材料逆向等诸多方面，是一个复 杂的系统工程。目前，大多数研究和应用都集中在几何形状的逆向。 随着现代计算机技术及测试技术的发展，利用c a d c a m 技术来实现产品实 物的逆向工程，已经成为逆向工程技术的主要内容，其流程如图1 】所示，可以 将逆向工程表述为将产品实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重 建技术和产品制造技术的总称。作为产品设计制造的一种有效手段，逆向工程已 经成为c a d c a m 系统中一个研究及应用的热点，并发展成为一个相对独立的 研究分支。 图1 - i 逆向工程流程 和传统的正向设计不同，逆向工程面对的是产品实物，逆向工程系统主要由 三部分组成：产品实物几何外形的数字化、产品几何模型重建、产品制造。 ( 1 ) 产品实物几何外形数字化 第1 章绪论 面对一个产品实物，特别是具有复杂外形的产品实物，无法直接在c a d 系 统中建立其几何模型，同时，随着测试技术的发展，高效率、高精度地测量实物 表面成为可能。通过特定的测量设备。利用适当的测量方法，获取实物表面的离 散点的几何坐标的过程，称为实物几何外形数字化，这一过程得到的数据点集， 是进一步建立产品c a d 模型的前提。 ( 2 ) 产品几何模型重建 模型重建技术是逆向工程的关键技术之一。逆向工程的目标是根据离散的数 据点集构造出一分段光滑、连续的几何模型。由坐标测量机得到的外形点数据在 进行模型重建以前必须进行格式转换、噪音滤除、平滑、对齐、i 扫并、测头半径 补偿和插值补点等数据预处理。 从对逆向工程的应用场合分析，复杂曲面的c a d 模型重建是逆向工程模型 重建研究的重点。曲面模型是复杂曲面产品逆向工程的几何建模的重点，实体模 型可由曲面模型经过一定的计算演变而来。目前，在逆向工程中比较成熟的应用 主要有三种曲面构造方案：1 ) 以b 样条或n u r b s 曲面为基础的曲面构造方案： 2 ) 以三角b e z i e r 曲面为基础的曲面构造方案；3 ) 以多面体方式来描述曲面。 b 样条及n u r b s 曲面表示是目前成熟的商品化c a d c a m 系统中广泛采用 的曲面表示方法，也称矩形域的参数曲面或四边曲面，这类曲面可以应用四边参 数曲面片插值、拉伸、旋转、放样、蒙皮、扫掠、混合和四边界方法构造，并己 经形戡了一套完整的曲面延伸、求交、裁减、变换、光滑拼接及曲面光顺等算法。 三角曲面也称三边曲面，在逆向工程中，如果面对的型值点数据是密集的“点云” 散乱数据，而且曲面对象边界及其复杂时，。一般不便用常规的曲面构造方法，而 三角曲面由于构造灵活、边界适应性好，具有复杂形状的能力，在研究中逐渐受 到重视。 ( 3 ) 产品制造 重建得到的产品几何模型，可以利用c a m 得到数控加工程序，控制各种c n c 加工设备，进行产品加工和模具制作。还可以利用快速原型技术( r a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，r p & m ，r p ) 来制造原型和模具。 还有一些学者针对一些特殊产品的特殊应用，在逆向工程中，研究了直接基 于测量点的应用，即跳过中间c a d 模型重建步骤，直接由测量点进行c n c 编 程等操作，取得了不错的效果，对于逆向工程的传统应用模式是很好的补充，并 具有一定的理论与应用价值【l l n ，1 9 9 8 1 【阳道善，2 0 0 2 【廖洪蟑，2 0 0 2 p a r k ，2 0 0 3 【丁霭 2 0 0 3 】。 声岬t ，博士学位论文基于点的几何模型及其c a d c a m 应用研究 1 2 产品几何模型 1 2 1 产品几何模型的概念 借助计算机解决问题，利用计算机辅助技术进行产品的设计和制造，首先需 要建立恰当的模型。