车用发动机齿轮泵逆向设计[三维PROE]【8张CAD图纸和说明书全套终稿】
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三维PROE
8张CAD图纸和说明书全套终稿
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浙江大学计算机科学与技术学院博士学位论文产品设计重用中的创新方法研究姓名：刘红政申请学位级别：博士专业：数字化艺术与设计指导教师：叶修梓20080417浙江大学博上学位论文摘要摘要随着计算机技术的发展，产品设计逐渐演变成为多学科交叉的创作活动。工业竞争的加剧导致现有的设计模型数量成倍增长，在设计时间紧的前提下，设计重用已经成为大多数设计机构的第一选择。现有的设计重用主要的实现途径有逆向设计、参数化设计、自由形状变形。本文在总结已有设计重用方法的基础上，首次提出了逆向创新设计( R I D ：R e v e r s eI n n o v a t i v eD e s i g n ) 这一新的设计重用方式，丰富了设计重用的手段。产品的逆向建模方法是设计重用研究的重点，按照建模对象几何特征的差别，设计师会采取不同的建模思路。即对器官类型的模型而言采用自动创建拟合曲面的方式，对包含大量规则曲面的模型采用基于特征的参数化实体造型，对以自由曲面为主的模型则使用基于曲线的自由曲面建模方式，其中后两种方式便于加载产品定义参数，从而达到参数化驱动模型变形的目的。逆向创新设计方法立足于传统的逆向建模，从扫描数据提取出各种参数信息，进而建立参数化模型，并采用高层的自然参数乃至更高层的产品定义参数来驱动模型变化到一个新的设计。逆向创新设计可以说是一门整合的数字化设计方法学，它涵盖了三维C A D及C A I D ，逆向工程( I 也) ，C A E 分析，快速原型( I 冲) 等领域。D 方法既有参数化驱动的方便性，又保持了自由形状变形的灵活性，它能够有效利用设计对象的行业参数及知识，将其映射到产品定义参数中。该方法首先需要提取出高层次的参数信息产品定义参数，然后再编辑产品定义参数进行产品变形设计。D 方法对现有逆向工程的建模流程是一个有益的补充，它要求建模对象对应一定的行业参数，并适用于以自由曲面为主和以规则曲面为主的模型。对以自由曲面为主的模型而言，其参数化设计重用的思路是提取网格模型的特征线框及特征点，进而得到所需的产品定义参数。对以规则曲面为主的模型而言，产品定义参数则源于截面轮廓的线段识别及基于网格分区的规则曲面识别。列D 的建模方式可以很方便地集成到现有C A D 软件平台中，其核心算法已浙江大学博士学位论文摘要经被S o l i d w | o r l 岱的插件S c 锄T 0 3 D 所采用。我们还在S i n d y N G R E 平台中成功地开发出基于D 方法的设计模块，并以鞋楦模型的改型设计为例，详细描述了刚D 方法在鞋楦设计中的应用。此外，我们还以其它产品的重新设计为例，全面展示D 方法在这类模型中的成功运用。关键词：设计重用，逆向工程，参数化设计，自由形状变形，设计方法学，C A D ，C A I D ，C A E ，细分曲面，特征识别，运动仿真，计算流体力学，人机工程，特征线，产品定义参数，逆向创新设计，特征线框浙江大学博上学位论文A b s 仃a c tA b s t r a c tW i t 量lt l l ed e v e l o p m e n t0 fc o m p u t I e rs c i e n c e ，p r o d u c td e s i 印b e c o m e sac r e a t i V ea c t i V 毋、) I ，i mI l c wi I l t e r d i S c i p l i n e I I l t e n s i f i e di n 山I s t 巧c o m p e t i t i o nb o o m sc u r r e n td i g i t a lm o d e l 锄o u n t D e s i 印r e l l s ei s 也ef i r S tc h o i c eo fm o s td e s i 弘咖d i o st 0f i m s had e s i 弘晰mg i V e nt i m e R e V e r s ed e s i g I l ，p 麟髓e t r i cd e s i 印a n d 船e - f o n I ld e f o m a t i o na r eI I 坷o rm e t h o d sf o rd e s i g nr c u s e I n “s 也e s i s ，w ep r o p o ar e V e r s ee n 舀n e e r i n gi n n 0 V a t i V ed e s i 朗m e t l 砌o l o g yc a l l e dR e V e r h 1 n o V a t i V eD e s i 印( D )a sac o m p l e m e n t a t i o no fc u 玎e n td e s i g nr e u m 甜1 0 d P r o d u c tr e V e r d e s i g ni sa ni m p o n a n td e s i g nr e u s 呛m e m o d W ei n t r o d u c e dt h r e eR Em o d e l i n gs t r a t e g i e s ：a na u t o s u 矗i n gs t r a t e g yf o ro r g a l l i cS h a p e s ；as o l i dm o d e l i n gS 仃a t e g ) rw i t l l 触r e c o 鲥t i o n 锄ds u 血c ef i t t i n gf o r 锄址y t i c a lm o d e l s ；锄dac u r v e b a S e dm o d e l i I l gs t l 斌e g yf o ra c c u r a t er e V e r s em o d e l i I l g T h el a S tt 、om e t t l o d sa r em o r ec o n V e n i e mt oe x 缸a c tp r o d u c td e f i n i t i o np a m m e t e r s 、) l ，：1 1 i c hc a l l “v e l em o ( 1 e ld e f o n n e de a S i l y B a S e do n 仃a d i t i o n mr e V e r s ed e s i g n ，I U Di st 0e x t r a c ta l ll 【i n d so fp 钺吼e t e r Sf r o ms c 籼e dd a 瓴a I l du s et l l eh i 曲l e V e l 蛐f e a n 鹏锄de v e nh i 曲e rl e v e lp r o d u c td e f i l l i t i o np a 嗡m e t e r st od r i V et l l ec l 姗g e so ft h ep r o d u c tm o d e lt of o 肌n e wd e s i 印Di s 锄i n t e g r a t e dd i g i t a ld e s i 朗m 甜姗1 0 l o g yi n c o 叩o r a t i n g3 Dd i 西t i z i n g ，3 DC A Da I l dC m D ，r e V e r e n g i n e e r i I 培( R E ) ，C A Ea n a l y s i s ，a n dr a p i dp r o t o t ) ，p i n g ( R P ) Do 、) I ，l ：l st 1 1 ec o n V e I l i e n C eo fp 觚吼e t e r “V e na n dn e X i b i l i 哆o f 舶e - f o 衄d e f o 肌a t i o na tt h es a m et i n l e R mc 龃u t i l i z et l l el 【I l o w l e d g eo fs p e c i f i e di n d u s 臼y 孤dm a p “t 0p r o d u c td e s i 印p 觚吼e t e 瑙W en e e dt oe x t r a c tm el l i 曲l e v e lp 舭吼e t e r p r o d u c td e f i I l i t i o np 撇e t e r ，锄dt l l e ne d i tm e s ep 猢e t e r St od e f o n nt h em o d e l R 【Di sa9 0 0 dc o I I l p l e m e m a t i o nt 0c u r r e n tr e V e r S em o d e l i n g Dr e q u i r e sd e s i g no b j e c th 嬲c o r r e s p o n d i I l gi I l d u S n 了p a 唿m e t c ra 1 1 di ti ss u i t a _ b l ef o r 撕。帅e s m o d e l O n ei st l l em D d e l 晰t l l 肫e f o ms u r f i u c e ，觚dt l l ek e yi se X 仃a c t i n gt h ef e 孤鹏埘r e f a m ea n df e a ：t u r ep o i n t T h eo m e ro I l ei St h em o d e l 、杭ma n a l y t i c a ls l 玎自c e ，a n dt h ek e yi sl i I l er e c o 鲥z a t i o no ns e c t i o nv i e wa n dr e g u l a rf a C er e c o 鲥z a t i o no nm e S hs e g m e n t a t i o n 浙江大学博士学位论文A b s t r a c t1 kd e V e l o p e d 刚Dm o d u l ec a nb ee 嬲i l yi n t e g r a t e di n t oc u r r e n t3 DC A Ds y s t e m s 1 km a i nR ES 仃a t e g i e sa n dc o r ea l g o r i t h m sh a v eb e e ni n t e 掣a t e di n t oS o l i d W 6 r k s 雒趾a d d - i I lp r o d u c tc a l l e dS c 锄T 0 3 D As h o el a S td e s i 弘m o d u l eb a S e do n 刚Di sd e v e l o p e di nS i n d y N G R Ep l a t f o 肌a I l ds o m eo t h e rr e d e s i g I le x 锄p l e sa r ei n 们d u C e da t l a s t K e 唧o r d s ：d e s i g nr e u s e ，r e V e r S ee n 西n e e r i n g ，f k e f 0 册d e f o 姗a t i o n ，d e s i 朗m e l o d o l o g y ，C A D ，C A I D ，C A E ，s u b d i V i s i o n ，f e a 血H - er e c o g m z e ，m o t i o ns i m u l a t i o mC F D ，e 唱o n o m i c s ，f e a _ t u r el i f l e ，p r o d u c td e f “t i o np a r 锄e t e r r e V e r s ei m l o V a t i V ed e s i g n ，f e a n l r e 、) l ，i r e f a m e浙江大学博士学位论文图目录图目录图1 1 苹果公司I P O D 系列产品家族3图1 2 数据流向图8图1 3 六角螺母可视化配置界面9图1 4 产品设计正向工程流程图l O图1 5 基于骨架驱动的动态变形1 3图1 6 常规逆向建模流程14图1 7 三坐标测量机17图1 8 激光扫描仪1 8图1 9 光学测量组合18图1 1 0 核磁共振成像计算机断层成像设备1 9图1 1 1 多边形建模及光顺效果图对比2 1图1 1 2 模型细分前后的效果对比2 2图1 1 3 汽车内饰建模2 3图1 1 4I M A 中的变形方式2 5图1 1 5C A T 认中集成C A I D 功能的产品设计流程2 5图1 1 6T - S p l i n e sV SN U R B S 表示的车门模型效果2 6图1 1 7T - S p l i n e 与N U R B S 之间格式转换。