c a d c a m 等工程应用，是在几何模型的基础上完成具体的 操作实现。如在c a d 阶段，在概念设计完成以后，需要用几何模型描述零件的 形状及产品的结构，在几何模型基础上对设计对象进行分析、模拟和物理特性计 算，并进行数控加工编程等操作。工程和制造业中的设计对象主要是三维实体， 如何用计算机系统来表示、处理、分析和输出设计对象的三维形体，是c a d c a m 的核心技术，也是真正实现c a d c a m 的基础之。 几何模型由几何信息和拓扑结构两部分组成。几何信息是指一个物体在三维 欧氏空间中的位置信息，反映物体的大小及位置：拓扑是研究在形变状态下图形 空间性质保持不变的一个数学分支，着重研究图形内的相对位置关系，拓扑信息 是指物体的拓扑元素个数、类型以及相互之间的关系。 秽于特定婶产昂，芾摹建享母枣的且帮擘犁，融谚犀谆产昂母窄的且何特枣 和母宰印千犟卓用。 1 2 2c a d c a m 系统中的几何模型 几何模型是c a d c a m 系统内部描述、记录产品几何形状的工具，是 c a d c a m 应用的核心。当前c a d c a m 系统中的几何模型，主要有线框 ( w i r e f r a m e ) 、表面( s u r f a c e ) 和实体( s o l i d ) - - - 干畸, 模型形式，这三种模型已经有了 整套成熟的理论、方法和应用： ( 1 ) 线框模型 线框模型是c a d c a m 系统应用最早、最简单的一种三维几何造型方法，通 过点、线( 直线、曲线) 描述物体轮廓的外形、交线和棱线，具有数据结构简单、 模型数据量小及易处理等特点，曾广泛应用于厂房布局、管路布设、结构模拟、 干涉检验、产品几何形貌的粗略估计、机床加工刀具轨迹分析与有限元网格的自 动生成等。但是线框模型中缺少表示面的数据，具有多义性，易混淆无法识别 曲面轮廓，不能判断零件之间是否干扰，不能计算模型的几何特性和物理性质。 第l 章绪论 不能自动给出立体的阴影色调效果。 ( 2 ) 曲面模型 若把线框模型中棱线包围的部分定义为面，所形成的模型就是表面模型，其 数据结构是在线框模型的基础上再附加一些指针。 产品的几何轮廓常包含由曲线和曲面构成的型面，如汽车车体、飞机外形、 船舶以及模具等。型面外形复杂，难以用数学解析式表达，而且所提供的数学方 法计算复杂，计算量大。2 0 世纪6 0 年代，提出了计算机辅助几何设计( c a g d ) ， 在设计过程中可以充分利用计算机存储的设计资源、利用计算机显示和分析所设 计型面的外形，通过设计者提供的少量几何信息和所使用的数学方法，可以定义 复杂形状的曲线和曲面。 曲面模型是c a d 技术发展到一定阶段的产物，具有很高的使用价值，很多复 杂的零件都采用曲面模型表达，如涡轮叶片、汽车车身、飞机各部件的外形等， 常用的曲面模型有c o o n s 曲面、b e z i e r 曲面、b 样条曲面及n u r b s 曲面等。按表 面的生成方式不同，表面模型有如下几种形式：1 ) 通过对。条线扫描操作得到的 基本面；2 ) 对一个平面绕某轴旋转得到的旋转面：3 ) 相交面和相贯面；4 ) 用( x ，y ，z ) 的数学公式描述的解析益面；5 ) 雕塑曲面，也叫自由曲面，不是由一个数学公式 得出，通常由样条曲线构成；6 ) 组台曲面，由多个自由曲面片拼接而成。 ( 3 ) 实体模型 实体模型存储物体的完整几何信息。它的数据结构不仅记录了全部几何信 息，而且记录了全部点、线、面、体的拓扑信息，依靠完整的几何与拓扑信息， 从零件体积和质量的计算，到消隐、剖切、有限元网格划分，到n