2 7图1 1 8F I O R E S 定义的设计流程2 8图1 1 9 汽车顶部区域变形前后对比2 9图1 2 0 参数控制的自由形状变形3 0图1 2 1 人体模型的关键点3 l图1 2 2 基于特征线框建模的流程3 2图1 2 3 网格特征复制粘贴方法的具体步骤3 3图2 1 骨骼逆向建模实例( 左为网格模型，右为曲面模型) 3 7图2 2 遥控板逆向建模实例一3 9图2 3 汽车模型逆向建模实例。4 0图2 4 逆向创新设计框架示意图一4 4图2 5 参数化变形设计流程4 6图3 1 汽车引擎罩变形5 2图3 2 模型预处理5 4图3 3 鞍座曲面及特征线框5 4图3 4 男女坐骨结节间径示意图5 4图3 5 鞍座的辅助截面线5 5图3 6 变形的目标曲线5 6图3 7 男女型号的鞍座变体模型5 6图3 8 基于约束的曲面局部变形5 7V I I浙江大学博士学位论文图目录图3 9 控制杆件模型5 8图3 1 0 控制杆件截面数据5 8图3 1 l 常见加工特征5 9图3 1 2 规则曲面的提取6 0图3 1 3 优化设计流程图6 4图3 1 4 把手优化设计图解6 4图4 1 木制鞋楦6 7图4 2 自由形状物体的R I D 方法工作流程7 2图4 3 鞋楦中的语义特征点示意图7 3图4 4 模型参数化流程图7 3图4 5 鞋楦的特征线框( 取自两个不同视角) 7 4图4 6 语义特征点( a ) 及其派生的产品定义参数( b ) 7 4图4 7 采用R I D 方法进行鞋楦建模的原型系统7 6图4 8 不同参数驱动下的鞋楦7 7图5 1 模型预处理8 0图5 2 参数化C A D 模型制作8l图5 3 凳子的前处理状态8 2图5 4 初始模型的静力分析结果8 2图5 5 凳子的设计优化流程8 3图5 6 凳子改型细节8 4图5 7 改型凳子的静力分析结果8 4表3 ，1 原始模型的参数提取6 l表3 2 参数驱动的变形结果6 1表4 1 国标中的男皮鞋中问号( 部分) 6 8表4 2 鞋楦部位系数定义7 5表6 1 眼镜模型的D 应用实例8 7表6 2 高尔夫球头的D 应用实例一8 8表6 3 汽车把手的D 应用实例9 0V I I I浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：f跏 仰凉签字日期：如佃矿年么月乙日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂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和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：爱吖彬，签字日期：0 2 p 扩年月二日翩躲彬彳签字眺彬易月f 浙江大学博上学位论文第l 章绪论1 1 课题背景第1 章绪论人区别于其它动物最根本的地方在于劳动，而劳动过程使人产生无穷的创造力。步入工业化时代以后，制造的产品日趋复杂，单靠个人纯手工制作的传统手段已经无法满足很多设计要求。计算机的出现为广大设计人员提供了一个非常有力的工具。如今，计算机辅助工业设计( C A I D ) 、计算机辅助设计( C A D ) 、计算机辅助工程( C A E ) 、计算机辅助制造( C A M ) 在生产的各个环节发挥着越来越重要的作用。最近二十年中，设计人员经历了一次颠覆传统的设计革命，资料室中的大量图纸逐渐以二维和三维电子图档的方式保存起来。二维制图只是从形式上替代了传统的设计工具，但从本质上还是采用同样的设计流程。三维C A D 软件的推出，则从根本上改变了传统的设计手段。三维模型真实的表达了产品的空间结构，并附带有模型的材料和质量等信息，为下游的C A E 和C A M 应用提供了可能。时至今日，三维造型已经逐步取代了二维制图，特别是特征技术、参数化技术、变量化技术和超变量化技术的应用，更加推动了C A D C A M 技术的进步【1 1 。C A D 软件广泛应用于各行各业，也使得产生的数字图档成几何级的增长。因此产品数据管理( P D M ) 和产品生命周期管理( P L M ) 也越来越受到生产企业的重视。任何一件复杂的产品，在严格的进度管理和版本管理下，也会变得游刃有余。在进行类似复杂产品设计时，我们不仅需要借鉴第一件产品的设计经验，更多的是需要一定程度的模型重用。设计重用是对设计本身及设计活动中所获得知识的重新使用，设计重用是将过去设计的信息、知识或者经验应用到当前的设计活动【2 】。丰田的花冠轿车是全球生产量最大的一个汽车型号，经过近十代的发展，其设计车型也日趋完美。然而在相邻两个型号之间，除了外观设计改动较大之外，很多零部件都是在上一型号的基础上进行一定的修改或直接重用，底盘和发动机l浙江大学博 = 学位论文第l 章绪论的设计尤其如此。这样，对不同产品就提出了不同的设计要求。如汽车的外观造型主要来自概念设计师的创作灵感，而像底盘和发动机这类产品的设计，则主要考虑强度和功效等因素。因此，针对不同的产品类型，也需要采用不同的设计重用方法。设计师在进行一个新产品设计过程中，一般需要花近6 0 的时间用于获取适当的信息，这通常是让设计师倍受挫折的阶段【3 l 。同样有数据表明，在创作过程中有超过7 5 的情况都是基于实例的设计一即重用以前的设计知识而建立一个新的设计。然而，随着设计过程中涉及的物理模型和相应知识的复杂性及数量的不断增加，使得重用很少发生，从而导致浪费大量的时间和资金。因此，设计及相关的知识重用是减少新产品研发时间的关键。使用三维C A D ( 计算机辅助设计) 工具可以明显缩短产品上市时间并降低成本。三维C A D 技术的广泛采用，极大的促进了从物理模型到数字模型的产品研发，并在过去的几十年中，完成了二维到三维的过渡。全数字化的产品研发流程包括设计、造型、仿真及加工，三维C A D 是其中不可或缺的一部分【4 5 1 。结果，产品数据库中保存有越来越多的三维数字设计样本。对于一个新的设计而言，如果在数据库中有一近似产品的数字模型存在其中，则可采用三维检索技术【2 】来获取这个相似外形及设计意图的模型。通过重用全部或部分之前的设计，来着手规划一个新的设计。三维检索和重用技术已经得到了广泛而深入的研究【1 3 1 5 】。尽管已经有不少三维检索引擎用于商用【1 6 l ，三维检索和重用在设计及媒体检索领域仍然是一个正在研究中的主题。就三维模型的设计重用而言，目前存在三个比较成熟的技术。其中之一就是逆向工程( R e v e r s eE n g i n e e 血g ，简称R E ) ，也称之为反求工程或反向工程。逆向工程是2 0 世纪8 0 年代后期出现在先进制造领域里的新技术。简言之，逆向工程就是根据零件( 原型) 生成数字化模型，再制造产品。它是一种以先进的产品设备的实物、样件或影像( 图像、照片等) 作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和计算机技术等有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技2塑垩奎芏苎主兰丝堡兰苎! 兰堕堡术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。逆向工程主要分为数据采集和模型重建两个环节。数据采集追求的目标是快速精确，而模型重建的要求是光顺高误差小。可见精度高( 或误差低) 是二者共同追逐的效果。随着科学技术的飞速发展。误差控制也越来越好。这种依样画葫芦的技术在各行各业获得了广泛的应用和发展，比如我们日常接触到的手机、汽车、玩具、家电菩都有逆向T 程的影了。在历史文物保护方面，逆向工程也起到了积极的数字化记录的作用。虽然传统的逆向工程要求误差越小越好，然而当我们肘市场上已有产品进行逆向设计的时候，我们并不能原样照搬。我们必须尊重产品原型设计的知识产权，这样才能建立一个岛性和谐的市场运行体系。因此，我们不能把逆向工程技术定位于产品的抄袭和模仿，而是应该建立起一个先消化吸收，后优化创新韵一个理念。只有这样，才能开发出更具竞争力的产品。参数化设计也是设计重用的重要组成部分。目前主流的三维c A D 软件基本上都采用了参数化设训的思想。模型的结构在各个尺寸和几何约束等参数的驱动下，可以产生无穷的设计变体。我们只需改变一些参数，便可以很轻松的建立一个系列产品，通常我们称之为产品族( F 枷i l y ) ，苹果公司的i p o d 系列M P 3 便是产品族的一个典型，如图11 所示。由于参数化设计要求被驱动模型的拓扑结构近似，因此该技术广泛应用于机械产品的设计领域，尤其是在标准件库的构建上。胃图I 1 苹果公司I p o D 系列产品家族此外，自由形状变形( F 崩- f o 皿d c f 0 瑚越i o n ，F F D ) 是设计重用中又一常用浙江入学博上学位论文第l 章绪论的技术。通过C A D C A I D 软件提供的各种变形工具，设计师往往能够创作出比原型更加精彩的作品。该技术尤其适合外观比较复杂的产品，经过一定变形而得到更加丰富的产品系列。目前的产品设计流程日趋完善，但在设计重用领域还有很大的提升空间。本文在研究目前产品设计的主要设计流程的基础上，融合最近的一些科研成果，在设计方法上进行大胆创新和尝试，提出一个全新的设计方法逆向创新设计法。该方法首次将参数化设计技术、自由形状变形技术以及逆向工程技术三者结合在一起，丰富了产品设计重用的手段，拓展了行业应用领域，也推动了设计方法学的发展。本文的目标是让设计师今后在进行新产品设计时，能够更加有效的利用已有的设计资源，拥有更多的设计思路。1 2 国内外研究现状本节首先归纳总结产品设计方法学及产品创新等相关内容，然后从设计重用的角度，介绍参数化设计、自由形状变形设计、逆向工程的发展现状。1 2 1 设计方法学设计方法论亦称为“设计哲学 、“设计科学 、“设计工程 或“设计方法学 。是2 0 世纪6 0 年代以来兴起的一门学科，主要探讨工程设计、建筑设计和工业设计的一般规律和方法，它涉及到哲学、心理学、生理学、工程学、管理学、经济学、社会学、美学、思维科学等领域，是研究开发和设计的方法论的学科，它包含了方法论中的各种层次的问题。第二次世界大战后，由于信息工程、系统工程、人类工程、管理工程、创造工程、科学哲学、科学学等一系列新兴学科取得了迅速的发展，一批哲学家、科学家、工程师和设计师从一般方法论的角度研究设计中的方法论问题，使许多工程师和设计师认识到：传统的设计方法已经不适合于解决日益复杂的设计问题，因而必须代之以新的设计观、思想、原则和方法【1 7 1 。常用的设计方法论主要有突变论、智能论、信息论、系统论、控制论、优化论、对应论、功能论、离散论、模糊论、艺术论共1 1 种。现代设计方法学从传统设计方法中脱胎而出，具有以下特点【1 8 1 ：4浙江大学博士学位论文第l 章绪论1 从战略高度，用大视角审视设计对象。2 设计方法学是方法论，是应用科学，是新兴起来的交叉学科。设计方法学主要研究设计进程中各阶段、各步骤之间的联系规律、原则和原理，以求得合理的设计进程。因此，设计方法学是探讨设计进程最优化的方法论。3 设计方法学具有鲜明的系统性。4 设计方法学追求设计结果的整体最优化。5 现代设计方法的种类主要包括创新设计、虚拟设计、机电产品造型设计、可靠性设计、优化设计、人机工程学设计、绿色设计、稳健设计、并行设计、模糊设计、智能设计和反求设计等等。设计方法学的进化主要靠创新，创新是一个生产企业的灵魂所在。无论何时，一个企业所拥有的产品优势都只是暂时的、相对的。如2 0 世纪的海鸥牌手表，飞鸽、永久、凤凰三大品牌的自行车，北京牌彩电等等这些国产名牌产品如今已经失去了昔日的辉煌。S O N Y 风靡一时的随身听市场，也被更高科技含量的苹果I P O D 所取代。创新的提出始于2 0 世纪初，它的概念是由著名的美国经济学家熊彼特在出版经济发展理论【1 9 l 一书中提出“创新是生产要素的重新组合 。它包含以下五方面：1 ) 引入新的产品；2 ) 引入新的经验、知识和操作技巧；3 ) 掌握住原材料新的来源途径；4 ) 开辟新市场；5 ) 实现工业的重新组合。那么产品创新又是什么呢? 我们把产品创新概要地定义为：新产品在经济领域中的成功运用。包括对现有生产要素进行重新组合而形成新的产品的活动。全面地讲，产品创新是一个全过程的概念，既包括新产品的研究开发过程，也包括新产品的商业化扩展过程。正因为有了产品创新，所以企业才能保持产品的竞争优势，提高企业形象，为经济发展提供持续的动力【2 0 】。经过数十年的发展，在掌握已有创新技法的基础上，结合认知科学、人工智能、设计方法学、科学技术哲学等前沿学科，创新设计方法已经成为一门独立而且有待开发的新的设计和方法。随着计算机技术的发展，创新方法的研究也出现新的趋势，在现阶段，各种成熟的创新方法开始集成化研究与应用，并与计算机( 包括网络) 技术相结合，形成计算机辅助创新( C A I ：浙江大学博上学位论文第l 章绪论C o m p u t e rA i d e dI I l I l o v a t i o n ) 技术，如：Q F D 、可靠性设计、网络协同创新设计、有限元分析等各种成熟的技术和方法开始融入到创新设计过程中【2 l 】。企业产品创新一般有两种方式，一种是首创式( 也称之为原始性创新) ，一种是模仿式( 也称之为积累性创新) 。首创式创新在首创研究、试验与市场开发的投入大、时间长、风险大，但在市场占有、商誉和知识资产方面得到的回报高，通常需要从原理上进行改变，是从无到有的创新。而模仿创新则可相对减少这些首创投入与风险，利用首创的基本概念或原型技术，利用首创企业已开发或在开发中的市场，再创新出奇，取得后发制人的优势。这类创新通常是在第一类的基础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和个性需求，创新性的设计属于其中，创新后的产品也就是个性化的产品。统计资料表明，8 5 9 0 的产品创新属模仿创新【2 2 1 。在创新点的寻求方面，多依赖于设计师的创造性思维。创造性思维具有两种形式：直觉思维与逻辑思维。直觉思维是一种在下意识状态下，对事物内在复杂关系突发式的领悟过程，具有创造灵感忽然降临的色彩。逻辑推理型创造思维方式是人们根据所提出的创造目标，进行逻辑推理式的思维，把目标展开、分解和综合，寻求各层分目标的解，然后找出最终整体解，用主动的可按部就班的工作方式向目标逼近。实际上，大量的创造过程是这两种思维方式交叉和综合的结果。当要设计一件复杂的产品时，设计师往往需要借助多领域的知识，协同设计显得尤其重要。1 2 2 参数化设计参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数化设计广泛应用于机械产品的建模中，即建立图形约束和几何关系与尺寸关系的对应关系，由尺寸参数值的变化直接控制实体模型的变化。参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体6浙江大学博上学位论文第1 章绪论现出很高的应用价值f 2 3 l 。参数化研究工作最早可追溯到6 0 年代早期，S u t h e r l a n d 在他开发的S k e t c h p a d系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后续的研究工作大多是在S u t h e r l a n d 等的基础上开展的【2 4 】。而在三维C A D 产业引起轰动的事件则是P T C 公司P r o E n g i n e e r ( 以下简称为P r o E ) 软件的问世。P r o E 的成功主要源于S a m u e lG e i s b e r g 的贡献。设计初期，P r o E 发展了三维线框设计的思想，首先建立基准面，在基准面上勾画二维草图，用扫描方法将二维轮廓引申成三维形体。依次更换作图平面，尽量用显式操作生成形体，避免面面搜索求交、裁减和集合运算。P r 0 E 的总体目标是使曲面、实体、参数化特征设计融为一体，可以任意构造复杂零件和装配体，而且修改设计方便。它的发展过程并非一帆风顺，最大难点在于集合运算中曲面求交、裁减运算和参数化草图设计中的几何约束求解不能迅速达到可靠、高效，这需要非常高的数学功底。S 锄u e lG e i s b e r g 正是发挥了他的数学专长，紧密结合C A D 工程应用实践和软件开发技术，排除各种非议，使P r o E 得到了普遍接受，为C A D 技术发展树立了一个崭新的里程碑【2 5 1 。近年来开发的C A D 系统都是基于特征和基于历史的三维参数化设计系统【2 6 1 ，它们一般都是采用基于组件的实现技术。目前使用的组件主要包含用户界面组件、几何引擎组件、约束求解器组件、真实感图像显示组件【2 7 l 。传统意义上的参数化设计大多集中在几何元素的处理上，包括二维草图绘制和三维实体造型两部分。其中二维草图绘制的设计对象是一般的点、线段和圆等一般的几何元素，并添加平行、垂直、同心、共点、尺寸等几何约束，然后在参数化草图的基础上，通过特征造型( 拉伸、扫描、旋转等) 以及加、减等布尔运算来生成零件的三维模型，在装配模块中通过添加诸如同轴、共面等装配约束来形成。该过程相对来说是一个狭义的参数化过程，并不能完全满足产品设计的需求。因此，也有学者提出广义参数化设计的概念【2 引。产品广义参数化设计是为了支持产品的设计周期，其参数化对象不仅仅是二维或三维的几何零件实体，而是针对整个产品以及产品设计知识、设计约束的一种广泛程度上的设计集成。产品广义参数化设计概念的提出，拓展了传统一般意义上的仅限于几何尺寸参数化设7浙江大学博J ：学位论文第l 章绪论计的范围，使得系统参数的定义不仅仅是几何尺寸的参数化而是包括产品的性能等非几何参数信息。产品广义参数化设计可以很好的支持产品从概念设计、结构设计到详细设计整个产品设计周期，使得产品设计人员从产品设计初期就能在设计要求的指导下进行产品设计，从一定意义上支持了产品并行设计和设计集成【2 卅O不同C A D 平台之间的模型数据主要依靠I G E S 或S T E P 这些中性格式进行传递的。I G E S 格式出现较早且有较多缺陷，而S T E P 格式是I S O ( 国际标准化组织)在1 9 8 8 年公布的产品模型数据交换标准。然而目前的这些中性格式并不能保留C A D 模型的诸多参数信息，这使得设计重用大打折扣。P r a l t 【3 0 】提出了扩展的S T E P格式，力图弥补现有S T E P 格式信息量的不足，并研究论证了S T E P 格式带有参数信息的可行性。图1 2 所示的内容基本表达了目前中性格式的数据在整个设计流程中的位置。 茵冈嚣可矽图1 2 数据流向图另一股研究力量则是从特征识别这方面达到提取中性格式模型参数的目的【3 l 3 2 1 ，也就是说，由其它平台导入的I G E S 或S T E P 格式的文件，经过特征识别的操作后，一些常规的建模特征( 如拉伸、旋转、圆角、倒角、切除、钻孔等) 会被正确识别出来，并能够重新对识别的特征进行参数驱动。目前C A T 认、S o l i d W 酬k s 、I n v e n t o r 等三维C A D 软件都包含了特征识别的模块。前面提到的部分逆向工程软件也集成了特征识别的模块，能够快速将点云或网格中的二次曲面特征识别出来，在一定程度上加快了逆向建模的速度。8浙江大学博上 位论女第】章绪论很多软件供应商开发了针对各个三维c A D 软件的标准件库，便很好的利用了参数化设计的思想，由一个设计母体衍生出大量同类型派生体。随着互联网的飞速发展，这些三维资源也开始移植到各类网站中。国外有些成熟的网站p 3 】已经开始将厂商的产品阻三维模型的方式陈列给用户，并可以让用户自定义参数来配置所需的型号，从而获得比阅读产品手册更加直观的采购体验。在国内也开始出现类似的网站，例如新迪数字公司开发的三维资源在线网站l ，里面就包含了大量国标常用件，用户不但可以自定义型号，还能进行缩放、平移、旋转等操作，虽后还可以保存为指定的c A D 格式，以帮助工程师完成繁琐的标准件设计工作。图l3 显示了三维资源在线网站的部分界面，用户可以在此简洁的界面中完成自定义规格、指定3 D 下载格式及版本等操作。图13 六角螺母可视化配置界面参数化设计广泛应用于现有的三维c A D 造型软件中。纵观三维c A D 的发展历史，其造型技术主要归为以下四类：曲面造型技术、实体造型技术、参数化造型技术、变量化造型技术。而进入二十世纪九十年代，后两种技术获得了长足的发展和普遍的认可。参数化设计在正向工程中得到了广泛的应用，目前几乎所有的三维c A D 软件都支持参数化设计作为主要的产品设计方式。图14 给出了一般产品设计正向工程的流程图。图中可以看到，c A D 建模阶段是参数化设计屉常用的环节。设计师可以通过工程检测等反馈，通过参数编辑或修改等方式，快速实现模型的重新设计。一。蒹一浙江大学博士学位论文第l 章绪论图1 4 产品设计正向工程流程图C A D 系统的重要性主要体现在以下几个方面：1 与下游C A E 软件连接紧密，分析得到的结果可以有效反馈到C A D 软件中，进行优化设计。2 和C 。气M 软件无缝集成，使具有复杂外形的C A D 模型的几何特征可以很好地进行数控加工。3 易于采用P D M 软件进行文件管理，可以将产品设计各个不同时期的版本有效的管理起来。4 方便生成可用于加工的工程图纸。目前主流三维C A D 软件都具有从C A D模型直接生成二维工程图的功能。可以毫不夸张的说，现在的制造型企业，几乎都采用了至少一款C A D 软件进行产品设计。三维C A D 软件中，国外的高端系列有D a s s a u l t 公司的C A T I A 及U G S 公司的U G N X ，中端产品主要有D a S s a u l t S o l i d W b r l ( s 、U G S S o l i d E d g e 、A u t o d e s l 【，I n v e n t o r ，而P T C 公司的旗舰产品P r o E n g i n c e r 则可以定位于中高端产品。国内由于三维C A D 研发起步较晚，产品的性能与国外的中端产品相比都还有一定的差距，市场化较好的也只有C A X A 实体设计这一款软件。1 2 3 自由形状变形F F D 在三维建模软件中是一个非常重要的功能，最近数十年也涌现出了很多关于F F D 算法的研究。S e d e 舭唱【3 5 】提出的方法适用面广，可以说是物体变形中最实用的方法之。F F D 方法不对物体直接进行变形，而是对物体所嵌入的空间进行变形。F F D 方法中的l a n i c c 块的形状为平行六面体，这在一定程度上限制了它的应用。C o q u i l l a n 【3 6 】提出的拓广的F F D 方法( 简称E F F D ) 消除了对非平行六l O浙江大学博士学位论文第l 章绪论面体l a t t i c e 的限制，使得初始的l 砒i c e 允许棱柱和圆柱这种形状，因而增加了F F D的适用范围。L 锄o u s i n 【3 7 】提出了基于N U R B S 的F F D 方法N F F D ，N F F D 提供了更有效的控制。保体积的自由变形和约束变形也已有一些工作。目前的许多商用动画软件如S o 衔m a g e 、3 D M A X 、M a y a 等都有类似于F F D 的功能。R u p r e c h t 【3 8 】提出了一种通过散乱数据插值的空间变形方法。当物体的变形可通过移动l a t t i c e的控制顶点来实现时，上述各模型提供了强有力的变形工具。但是l a t t i c e 变形和物体变形之间的对应关系并非很直观时，基于F F D 的变形方法就难以奏效。H s u 【3 9 l等于1 9 9 2 年提出了一种通过变形后物体上点的偏移来反求l a t t i c e 顶点，从而达到直接操纵物体变形的方法。B o r r e l 和B e c h m 锄【4 0 】提出了空间变形的简单约束变形( S c o d e f ) 法。国内也有针对这些F F D 算法的改进【4 l 4 2 】，并取得了不错的应用。自由形状变形在计算机动画领域具有非常广泛的应用。设计师只需要对某几个关键点进行局部的变形操作，便能得到另外一个模型实体。如人脸的面部表情非常丰富，但设计师无需对每个面部表情都重新建模。我们只需要先建立一个人脸原型，之后在此基础上通过局部变形操作，得到带有丰富面部表情的系列人脸模型库。如今的计算机动画向着更加智能化的方向发展，自由形状变形也更多的借助于计算机参数的控制。设计师只需在事先统计好的参数范围中输入一些数值，便能表现喜怒哀乐等面部表情。然而在使用F F D 时，一般有以下几种问题。首先，栅格( 1 a 钍i C e ) 与目标模型之间的关系不明确，因此在编辑栅格的控制顶点时，很难直观地获取想要得到的变形结果。因此，如何恰当的选取并拖放栅格上的控制点以达到准确变形的目标是相当困难的。再次，模型在变形后仍然保持几何形状不受破坏也是不太容易的，很容易引起变形后模型扭曲的问题。最后，当需要保证尺寸精度时，F F D 也无法对变形结果提供精度保障。在研究生物体的自由形状变形时，模拟生物体的各个关节的运动轨迹及规律，也是另一个研究热点。设计师往往只需要建立一个生物体原型，通过改变关节位置来获得各种运动造型。这个工作先采用提取网格模型特征骨架的方式获取生物体的骨架模型，之后设计师便可以通过控制它，得到关节的设置，进而确定浙江大学博士学位论文第l 章绪论模型各个部位的运动方式。可见，骨架在计算机动画中起着举足轻重的作用。此外，骨架还可以用于形状分析、表面重建、动作规划等其他方面，类似于三维搜索的作用，为模型提供局部的低维特征。网格模型的特征骨架提取算法很多，例如冯晋涛【4 3 】发展了基于H 0 p p e 提出的渐进网格基础上进行骨架抽取的方法，该方法不涉及复杂的数据结构，计算速度也比较快。郁佳荣f 删提出了一种骨架驱动的人体动画模型，他将模型的结构分为线骨骼、三维中间层和控制网格体这三个层次，并通过三者之间的驱动关系，达到实时进行人体动画模拟的要求。l o 【4 5 】贝0 发展了基于手绘的网格变形方式，该方法交互简单自由，对网格模型的局部骨架进行变形非常有效。s t e v e m l 贝U 研究了交互式骨架驱动的动态变形，他将网格模型划分为多个层次，并提出基于约束的快速求解变形结果的方法。图1 5 表达了S t e V e 的研究思想，其中( a ) 图的左上图显示了从网格模型提取出的骨架及特征点的局部坐标系，右上图显示了半个模型的控制网格，左下图给出了控制网格与骨架之间的对应关系，右下图则显示了整个模型的控制网格，以及分割出来的局部网格区域，每个区域都对应着左上图的一个局部坐标系，其中混合颜色表示相邻网格区域的过渡区。( b ) 图则给出了采用该方法进行网格变形的实例，通过改变袋鼠模型背部一个特征点的位置，则可以驱动临近网格的顶点重新定位，而完成局部区域的变形。段德全【4 7 l 在研究了已有三维网格的骨架生成及其优化方法的基础上，提出了一种基于骨架的局部网格编辑算法。先由用户确定编辑区域，绘出与变形后的骨架相对应的编辑曲线，再根据网格顶点与骨架曲线及编辑曲线之间的对应关系，实现网格结点的平移和旋转等编辑操作。特征骨架除了可以从网格模型提取之外，也可以直接从扫描得到的点云模型上获取。其中线骨架提取f 4 8 】算法是最为常用的方法，线骨架提取大致分为四大类：细化过程方法、距离场方法、计算几何和图论的方法以及广义场方法。邹万红【4 9 】在其博士论文中发展了点云骨架提取算法，该算法根据M o r s e 理论确定模型特征点，用测地线连接中心点与各特征点可获得模型的初步骨架；然后采用可见反力可将初始骨架内推到模型内部可见反力局部极小值处，根据角度聚类光顺后得到1 2* 汀大学博i 学位* 女* I 章绪论模型的最终骨架。蠕书海漆? 萄缚：( a )喁：强。爹? 蓼：辫：戳。( b )嘲l5 基于骨架驱动的动态变形近些年柬，c A D C A I D 软件也越来越多的引入了F F D 模块，例如，c A T I A 含有B u m p 和s h 8 p e M o r p h i g 的特征；u G N x 提供了x - F o 衄和D e f 0 咖功能；P r o ，E则具有T w 础功能：s 0 1 i d w o r k s 也有F l e x 、w r a p 及D e f o n 等相关特征。这使得设计师在创作复杂外观的产品时，省去了很多不必要的步骤。由于c A D 软件与c A E 及c A M 结合紧密，也使得F F D 技术更好地服务于工业产品设计中。浙江大学博上学位论文第1 章绪论1 2 4 逆向工程1 2 4 1 研究热点从逆向建模流程看，首先是对采集到的点云进行处理，得到符合建模要求的干净点云。在此基础上，我们可以直接在点云上提取特征线、截面线等建模要素，以作为曲面建模的素材。当然，除了基于点云的建模方式外，还有一个重要分支是采用基于三角网格的逆向建模方式。基于网格的建模仍然需要借助点云这个原始数据，但在可视化及精度方面具有更大的优势。我们姑且可以把点云和网格数据称之为参照体，而在二者基础之上生成的特征曲线则称之为模型的线架，而最终生成的曲面则是我们需要得到的结果。当然，生成曲面的质量主要靠光顺度和精度两个指标来衡量。图1 6 给出了逆向建模的一个常规流程。图1 6 常规逆向建模流程逆向工程的每一个步骤都涉及到大量数学理论及算法，因此在每个方面都是研究的对象【5 0 1 。主要包括点云数据的拼接和定位技术、保体积的网格光顺技术、网格分区技术、特征线提取技术、解析曲面提取技术、基于点云或网格数据的N U I m S 曲目拟合技术、曲面精度评价技术等。对产品的逆向建模而言，曲面重构则是我们关注的重点。对于散乱数据的曲面重构，一直是逆向工程中的研究热点问题之一。三维散乱数据的曲面拟合主要分为两个阶段：基于三角域的三角化表示和基于四边域参数曲面的表示。三角模型是一种常用的数学模型，特别是在计算机图形学和动画领域尤为重要，受到人们的普遍重视，并且取得了长足的发展。这种模型是用一系列三角形彼此相连将整个区域封闭起来。三角化过程实质是用多面体模型来逼近和插值原1 4浙江大学博士学位论文第l 章绪论始的散乱数据，三角形网格生成技术发展到现在，己经出现了大量的不同实现方法，其中具有代表性的主要有B o 、y e r 和骶e n 等提出的V 0 r o n o i 图方法、L e e 和S c h a c h t e r 利用分治技术提出直接计算v o r o n o i 图的方法、以L a w s o n 为代表的对角交换算法、D e l 卸n a y 提出的W 如o n 算法、L o 推出的网格前沿法、H o p p e 提出用微切平面逼近三维散乱数据的三角形网格生成算法，以及上述各种方法的改进算法等f 5 1 1 。在不同的三维系统( 例如：C A T 队、3 D M a x 、h I l a g e W a r e 、G e o M a 西c )和不同的网格文件格式( 例如：S T L 、W I 也、O B J ) 之间进行数据交换时常常会引入某些错误。另外一些常用的网格操作，如网格重建、面删除、合并、简化和有损变形等也常常会引入错误。这些错误对有限元分析、细分曲面重构，网格渲染和其它一些高层C A E 操作都会带来问题。因此在进行逆向曲面建模之前，需要对网格进行预处理。网格中的错误通常可以被归类成两类：拓扑错误和几何错误。拓扑错误是通过网格的流形性判定的，而几何错误是通过网格数据的统计信息和空间信息推测的，例如顶点重合，错误定向( 法矢反向) 和面重叠。为了保证网格流形，G u e z i e c 【5 2 】提出了一种切割加缝合的拓扑修复算法，由于算法没有考虑几何信息，所以在修复拓扑错误的同时，网格可能会严重变形。F o r e S t l 5 3 】提出了一种基于四面体网格的保流形算法，该算法主要通过删除合理的局部少量四面体实现网格流形。朋e m a l l 等1 5 4 5 5 1 在拓扑上引入两个基本算子：矾S E I 汀E D G E 和D E L E T E E D G E 。使用这两个算子，他们展示了一个建模二维流形网格的系统。基于平面图论原理，W | o o d l 5 6 1 、G u s k o v 【5 7 1 、L e o n g 【5 8 ，5 9 】分别展示了拓扑错误修正的方法。周华民I 删提出了错误描述图的拓扑修复方法，他们将网格中的错误划分成独立的错误描述图，算法通过修复再刷新的方法删除错误。为了检测重合顶点，崔树标【6 l J 提出了一种基于多表方法。只有当不同索引的顶点指向表中同一位置的时候，这两个顶点将被判定为重合。戴宁【6 2 】提出了一种基于平衡二叉树的重点检测算法，二叉树算法具有很好的稳定性但其时间复杂度是n 幸O ( 1 0 簖n ) 。成学文1 6 3 】提出了基于H A S H 表的重点检测算法。他们直接将四字节浮点数转换成四字节整数，从而构成H A S H 索引键值。由于没有考虑浮点精度，所以算法对有些模型不够鲁棒。在现有逆向建模软件中，例如P o l 州r k S 、C A r 认、浙江大学博上学位论文第l 章绪论G e o M a g i c 等都拥有很强的自动网格修复功能，这大大降低了后续操作出错的可能性。三角模型侧重于对离散点的分割，试图通过对离散数据的自动组织得到其拓扑结构，具有构造灵活、边界适应性好等特点，尤其适合于对散乱数据的处理；但该方法产生的三角片数目巨大、几何连续性差、与通用C A D 系统接口不兼容等问题。而目前绝大多数C A D 系统都采用的是矩形拓扑结构的自由参数曲面，因而三角曲面测量造型模块与普通曲面造型模块难以作到方法学上的统一，从而导致两者不兼容。四边域算法通常适用于均匀分布测量点的场合，对于测量点分布不均匀，若直接采用这类方法进行拟合，得到的曲面将产生严重的局部扭曲，曲面整体应变能量偏大，曲率变化不均匀，导致曲面整体光顺性能较差，无法满足设计要求，因而如何从大量、任意、无规律的散乱点自动产生任意矩形拓扑结构是反求工程的难点。大多数关于多个矩形拓扑结构曲面重构的研究工作都是由人工勾画产生散乱点的拓扑结构，G u o 【删在这方面进行了一些研究工作，李彬【6 s 1在其博士学位论文中，对散乱数据提出了先构造辅助曲面，通过这个辅助曲面将散乱数据转化为矩形域拓扑结构，而后采用双三次B S p l i n e 方法构造出所需要的曲面，这种方法避免了三角网格的划分，具有计算速度快、光顺性好的优点。1 2 4 2 测量设备数据测绘在逆向工程中占有极其重要的地位，最终模型的品质在很大程度上取决于初始测绘数据的质量。我们在此粗略地回顾一下目前主流的逆向工程测量设备，了解其在各自的工作特性。1 三坐标测量机( C M M )其工作原理即是将被测物体置于三坐标测量空间，获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。三坐标测量机主要由主机机械系统( X 、Y 、Z 三轴或其它) 、测头系统、电气控制硬件系统及数据处理软件系统( 测量软件) 所组成。主要代表有W I N Z E LS m a nC M M 嗍和F a r oP l a t i I I l 啪f 6 7 】系列。C M M 起源于2 0 世纪6 0 年代初期，它主要采用紧贴物体表面的探头来测取数据。测量速度很慢，但是精度很高。图1 71 6* 毕博l 女第】章镕论为w I N z E L 公司出品的s m a r 【c M M ，可以看到三坐标测量机基本上都有个很稳定的工作台，以确保测量数据具有很高的精度，而且测量头可以沿着三个方向自由移动。采H 4 三坐标测量机测得的数据通常数日较少，而且需要一定的测绘经验。传统的三罐标测量机多采用逐点触发或扫描的接触式测量，测量速度慢、效率低，易损伤被测表面，不能对软质材料和超薄形物体进行测量对细微部分测量精度也受到影响，应用范围受到限制。幽l7 二坐标测量机2激光扫描仪( I 删rs )三角法测量是目前光学测量应用最广泛、技术最成熟的方法之。其基本工作原理是光源发出的光经过会聚透镜投射到被测物体表面，其漫反射光经成像透镜形成光斑成像在光电榆测器件( P s D ) E 。该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决定。被柳4 物体表面的位移改变引起光敏元件上成像光点产生位移，而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关，通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处理就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。主要代表有R o l 蚰dL P x ，R e n i s h a w c Y c L O N 2 川及N e x t E n g i n c ，图l8 给出的便是R o l a n d 公司的L P x6 0 0 系列激光扫描仪。激光扫描仪每秒钟能够捕捉数万个坐标值，极大加快了逆向工程的速度同时也提高了质量检测的性能。目前激光扫描仪也是逆向工程中运用最为广泛的数字采集设备。激光测量法无论是从精度、可靠性以及价格方面来讲，都具有其它铡量方法无法比拟的优越性，但激光测量方法目前还存在很大的局限性主要表现为测量的灵活性不够，焦距过短，景深过小。新太学博L 学位论Z第l 乖绪论重一量幽l8 激光扫描仪3光学测量仪( O M D )主要代表有A T o s ，R e x c a n5 6 0 【”啪v I v l D9 i 。O M D 主要采用二角测量的原理，靠几台照相机获取投影光栅，并由这几台高分辨率的数码相机可以获取高精度的物体空间点的坐标进而在点云的基础上产生网格。由此产生的高精度的扫描数据使直接加工成为可能。图19 给出了o O M 公司的光学测量组合，其中T R 】T o P 是用来拍照测量的，而A T O s 则是光学三维扫描测量的设备。以A T o s 的测试数据为例，采用光学测量设备在数据质量( 噪声点少) 和精度上要大大优于激光扫描数据，扫描速度也有一定的提高。采用数码相机拍照获得整体参考点进行拼合的方式可以用于大型工件到测量，而对于小的零件则可以采用A T o s 参考点拼合的方法。由于光学测量仪的价格一般较高，所以主要用于对精度要求高的企业，如汽车、航天、珠宝等行业。正圉l9 光学测量组台4核磁共振成像 十算机断层成像( M R c T )M R J 是一种生物磁自旋成像技术，利用人体中的遍布全身的氢原子在外加的强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空问编码技术，用探测1 8浙江大学博学位论女第l 章绪论器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振信号，输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织的形态形成图像，以作诊断。c T 则是用x 线束对生物体的某一部分按一定厚度的层面进行扫描，当x 线射向生物体组织时，部分射线被组织吸收，部分射线穿过人体被检测器官接收，产生信号，该技术通常用来检查复杂的骨骼组织，例如头骨、脊椎、关节等。主要代表有西门子的s O M A T o MD e 矗面虹o n 、M A G N E T O M A v t 0 I ”1 ( 如图1 1 0 所示) 及通用的L i 出s p e e d P f 0 1 6 、s i 肼H D3O T 。由于w c T 技术采用的是磁场和射线，对生物体不会造成接触性的伤害，具有很高的安全性。飙I 图l1 0 核磁共振成甜计算机断层成像设备1 2 4 3 逆向工程软件目前商用的逆向工程软件主要分为专业版和集成版两类，下面介绍一下常用的逆向工程软件及各自的特点。嘶w a 一7 1 是一款非常优秀的逆向工程软件。该软件被u 0 收购之后，能很好地融入到u G N x 50 版本中。并能生成质量很好的A 级曲面广泛应用于汽车、航空等尖端领域。晰d f o m p ”是一款由韩国人开发的逆向工程软件。它支持彩色点云的扫描功能，其产品R 卵i d f o r l 珀) ( O R 还具有三维c A D 软件的操作习惯，并引入了部分参数化编辑的思想。G m 硒cs 柚d i o 【删是另外一款优秀的专业逆向工程软件。它具有非常强大的自动寻找网格特征线并快速生成包覆曲面的功能。该软件突出的特点是快速，但在建立高质量曲面方面功能有限。浙江大学博士学位论文第l 章绪论C O P Y C A D 【8 0 J 称得上是一款小巧精干的逆向工程软件。它的操作简单，界面友好，上手快速。它独特的逆向建模向导方式使得非专业人员也能够按照每一步的提示进行相应的操作。三维C A D 软件中的逆向工程模块。前面提到的四款软件都是独立的逆向工程软件，而现在很多主流的三维C A D 软件也集成了逆向工程模块，使工程师能够一气呵成地在同一个平台完成从点云数据到C A D 模型的制作。其中有代表性的有C A T 认【8 1 】中集成的D S E( D i g i t i z e dS h a p eE d i t o r )及Q S R( Q u i c kS u r f k eR e c o n s t m c t i o n ) 模块，P R 0 E n g i n e e r f 矧中集成的I k s 哆l e 模块，S o l i d w b r k s 【8 3 】集成的S c a I l T 0 3 D 模块。总的来看，独立的逆向工程软件功能日益细化，造型方式也越来越多，向着大而全的方向发展。而作为集成在三维C A D 软件中的逆向工程模块也取得了长足的发展，使逆向工程与正向工程更加紧密的融合在一起。因为很多逆向工程软件拥有的曲线曲面功能在三维C A D 软件中都可以直接引用，因此集成的逆向造型模块可以做到小而精。1 2 5 产品设计的造型方式1 2 5 1 多边形( p 0 1 y g o n ) 造型多边形建模是三维软件的传统建模方式，它是由一组有序顶点和顶点之间的边构成的N 边形。由于它们的几何体从数学角度来说比较简单，可以很快的计算出来，因此在为游戏和其它注重速度的实时建模时经常采用。目前，多边形建模在娱乐游戏、建筑装饰、电视片头、广告动画等领域几乎成为行业首选方式。多边形的另一个优点是你可以将材质和纹理赋予选定的多边形，而不是整个多边形网格，设计师也可以使用顶点的颜色来减少渲染整个多边形所需要的数据量。设计师还可以在需要更多细节的地方细分多边形，也可以在不需要注重细节的地方删除它们。但是，多边形最大的缺点在于它绘制有机形状的能力比较差。对于这些形状，需要大量的几何体( 也就是大量的点) 来获得平滑的表面。因此，当需要设计高塑兰查兰堕! ：兰些堡兰塑! 至堕堡精度的工业产品时，这种方法就不能满足要求了。多边形造型一般都是由简单的形状开始的，例如平面、柱面、球面等面单元，或立方体、球体、圆柱体、圆锥体、圃环等体单兀。在此基础卜，垣过定的挤压变形等编辑操作，便可以创作H 外形复杂的模型。罔11 1 是采用3 DM A x 软件进行汽车观后镜建模的例子，左图是建模状态的效果可咀看到模型相、粗糙，多边形网格之间过渡生硬，右图则是光顺后的效果，町以让 i 计师查看模l g 渲染时的外观效果。蚓1 】I 多边形建模及光顺效果图对比多边形造型在c o 领域拥有庞大的用。群，很多设计师已经刊惯于在州格骨架之间寻求拖拽造型的乐趣。多边形网格 往还可以作为一种过渡介质，廊用到其它行业中。例如工程引算中常常用到有限元分析其中的前处理有相、部分工作量就是网格生成，网格的格式多为四面体非结构喇格或A 面体结构网格。在逆向工程领域中，也经常采用三角网格作为点云与曲面之间的过渡桥梁。而网格的构成阶段往往很容易产生拓扑性的错误由此可见，网格修复有着非常重要的地位，前面我们也着重介绍了网格修复的相关内容。此外，多边形网格在快速原型、数字雕刻，数字油泥等方面都有着广泛的应用。1 2 52 细分曲面( s u b d i v i s i o n ) 造型细分曲面在c G 领域占有越来越重要的地位，它以出色的光顺性和良好的可操控性，提供了独树一帜的造型方式。细分曲面的出现可以追溯到1 9 7 8 年c 栅u l l 、c l a r k 等人第一次提出的s p l i n e p a f c h 方法【鲫，井以此匹配任意拓扑结构的网格。细分算法层出不穷8 5 4 ”，江 * I n * t镕l i 镕*它们的共同特点是适用于任意的控制阿格并可产生州当光顺的曲面。1 9 9 5 年以后细分曲面造型技术取得了长足的进步，重要标志是1 9 9 8 年P i x a r 公司的一部先伞使用细分曲面造型技术制作的动画短片G e d sG a r c 获得奥斯卡最佳动画碰片奖，以及1 9 9 9 年s l g g 。a p h 会议上授予T 0 n yD c R o s e 成就奖就是表彰他用细分方法解决动画中的几何造型问题所作出的突出贡献。山于细分曲面技术在三维造犁领域的广泛应用，很多传统的三维设计软件也开始重视细分曲面的造型方式。如A 咖d e s k 公司的3 D M A x 和M A l n 都纳入了细分曲面的建模模块。L u x o l o g y 公二】还专J 开发了细分曲面建模软件M o d o 州，在业界取得了很A 的成功。通过先进的细分表面引擎，可以实时的切换细分前后的模型显示。图11 2 显不了M o d o 软件中模型细分前后的效果对比。要使细分曲面在c A D 领域得到真正的应用，还有很多问题需要研究，比如：如何根据给定精度对细分曲面进行求交和布尔运算，如何使等距后的细分曲面仍然用细分曲面精确表示，如何在光滑细分曲面上实现各种尖锐、半尖锐特征，如何用简洁的控制网格去拟台带特征的复杂模型，如何用细分眭面表示高阶连续c A D 模型，等等，均细分曲面造型技术研究是细分曲面应用于曲c A D 面造型时需要解决的难点问题。饕薹墨露蚕图1 _ 1 2 模趔细分前后的效果对比1 2 5 3N u R B s 曲面造型N o n u n l f o r mR a t l o n a lBs p l i n e s ( N u R 瞵) 是种交互式创作3 D 模型曲线阻及曲而的技术，即曲线曲面的非均匀有理B 样条。山于它能够精确描述包括-次曲线在内的各种曲线，无论是解析形状还是自由格式形状均有统一的表示参数，便于工程数据库的存取和应用，并可通过 卒制点和权吲子方便地对曲线、曲2 2浙人学博l 学位论文第1 幸绪论面的形状进行局部调整。N u B R s 的提出，是为r 将所有空间曲线、曲面用统一数学形式描述。国际标准组纵( I s O ) 继美国的P D E s 后，于1 9 9 1 年颁布了关十工业产品数据变换的s T E P 国际标准，把N u R B s 作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。现在N u R B s 已经作为工业界3 D 造型的标准，被三维c D 系统广泛采用。N u R B s 是B 样条和贝塞尔曲线和曲面两者的推广，其主要差别在于控制点的比重，而使它们成为有理的( 非_ f j 理8 样条是有理B 样条的特殊情况) 。由于N u R B s曲线和曲面都有严格的数学定义，其精度比前面所讲的造型结果都高，所以非常适合工业产品的造型设计。A l i a s s t u d l o 、R h l n o c e r o s 、s 0 1j d T h in k ln g 等c A I D软件均采用N u R B s 作为主要造型手段。同11 3 就是运用A l l a s s t u d lo 软件并以N u R B s 曲面造型的方式完成的汽车内饰建模。酒剧1 1 3 汽午内饰建模现在主流的三维c A D 软件已经发展到实体造型阶段，然而几乎无例外的都保留了N U R B s 曲面建模的方式。在实体造型系统中。值得提及的是剑桥大学的叫I L D 一1 系统以及5 年毗后又推出的B u I L D2 系统，但都没有公，F 使用，而且遗憾的是系统的研究小组在1 9 8 0 年也解散了。研究小组的一部分人组建了s h a p eD a t a 公司，并开发出实体造型系统R o m u l u s ，R o m u l u s 孕育了最著名的两个实体造型系统开发环境：P a r a s o l i d 和A c I s 。P a r a s o l i d 和A c I s 均采用精确的边界表示，且混合使用N u R B s 和解析曲面。P a r a s o l i d 和A c I s 并不是面向最终用户的应用系统，而是“几何引擎”，作为应用系统的核心。用广可用它们作为平台，开发自己的应用系统。当今许多流行的商用c A D c 川软件如u G N x 、s o l i d e d g e 、s o l i 胛o r k s 、I n v e n t o r 等，都是在浙江人学博1 ：学位论文第1 章绪论P a r a s o l i d 或A C I S 的基础上开发出来的。1 2 5 4 造型方式的发展趋势上面提到的三大主要造型方式除了自身的不断完善外，更是互补有无，开创出杂交设计的新思路。三维造型软件发展到今天，都是在初始版本上进行不断充实及完善，形成了大而全的风格。例如C G 领域的3 DM A X 、M m 後等软件，不但保留了传统的网格造型方式，还加入了细分曲面和N U I m S 曲面造型的模块，极大的丰富了设计师的造型选择。各取所长，按需选取造型方式正成为流行的建模方式。然而这种杂交的方式属于简单堆砌造型模块，并没有对其数据结构作任何改动。各种造型方式完成建模工作后，其结果无法保证一致，还是需要通过数据转换的方式。C A r 认在杂交设计方面有着独到之处，它将很多造型方式纳入到不同模块中，使得点云、多边形网格、N U R B S 曲面、实体等造型元素能够同处于一个设计平台。尤其在V 5 R 1 4 版之后推出的I M A 模块，无疑将三种造型方式有机的融合到一起了，开创了一个全新的杂交设计思路。C A T I A 不但处于C A D 行业的领头羊地位，还拥有出众的前期设计能力，把C A I D 和C A D 的内容紧密的结合到了一起。前面提到的在C G 领域常用到的细分曲面技术，也被纳入到C A n A 的I M A( I I I l a g e & S h a p e ) 模块中，使工程师可以采用网格拖拽的方式控制用于显示的细分f H l 面，而最终得到的则是可应用于生产加工的N U R B S 曲面。该模块融合了网格、细分曲面及N U l m S 曲面三种建模方式，极大的拓宽了工程师在前期设计的手段。I M A 模块的基本思路是利用基本造型元素进行一定的细分及变形而完成最终的造型。这些基本的造型元素主要是二维的平面、圆面、三角形、环形，以及三维的球体、立方体、圆柱体、圆锥体、环体。图1 1 4 展示了基本造型元素“球体的变形过程。从( a ) 我们可以看到，球体表面被分割成为6 等份，对应着外围的立方体网格，而变形主要是针对外围的立方体网格，设计师只要拖拽网格上的控制箭头便能够完成球体的变形，其中控制箭头作用的位置可以是网格顶点、网格边或网格面，拖动网格面变形后的效果如( b ) 所示。2 4浙江 学博学位论j* 1 章绪论( a )( b )圈1 1 4 I M A 中的变形方_ 式从卜面的图例我们可以清晰的看到，模型的编辑作用在网格上，就如同设计师在使用网格造型方式创建模型，而显示中的物体则是外表光滑的细分曲面，充分利用了细分曲面在实时性及美观上的优势，最终我们得到的是N u R B s 曲面，可以直接用于后期的c A D 应用。图l1 5 向我们展示了在c A T I A 平台中如何完成从产品的概念设计到蛀终完成模具制作的流程。其中的第一个步骤便是在I M A 模块中对照三个视图的草绘图纸进行的外形创作，接下来则是利用c A D 强大的结构设计模块，完成相机内部零部件的设计以及相机外壳的加强筋布局，最终再设计出用于加工的模具，以得到我们所需的相机原型。逻1 二迭：目l1 5 c A T I A 中集成c A l D 功能的产品设计流程随着技术的不断进步，也涌现出了更多造型方式，有益的补充了上述三大造甓m 扛 学博L 学位论艾第l 荜镕*型方式。值得提的是最近研究比较热门的T _ s p l i n c 建模方式l 矧。T - s p l i n e 是由A 1 i a s 公司领导开发的一种具有革命性的崭新建模技术，它结合了N U R B s 和细分曲面建模技术的特点，虽然和N u R B s 很相似，不过它极大地减少了模型表面上的控制点数目町以进行局部细分和合并两个N u R B s 面片等操作，使设计师的建模操作速度和渲染速度都得到大幅度提升。T _ s D I i n c 的主要思想是减少N u R B s 曲而中不必要的控制顶点数目。好钢用在刀刃上便是对T _ s D I i e 技术的最精确解释。在模型表面复杂的地方，可以允许有大量控制顶点存在，而在光滑表面区域则尽可能采用比较少的控制顶点。T - s p l i 由于允许T _ 连接，因此可以在保证同等精度的前提下，用比N u R B s 曲面少得多的控制顶点数来表示同一模型。在2 0 0 4 年的s I O G R A P H 会议上，s e d e 批r g 等人p 3 1 便通过大量实例展示了T _ s p I i n e 技术带来的好处，图1 1 6 所示的例子非常直观的说明了创建一个车门模型的简化效果。可见要达到同等精度的车门模型，T _ s D l i T l e 所需的控制顶点数( 3 2 2 ) 几乎是N u R B s 所需数量( 8 9 0 )的二分之一。# q U1 2 2幽l1 6 s 州n e s V s N L m B s 表示的车门模型效果T s p l i n e 和N U R B s 之间可以进行相互转换，T _ s p I i n e 到N u R B s 的转换属于无损转换，只需要插入节点便可，而N u R B s 到T _ s p l i e 之 日J 的转换属于有损转换，需要进行相应的简化，如图l1 7 所示。浙江人学博士学位论文第1 章绪论图1 1 7T - S p l i n e 与N U I m S 之间格式转换目前，T - S p l i n e 的建模技术已经成功应用到了很多商用软件中，R K n 0 C e r o s 都加入了T - S p l i n e 的建模插件。1 2 6 其它相关研究1 2 6 1F I R o E s 项目概述受欧盟委员会资助，F I R O E S ( F o m a l i z a t i o n 锄dI n t e 酬i o no f 趾O p t i I I l i z e dR e V e r E n g i n e e r i n gS 够l i n gW b r k n o w ) 项目经历了两个阶段：F I O I 洹S ( 0 1 0 1 1 9 9 73 1 1 2 1 9 9 9 ) 及F I O R E SI I ( 0 1 0 4 2 0 0 0 3 1 0 3 2 0 0 3 ) 。在竞争激烈的全球市场，产品的生命周期正逐步缩短，质量及成本并非成功的唯一要素。产品的美感往往也会影响客户的最终决定，而且由于新材料和新工艺的出现，在设计中自由地创作非常复杂的外形也成为可能。大量的计算机辅助工具帮助设计师进行造型、高品质的渲染、动画模拟等工作，极大的减少了制作物理原型的数量，从而缩减了成本。然而，目前的C A D C A S( C A S ：C o m p u t e r 加d e dS t ) r l i n g 一计算机辅助造型) 系统并不支持从已有模型快速创建另外一个备选形状的能力。有时候在修改一个局部细节时非常麻烦，甚至还不如重新整个模型。这是由于建模方法是基于底层的几何单元( 例如N U l 淝S 的控制点) ，与设计师的设计意图完全不相干。F I O R E s 项目组开发出了新的建模工具，以克服这些局限性。自由形状的建模在逆向工程软件中十分常见，特别是在工业设计领域中涉及到美感的造型。传统逆向工程软件中的自由形状建模主要是一个耗时的过程，而F I O R E S 项目则专注于优化这个造型流程。反射线、曲率梳、偏转线、斑马线等浙江大学博上学位论文第1 章绪论评估线常用来验证美学曲面修改后的品质【舛1 。图1 1 8 概括了F I O R E S 的美学设计流程。从该设计流程我们可以看到，设计师借助了逆向工程的建模手段，多次进行曲面重构，最终达到设计需求。p a c k a g ed a t ad r a w i n glIc A sdr a w l n gm a n U a lm o a e m g( c I a y )3 DC A Sm O d e l i n g，。“。、Lv l s u a I i z a t l o nJ1 - - - - - - - _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ - - - _ _ - _ - - _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ - _ ，黧： ：黑gfd e t a l I | | n glC A Sd e t a | I l l n g_ 。、tv l s u a l I z a t I o nJ1 - _ _ _ - _ _ _ - _ - - _ Y _ _ _ - _ _ _ - _ _ 。_ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ q _ _ - _ _ - 一m a n U a Id e t a i l l i n gC A Ds u 湘c l n gJ _ _ _ o - - - _ o o o o o o o o o o o o o o o o o 、tv i s u a I i z a t l o n，1 _ _ _ - _ - - _ _ - _ 。_ _ 。- - _ _ - - _ - - 。- _ - - _ _ _ H - - _ _ - - _ ，e n g l n e e r i n gd e s l g nC A ED MU图1 1 8F I O l 也S 定义的设计流程F I O R E S 对工业产品的美学设计作出了巨大的贡献。宝马、奥迪等公司的参与，更是将汽车设计的理念融入其中。他们提出了优化的E i R ( E n g i n e e 血gi nR e v e r 辩)方法，以及在美学指标约束下的自由变形方法等，并将其体现在工业设计软件n l ( D e s i 盟【9 5 】中。图1 1 9 表示了设计前后对车身的微调效果，可以看到变形后驾驶室的空间明显增大。值得注意的是，变形后的曲面保证了与周边曲面的光滑过渡衔接，极好的保留了最初的设计意图。而且在T I l i l 曲e s i 口中可以设定车顶曲面与周边曲面在变形过程中仍能保持连续性等约束，以满足美观设计的目的。浙江大学博t 学位论文第】章绪论圈9 汽车顶部区域变形前后对比T h i n k D e s l g n 中体现的变形操作类似于c A D 软件中比较严谨的特征操作，即需要事先指定变形自U 后的约束，变形结果取决于约束方程的解，而且还町能会得到无解的情况。这种变形操作适用于局部变形，专注于提高模型的形体美，不太适合模型的全局变形。l _ 26z 基于自由网格模型的参数控制参数建模的技术很难应用到网格模型中，是因为目前还没有，种有效的手段对网格加载几何约束。P a r k 等人提出了一个新颖的方法，使参数化控制自由嘲格模型变得可能I 蚓。浚方法首先在目标模型外围构造一个控制喇格，然后在此基础上加载约束。控制网格可以采用参数化的方法进行润控，并通过现有的自由形状变形方法改变目标模型的形状。输入的参数可以是单元之间的相对关系，也可以是绝对的位移数值。新的参数驱动原始模型发生变形，从而计算出一个新的控制网格。图12 0 中的流程展示了自由网格模型的参数控制概念。第一幅图是一辆汽车车身的网格模型，第二幅图则是抽取出来的汽车车身外围的控制网格，第三幅塑坚生兰堕。! 兰些堡兰笙! 生堕堡图采用距离和角度等参数关系表达了下一步的设计意图即将汽车前脸拉匠距离d ，并改变汽车后窗的角度o ，第四幅图为最终变形后的效果。磊? ) 誉图12 0 参数控制的自由形状变形如果采用传统的自由形状变形方法，也可以很轻松的完成从第副图到第四幅图的外形改变，但基于自由网格模型的参数控制方法比传统的自由形状变形更进了两个层次。首先是控制网格的创建，其次是可控参数的引进。因此若要获得更多的变形车身，传统的自由形状变形方法必须每次都进行一次变形操作，而基于自由网格模型的参数控制方法只需要指定一系列参数，并以此驱动控制网格便可得到一系列的车身模型。P a r k 的方法虽然使网格的参数化变形成为可能但参数提取的方式及参数驱动的手段还略显不足。特征点没有位于模型上，而是位于模型的包围刚格中，因此特征点之问的约束关系无法准确代表模型的几何特性。而且该方法没有结合特定模型的行业参数因此无法采用行业数据库中的参数信息。1 2 63 基于点云的特征线框建模方式在扫描得到点云数据后我们可咀直接在点云上抽取关键特征点及晤义特征点，并连接特定的特征点以构成特征线，这些特征点和特征线的集合便构成了一3 0i 一塑垩查兰堕圭! 苎笙奎里! 兰苎堡个特征线框。c h a d i ecLw 曲矿1 依照这种思路，成功实现了对人体模特模型的参数化控制。对人体模特这类复杂外观的模型，c h a d i e 主要按照三个步骤来生成所需的特征线框模型：( 1 ) 提取点云上的关键特征点；( 2 ) 使用人体测量规则确定语义特征点；( 3 ) 通过插值点云的方式，以特征线连接所有特征点。所有特征点和特征线构成一个人体模特的特征线框，这个特征线框适用于所有的人体结构，具有一定的通用性。关键特征点可以定义为模型中比较突出的轮廓点，例如人体模特中的后颈点、前颈点、腋下点、前胸点、肚脐点、胯部点，如图l2 l 所示。j，I圈l2 1 人体模型的关键点除了关键特征点以外还需要提取人体模型上的语义特征点。语义特征点的定义一般需要结合一定的行业知识，通过人体测量规则并参照关键特征点获得。这两类特征点的提取方式是相同的，即采用平面切片的方式，将点云与平面相交的部分抽取出来，并按照一定的算法提取特征点数据。图12 2 表达了基于特征线框建模的流程，( a ) 图显示了人体点云上提取的特征点( 关键特征点及语义特征点) ，( b ) 圈则显示了由所有特征点及特征线构建的特征线框，( c ) 图是在特征m H M l 学恤论i第l 章绪论线框的基础r 蒙成的曲面目l2 2 基丁特征线框建模的流程由于特征线部是带有一定语义的而这些语义一般都可以采用相应的参数进行表示，例如人体模型中的腰围、臀围等。修改这此带有语义的参数，便可以非常方便的驱动特征线框进而生成不同的曲面模型。1 2 6 4 网格模型特征的复制与粘贴文档的复制与粘贴命令足常用的文档重用方式，在三维模型的重用方法中，B i e 删a n n 也借鉴了这种复制与粘贴的操作方式。这种方法成功实现了将原始模型的局部特征复制到目标模型中，其具体思路如下：1设计师用样条曲线在原始模型中豳定一个细节特征。2分离出原始模型的基准表面。3对提取出的原始特征区域进行基于平面的参数化。4通过样条曲线的距离及方向对边界进行参数化。5 用户在目标模型E 指定至少一个样条曲线的点和方向。6 确定粘贴特征的目标区域。7目标区域映射到一个带有原始模型特征的平面，并进行重新采样。8通过融合目标模型的基准表面计算出最终的结果。圈12 3 表达了该方法的具体步骤。浙 学博学位论文第1 绪论啦够盘t 鼷t阿12 3 网格特征复制粘贴方法的具体步骤这种方法能够有效利用已有模型的局部特征复制与粘贴的方式比较直观，网格融合的效率高，几乎可以达到实时显示的要求。这种方式在进行浮雕类产品的建模过程中，有着非常J 1 泛的应用。但对工业类产品而言，则显得精度不足。1 3 研究内容及章节安排本文在研究目前工业产品设计流程的基础上从设汁重用的角度提出了一个新的设计方法逆向创新设计法( R e v e r s eT v a t v eD e s i g n ，R I D ) 。该设计方法尝试将扫描模型的产品定义参数提取出来，并通过参数驱动的方式达到改变模型结构的目的。文中通过多个实例，验证了该方法对不同类型的产品进行重新设计的能力。该方法可以用于某些行业的产品酸计中，并从实践上论证了该设计方法的可行性。本文共分七章，各部分的内容安排如下：第一章缝论阐述率文的研究背景及意义；总结近年来设计方法学的发展要点，从逆向工程、参数化设计和自由形状变形几个方面综述相关领域的国内外研究现状：阐述目前产品设计的造型方式及发展趋势：归纳总结产品设计重用领域的相关前沿研究。站屠浙江人学博上学位论文第l 章绪论第二章逆向包新设计按照逆向建模产品的类型不同，我们将逆向建模的方法也分为三类，即基于自由曲面的自动重建方法、基于特征的参数化实体造型、基于曲线的自由曲面重建，通过这种分类，我们可以完成对目前所有产品的逆向重建工作。在传统逆向建模的基础上，我们提出逆向创新设计方法，并指定该方法适用的产品设计类型。明确定义了逆向创新设计和产品定义参数的概念，并给定逆向创新设计的框架。第三章逆向匐薪设计方法的实现对于自由曲面为主的模型，可以直接在网格上提取产品定义参数，再以此参数驱动网格模型变形；也可以先按照传统逆向建模方法，创建出基于曲线的自由曲面模型，并由设计师创建出带有设计参数的目标曲线驱动模型变形。对于规则曲面为主的模型，则主要利用特征识别技术提取出模型的内在参数，如基于截面轮廓的二维线段识别，以及基于网格分区的规则曲面识别。最后探讨工程分析及优化设计在设计重用中的作用。第四章采用砒D 方法的鞋楦建模针对以自由曲面为主的模型，我们选择鞋楦作为代表。首先概括了传统鞋楦的建模技术，讨论了鞋楦的计算机辅助设计现状，着重探讨了鞋楦建模中的逆向工程技术。之后运用对D 方法，提取鞋楦模型的产品定义参数，并基于该参数进行逆向创新再设计。其中特征点的自动提取及特征线的确定是定义产品定义参数的关键，并通过手动修正等辅助工具完成高质量的特征线框模型。最后在S i n d y N G I 也平台上，以鞋楦参数化变形原型论证了该方法的可行性及可靠性。第五章采用鼬【D 方法的凳子建模针对以规则曲面为主的模型，我们选择塑料凳子作为代表。首先提出塑料凳子的产品特点，指明模型重建过程需要结合工程分析及优化。在模型预处理阶段，采用D 方法能够将凳子模型的规则曲面提取出来，并将凳子的部分特征参数化。在对凳子进行应力分析后，确定了设计优化的目标，并将提取出的参数作为设计变量，得到最终的优化设计方案。第六章产品剑颓设计实铡分析浙江大学博十学位论文第l 章绪论以眼镜模型、高尔夫球头、汽车把手这三个不同行业的产品逆向重新设计为例，验证了D 方法对不同领域内产品设计重用的普遍适应性。其中汽车把手模型同时包含自由曲面及规则曲面，因此采用了D 中的混合方法( M i x e dM e t h o d ) ，拓宽了D 方法的适用范围。最后提出现有D 方法的不足，指出了今后需要发展的方向。第t 章总结s 展望总结全文，并对今后工作作出展望。3 5浙江人学博士学位论文第2 章逆向创新设计第2 章逆向创新设计本章首先介绍了传统逆向工程的建模方式，主要是针对不同的产品外观采用不同的建模策略。在传统逆向建模方式的基础上，本文首次提出逆向创新设计这一新的设计方法，并具体介绍了逆向创新设计方法的概念、产品定义参数的含意，并建构了逆向创新设计的框架。2 1 传统逆向工程建模方式我们一般将产品的外观分为三类，一是以自由曲面为主且外观复杂的模型，二是以规则面为主的模型，三是以自由曲面为主但外观不复杂的模型。在进行逆向建模之前，我们需要针对模型的不同类型进行区分处理。2 1 1 自由曲面的自动重建自动创建自由曲面的方式在医学、玩具、文物保护等领域有着广泛的应用。例如人体器官、骨骼、血管的克隆、玩具公仔的造型、历史雕塑的数字备份等都体现了该技术的价值。医学数据通常来自C T M 的逐层轮廓扫描。像人体器官这样的复杂外形，一般都是采用快速缝合大量曲面面片而成。曲面创建的方式是全自动的且非常容易，并无需保留建模的历史。当然，面片之间的光顺性也需要得到一定的保障，其中直接拖拽点云的技术啤1 和基于草图的建模方式【1 0 0 ，1 0 1 1 得到了长足的发展，使得建模流程更加贴合用户的习惯。这种逆向建模方式最显著的特点为高自动化和低难度的曲面创建流程。但由于建模过程不记录历史，没有特征等信息，最终生成的曲面模型与原始模型只是外形接近，因而在三维C A D 软件中要修改这种模型几乎是不可能的。然而采用这种方式生成的模型在许多领域还是相当有价值的，例如需要采用C A D 格式进行数据传送、高质量的图形表现、快速原型、有限元仿真方面都有着广泛的用途。图2 1 给出了一个骨骼逆向建模的例子，采用自动创建自由曲面的方式非常合适。右图可以清晰地看出，自动创建的自由曲面3 6m 汀 学* 十学位论文镕2 章逆向创新计是由大量的四边面构成，且面片之间的连接比较平滑豫图2l 骨骼逆向建模实例( 左为网格模礁，右为曲面模型)目前已有大量商用逆向工程软件支持自动创建自由曲面这种建模方式，充分体现了快速简单的特点。其中G e o 【l a g i cs t u d l o 中的w r a p 功能在自动创建自由曲面方面非常强大，它不但可以快速地在原始扫描数据上蒙上一层曲面，而且可以通过表面曲率变化的关系找到物体的特征线并实现分区蒙面的技术，最终生成的曲面还能手动调节面片的数量及位置。这种一键式自动曲面创建的方式得到了很多c A D 软件商的青睐，如P r o E 中的R e s t y l e 模块就引进了该技术，以快速建立可进行后续加工的c A D 模型。P 。l y w o r k s 是由法国后裔加拿大国籍的教授蚧M a r c 将其常年研究的计算机图形学及图像学的许多著名论文总结后，在s l l i c o nG r a p h l c s 平台j 一首次开发的一款逆向工程软件，软件具有自动检测边界、自动缝合等快速建模功能，支持T 连结并确保N u R B s 的质量。P o l y w o r k s M o d e l e r 采用了c 】a s s B 曲面设计的概念，建模速度比c l a s s A 快五至十倍，曲面质量在绝大多数情况下可与c l a s sA 媲美。P 0 1 y w o r k s 州o d e l e r 也提供丁个强大的快速铺面方法，可以在c A D 软件如c A T 工A 和u G 中传送多数可用的N u R B s 曲面。c i I 【l a t r o n软件是以色列c 】l I I a t r o n 公司开发的高端c A D c A M 产品，其以强大的曲面造型功能和N c 功能、易学易用和灵活便捷的操作的特点赢得众多企业的设计人员和数控编程人员的青睬。其在逆向工程方面也有非常好的解决方案，该软件可以使用点云数据直接生成智能的网格曲面( 多面体网格) ，网格的单个节点能在不影响曲面的条件下被修改。R a p i d F o r m 是另一款提供自动曲面建模的遵向工程软件，它能够处理无顺序排列的点数据以及有顺序排列的点数据，并将点云快速计算出浙江大学博士学位论文第2 章逆向创新设计多边形曲面。S 0 1 i d W o r k s 自2 0 0 7 版之后也推出了逆向工程模块S c a n t 0 3 D ，并拥有自动由点云生成曲面的功能，极大的丰富了逆向工程在C A D 软件平台中的应用，实现了逆向建模、正向建模、工程分析共享同一平台的目的。2 1 2 基于特征的参数化实体造型三维C A D 软件中，基于特征的参数化实体建模是一个非常重要的并广泛采用的技术。而在逆向建模过程中，有很多结构也可以识别为带有参数的特征，常见的特征结构包含拉伸、切除、孔洞、圆角、倒角、圆柱面、球面、圆锥面、平面等。为了将这些容易参数化的几何体从参照体中抽取出来，我们通常将处理干净的点云或网格裁剪出来，形成一系列的子点云或子网格。针对合适的子点云或子网格，便可以通过识别技术把上面提到的明显特征表达出来，同时我们还可以得到定义这些特征的内在参数，如拉伸的长度、圆角的半径等。而余下的子点云或子网格则可以采用B 样条【1 0 2 ，1 0 3 1 曲面进行拟合，当然我们可以给定拟合曲面的精度和光顺度要求。之后，提取出来的特征面片和拟合的曲面通过延伸裁剪等建模步骤，便能得到一个闭合的曲面，在三维C A D 软件中通过缝合之后就可以生成一个实体了。在此基础之上，识别出来的特征还可以通过修改参数的方式进行模型更改，并采用添加新的细节特征来进行重新设计。网格分区是特征识别中非常重要的第一个步骤【1 睥1 0 6 J 。大多数的网格分区算法都是基于小平面的面法向或网格模型顶点的曲率信息【1 0 2 ，1 0 7 1 。因为面的法向和曲率相对于网格数据而言都非常敏感，任何噪声数据都会对分区计算产生影响。网格光顺及面片集群技术通常用来提高分区的质量。图2 2 展示了一个遥控器逆向建模的例子( 在S o l i d w b r l 【s 中应用S c a n t 0 3 D 模块完成) 。在这个例子中，网格被划分为多个子网格。其中对应于面板部分的子网格采用B 样条曲面进行拟合，而按键部分的子网格则可以自动识别为拉伸、旋转等特征。然后在S o l i d W b r k S 中自动对这些生成的曲面进行处理，如进行延伸、裁剪、缝合等操作，最后得到实体模型，整个过程无需用户交互。最终的模型在S o l i d w b r l ! 【S 中再进行一些添加圆角等操作加以完善。3 8新 学博上学位论文第2 章逆向创新设计，；。掣( c )圉2 2 遥控板逆向建模实例为初始阿格模犁，r M 为最终生成的实体模型( c ) 为在s o d w o 船软件中带有特征信息的c A D 模型2 1 3 基于曲线的自由曲面重建如果需要从扫捕数据重构一个高精度要求的模型，通常需要采用基于曲线的建模策略。在产品建模中，曲线常常扮演着非常重要的角色，嗣为设计意图一般都由外在特征线体现出来。从网格模型L 我们可以采集到的曲线数据大致包含以下几类：截面线、边界线、轮廓线、特征线。它们可以自动化提取或通过草图工具人工创建0 引。获取的这些曲线数据构成了一个线架结构，设计师可以在此基础上轻松创建放样、扫描、拉伸、旋转等参数化特征，以构建最终的曲面模型。由于基于曲线建模生成的曲面模型很大程度上依赖于曲线的质量及布局，因此在塑翌奎! 竖! 兰些堡兰笙! 皇里旦型堑堂生创建曲线时需要非常仔细。设计师的c A D 软件使用经验对最终生成的三维c A D模型的质量和精度都有很大的影响。在现有商用逆向工程软件中，曲线都足非常重要的一个环节，特别足面向汽车、航天等高端用户来| 兑，基丁二曲线的建模几乎是唯一选择。像h n a g e u a r e 、A u t o A l i a s 等软件都具各非常强大的曲线功能，能够提取精度和光顺度都很高的曲线作为线架结构。而且曲线之间的过渡曲线也能保证很高的光顺度，一般都能达到G 3 和G 4 连续的要求。特别是对于要达到A 级曲面的外观要求时，更是需要曲线的质量有所保障。图23 展示了一辆汽车的逆向建模过程。由于汽车外壳是左右对称的，冈此只需要测绘了一半的外形数据，如( a ) 所不。( b ) 图是基于嗍格模型的特征线构建，( c ) 图则是最终完成的N u R B s 模型。从这个例子我们可以看到整个逆向建模的关键是提取模型的特征线条，搭建建模的线框结构，之后便是利用正向建模的思路将线架结构转换为曲面模型。7 牺( a )( b )( c )图23 汽车模型逆向建模实倒2 2 逆向创新设计的概念设计是一项目标明确、思维创新、难点攻关的脑力劳动。设计与知诅l 有着很强的关联性：知识不等同于设计，但在实践过程中，知识在相当大的程度上也被认为是设汁川”。新技术新设备的出现，以及产品市场的全球化，使得创造性4 0浙江大学博上学位论文第2 章逆向创新设计得到了极致的发挥。当今市场的典型特点是：进入市场更加迅速，对个性分明的新产品需求更加旺盛【1 1 3 】。面对如此强烈的市场挑战，涌现出对先进的设计方法学的更多思考，以减少在设计过程中知识获取的时间，从而促进创新的思维发展。商用三维C A D 软件大多基于参数化定义的特征。这些特征方便的表达了设计意图及设计信息。设计师可以得到高层的形体定义参数，例如半径、长度、角度、厚度等，以及能指定几何体之间的约束，如强制相等、平行、垂直、共线、同心等。通过改变这些直观的参数及约束，可以在同一个模型上派生出多个配置，从而获取一个产品系列。通常，采用特征树的形式来记录设计过程的历史，使得设计过程可以重现。然而在R E 软件中，我们生成的是曲面( 通常为自由曲面) 。自由曲面主要体现在对尺寸及约束的强烈弱化，而在概念设计中我们正需要自由曲面编辑的灵活性，无需把握设计意图或知识。尽管在自由曲面中采用了诸如权重、节点、控制顶剧4 1 、控制曲线等底层形体参数作为调节手段，但这些参数对设计师而言是很不直观的，而且也很难预估变形后的结果。过去十多年发展了很多提高变形直观性的方法，这也在一定程度上提升了设计师通过网格或曲面变形来控制形体改变的能力。本文在此提出一个新的产品设计方法，称之为R I D ( R e v e r s eI n n o v a t i v eD e s i g n ，逆向创新设计) 。该方法集合了两个系统( C A D 及C A I D ) 的优点，既有C A D 系统中特征及定义参数反映出的设计意图及知识，又有C A I D 系统中自由变形的灵活性。顾名思义，逆向创新设计是在逆向工程的基础上，加入创新的设计手段，形成的一个新的独立设计方法。在R I D 方法中，我们参考的设计重用对象来源于传统的逆向工程，即扫描得到的网格模型。由于网格模型只能表现模型的外观，按照传统的观念很难通过网格进行参数驱动变形。而我们在R I D 方法中，将模型所代表的行业参数与网格模型有机地结合起来，使得参数驱动网格变形得以实现。R I D 方法主要适用于两类产品的逆向参数化建模，一类是以自由曲面居多的模型，另一类则是以规则曲面居多的模型。对以自由曲面为主的模型，我们需要从网格模型提取出产品的特征线框，即将行业参数对应的特征点加载到特征线4 l浙江大学博士学位论文第2 章逆向创新设计框上，当需要进行变形设计时，我们只需要更改设计参数，特征点位置的改变会驱动特征线框进行变形，特征线框的变形则会映射到初始网格上，达到使初始网格变形的目的。对以规则曲面居多的模型，我们首先将网格模型按照曲率变化的规律将模型表面划分为不同的片区，并提取每个片区对应的规则曲面，同时将规则曲面对应当参数提取出来，这样便能通过修改这些规则曲面的参数，驱动模型变形生成新的设计。逆向工程中通常需要对初始网格进行预处理，R I D 方法也不例外。生成的网格模型一般需要进行诸如对齐、噪声去除、全局或局部光顺、拓扑错误修复及补洞等操作。结合前面讲到的逆向建模方法，需要指出的是R I D 方法针对的建模对象有所不同。R I D 不适用于精度要求特别高的产品，例如汽车、精密机电产品等，也不适合柔性物体，如靠垫、绒布玩具等。本文讲述的R I D 方法主要专注于外观曲面较多、精度要求较低的产品，例如制鞋、塑料玩具、家用电器等，同样也适合形状规则的物体，例如通用机械、家具、卫浴设备等，都可以采用该方法实现设计重用。这些产品共有的一个特点是它们都有自己行业的标准，例如鞋楦、眼镜等，它们的关键参数都包含在各自的行业标准中。R I D 的核心是基于参数的逆向造型，适用于解析几何体及自由外形。对于自由外形的逆向建模能力是至关重要的，因为自由外形的产品重构历来都是R E 主旋律。自由外形的产品造型已经成为传统建模的主要焦点。由于这些“自然的参数难于定义和捕捉，所以我们打算在R I D 方法中针对自由造型的产品，提取全局和局部的产品定义参数，并通过编辑这些参数以衍生出新的设计。从扫描的三维网格模型( 或在三角网格的基础上先生成N U R B S 曲面) 中我们可以提炼出特征线框，并在此基础上获取产品定义的参数。然后对获取的高层产品定义参数进行调节，便可驱动特征线框变形，最终获得变形后的三维模型。当然，设计师也可以采用三维C A D 软件中自带的变形工具对N U R B S 曲面进行变形操作。R I D 还具有其它一些重要的特征：1 ) 通过编辑更改抽取出的高层尺寸信息( 半径、高度等) 来建立产品系列，抽取的特征包括三维C A D 系统中的平面、二次曲面、拉伸、旋转、圆角4 2浙江大学博上学位论文第2 章逆向创新设计及混成面。2 ) 通过更改高层产品定义参数建立设计变量( 例如，鞋楦的宽度) 。3 ) 在网格或重构曲面上，直观的进行可预期的局部形体变形。可以说，R I D 方法能够基于扫描实物或油泥模型快速生成一个新的设计。这个全新的设计需要进行几何分析、视觉分析以及C A E ( C o m p u t e rA i d e dE n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程) 分析，随后还要进行可制造性及成本分析等评估【1 1 5 ，1 悯。从这些分析和评估得到的反馈将用于设计修改，这只需更改高层产品定义参数或进行局部变形而得到解决，一个交互式的产品设计周期便这样形成了。因此，R I D 可以说是融合了三维数字化采集、三维C A D 、C A I D 、R E 、C A E 、R P( R a p i dP r o t o t y p i n g ，快速原型) 、N c 加工的一个集成数字化设计方法。2 3 产品定义参数在R I D 方法中，我们引用了一个新的概念一产品定义参数。这里的产品定义参数可以解释为用于定义不同产品规格而采用的参数。例如，床的长、宽、高等尺寸参数；鞋子的码数、鞋跟高度；螺钉的直径、螺纹长度；汽车轮毂的直径、辐条的数量；人体模特的胸围、腰围、臀围；搪瓷脸盆的深度、盆口及盆底直径等，都可以认定为产品定义参数。这些参数都是高层的，便于设计师直接修改参数大小，从而驱动模型生成新的外形。由于我们在R I D 方法中主要针对两类产品进行逆向设计，因此产品定义参数的提取方式也有一定差别。对于以自由曲面外观为主的产品，我们需要先提取三角网格模型( 或在三角网格的基础上先生成N U R B S 曲面) 的特征线框，并在特征线框中寻求特征点。我们的目标是将这些特征点与正向建模中常用的产品定义参数建立关联，当改变产品定义参数时，这些特征点会重新计算各自的位置，从而驱动特征线框变形，最终由变形后的特征线框还原得到新的网格模型( 或曲面模型) 。对于以规则曲面外观为主的产品，很容易计算得到平面的法线方向，圆柱面的中心轴的位置、柱面半径，球面的中心点坐标、球面半径，圆锥面的中心轴的位置、圆锥角度，旋转曲面的中心轴位置等，这些数据一般都对应着相关的产4 3浙江大学博士学位论文第2 章逆向创新设计品定义参数。在提取产品定义参数之前，我们需要了解到底是哪种参数与产品模型确切相关，并对设计师而言最为重要。在参数化变形中，产品定义参数不一定就是几何参数( 例如，节点、控制顶点、B 样条曲线的权值) 。几何参数被大多数设计师所熟知，而产品定义参数则根据产品本身的特性而定义，它能更容易的让普通用户理解设计意图及产品知识。因此，产品定义参数是面向特定行业应用部门的。换句话说，每个行业应用部门可能都有自己特有的一套产品定义参数，这些参数可以从该行业的知识库或产品库中获取。产品定义参数可以源于现有行业部门的特有知识，例如行业标准和事实标准，以及从已有设计中提炼出的参数。在进行变形设计之前，并非所有的产品定义参数都是必须的。设计师可以根据实际的变形要求，只提取局部的产品定义参数。2 4 逆向创新设计的框架在定义逆向创新设计时我们提到刚D 方法主要适合两种类型的产品设计，一类是外形较复杂但精度要求不高的产品，另外一类则是形状比较规则的物体。因此，我们的逆向创新设计也按照两条主线进行，如图2 4 所示。图2 4 逆向创新设计框架示意图对于外形较复杂且精度要求不高的产品，我们将按照逆向创新设计框架的上半分支进行设计。此时的关键是特征线框的提取以及产品定义参数的确定。而对于形状较为规则的产品，我们将按照逆向创新设计框架的下半分支进行设计。由4 4浙江大学博上学位论文第2 章逆向创新设计于形状比较规则，便于我们抽取模型的平面、柱面、球面、拉伸面、旋转面等几何结构，并将这些结构识别为三维C A D 模型的特征。通常在得到参数化的C A D模型后，我们便能方便地对该模型进行工程分析及优化设计。这两个分支都需要确定产品定义参数，以进行后期的参数化变形。有必要指出的是，对于采用上半分支进行设计的模型而言，产品定义参数驱动的对象可以是扫描得到的网格模型，也可以是在此基础上获得的M 瓜B S 曲面模型。而对于采用下半分支进行设计的模型而言，产品定义参数驱动的对象为N U R B S 曲面。当然，有的模型同时包含自由曲面及规则面，我们可以采用混合方法( M i x e dM e t h o d ) 将模型划分为自由曲面及规则曲面，再按不同分支的流程进行后期制作。对于三角网格模型而言，基于特征线框的参数化变形方法主要由两部分构成：自动提取产品定义参数及基于参数的产品变形设计【1 切。首先，这个方法需要从已有模型的网格中自动提取出一些产品定义参数。例如，鞋楦的网格模型就可以提取出长度、周长、宽度等这些产品定义尺寸参数。编辑这些提取出来的尺寸参数，便能够生成各式各样的鞋楦模型。特征分区是获取产品定义参数的基础。一些分区算法可以很方便的提取出已有网格模型的轮廓边界。再根据知识库中的数据，对照轮廓边界定义出一些关键点。最后，基于轮廓边界及关键点，提取出产品定义参数。其次，这些产品定义参数归类为硬约束。采用Q R 分解法，将软硬约束进行组合并转换为一个典型的最小二乘方法。该方法可以有效且可靠地计算出记录不同属性的顶点位置。在下一章我们会具体给出该思路的算法。使用参数化变形，则可以将产品定义参数提取并记录在知识库中。设计师可以非常容易地重用已有的产品知识，即通过修改参数或直接进行交互变形的方式来产生新的设计。这样便能够快速创建一个产品族。图2 5 给出了参数化变形设计的一个示意图。从逆向创新设计框架中可以看到，N U R B S 曲面也通常作为基于特征线框的参数化变形方法的辅助手段。通过传统的逆向工程建模方法，设计师可以首先获得原始模型的N U I 出S 曲面模型，进而在此基础上获得产品的特征线、产品定义4 5浙江大学博上学位论文第2 章逆向创新设计参数等，以方便后期的变形设计。图2 5 参数化燹形设计流程2 5 本章小结科技的进步令产品设计的方式层出不穷，很多创新的设计思想都是在现有设计模式中激发出灵感，进而逐步发展深化。我们在吸取传统逆向工程建模方式的基础上，首次提出了逆向创新设计( 甜D R e v e r s eI n n o v a t i v eD e s i g n ) 的产品设计方法。砒D 方法既有参数化驱动的方便性，又保持了自由形状变形的灵活性，它能够有效利用设计对象的行业参数及知识，将其映射到产品定义参数中。该方法首先需要提取出高层次的参数信息产品定义参数，然后再编辑产品定义参数进行产品变形设计。针对对D 方法适用的不同对象，我们提出了不同的设计流程。浙江火学博上学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现第3 章逆向创新设计方法的实现本章根据逆向创新设计方法的两条主线，详细描述了二者具体实现的方式。对于外形较复杂的产品，给出了产品定义参数的提取方法及其变形方式。而对于外形规则的产品，则讲解了截面轮廓的二维线段提取及其约束指定、规则曲面的提取及其参数化、最终依据工程分析的结果进行模型结构优化设计。3 1 基于特征线框的产品变形设计目前的产品越来越倾向于采用自由曲面的外观，但是在这些看似光顺的曲面中，实际上也蕴含着许多相关行业的参数，如何提取这些参数也是本节我们具体讨论的问题。3 1 1 网格模型的变形设计3 1 1 1 网格模型中产品定义参数的提取在计算机图形图像领域，网格分区变得越来越重要且逐渐成为极具挑战性的一个问题，应用领域涉及到建模、变形、压缩、简化、三维形体恢复、碰撞检测、纹理映射及骨架提取等。网格分区方法主要有两种：基于边的方法和基于面的方法。基于边的方法法主要依据数据点的局部几何特性，通过对数据点的曲率和法矢的突变来判断【1 1 8 l 。贾明【1 1 9 】提出基于多分辨率模型的三角曲面特征线辨识技术，即利用三角曲面模型中的三角网格( 即三角平面片) 及其法矢，利用法矢比对的方法，将可以合并的三角片进行合并，进一步提取合并区域的边界，最终得到区域的边界，即曲面的特征线。但在很多情况下，由于曲面形状较复杂，通过上述方法计算出的特征线可能会较凌乱，因此需要通过编辑、修改等手段进行处理，以得到清晰的特征线，利用这些特征线可以对进一步的交互划分提供判断依据。慈瑞梅【1 2 0 】提出了基于局部增量网格扩张的三维散乱数据三角剖分算法，实现任意网格面尖锐棱线的自动提取。刘胜兰【1 2 l 】采取“基于边”的方法来提取特征线，即先4 7浙江人学博J = 学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现利用相邻三角片法矢夹角和主曲率进行两次提取特征点，再连接成特征线。王占全【1 2 2 】在空间统计学和O C S 模型的基础上，提出基于离群算法提取特征点的方法，该方法通过置信系数的引入，使得特征线中误判特征点数量大大降低。在商用逆向工程软件中，一般可以提取开放模型的轮廓边界，并通过一定阀值的调节，来控制基于曲率的特征线生成。在D 方法中，我们决定采取基于面的网格分区方式，即具体采用特征点和核心提取法的网格分区方式来得到轮廓边界1 1 2 3 】的方法。该算法由网格粗化到细化进行迭代运算。结构树中的每个节点都对应着一个子网格，树的根部则对应着整个输入的网格。对于结构树中每一个节点而言，都需要经历如下的几个步骤：1 ) 网格粗化- 力口快对大型网格的处理速度，降低对噪声的灵敏度。2 ) 形态固定表示首先将初始网格转换为规范网格，由于规范网格上点与点之间的E u c l i d e a l l 距离与初始网格上的测地距离相似，因此我们视这种属性为形态固定表示。3 ) 定位特征点在规范网格基础上计算得出少量突出的特征点，并将这些特征点映射回初始网格上。4 ) 核心结构提取采用球形镜像运算提取核心结构。5 ) 网格分区计算得出核心结构以外的片区，每个片区要求包含至少一个特征点。旬切割求精对片区之间的边界进行修改使之光滑连接，尽量让边界沿着网格的天然缝隙。7 ) 网格细化在对粗化的网格( 步骤1 ) 分区之后，再将分区映射到初始的高密度网格，并采用步骤6 类似的方法进行切割求精。在这之后，根据知识库中的信息便能够在轮廓边界( 特征线) 的基础上提取某些关键点。最后再综合这些关键点的数据，提炼出产品定义的参数。除此之外，我们还将手工添加特征线的方式作为自动捕捉特征信息的补充，截面线是通常采用的方式，但截面的位置一般需要有经验的设计师进行选取。这些在产品轮廓边界或特征线上提取出的关键点，我们称之为语义特征点，浙江人学博上学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现它在D 变形设计中起到了很好的桥梁作用。语义特征点一般位于模型视觉上的突出位置，并且在变形过程中始终保持突出位置。语义特征点需要定位在靠算法提取出来的特征线框上，但通常采取自动逼近产品定义参数所需的关键点位置还不太现实，因此我们在获取语义特征点时加入了半交互的方式，即设计师可以通过简单拖拽完成这个逼近过程，这种交互方式具有以下两个特点：1 ) 首先由用户给出特征点定义和规则存储于知识库。其中指定一个特征点定义基准参考点，其他特征点的定义取决于该特征点。形成量化约束关系( 这种约束关系包括测地距离最短、夹角最大等) 。然后根据这些特征点之间相互形成的关系，例如测地距离，多个特征点构成的交角等，形成参数化特征。2 ) 对一个需要逆向设计的网格模型，首先由用户指定基准点，然后根据特征点上述定义规则开始递归提取其它特征点。用于变形设计的产品定义参数则源于这些提取出来的语义特征点，例如两个语义特征点可以定义一个直线尺寸参数，三个语义特征点可以定义一个平面内的角度尺寸参数，等等。我们得到的产品定义参数是一种可量化的行业知识源，它可以是全局的或局部的产品度量值。这些行业知识源储备在一个行业知识库中，该知识库包含有国家标准、设计实例等。然后需要建立产品定义参数与产品几何形状之间的关系。编辑这些产品定义参数就能驱动原始模型发生形变。全局产品定义参数用来全局地把控产品的外观，而局部参数用来改变模型的局部区域。和风格化产品定义参数不同的是，局部产品定义参数需要严格界定标准及个性。3 1 1 2 基于产品定义参数的网格模型变形设计在对自由形状的产品进行参数化之后，设计师便能通过修改产品定义参数的方式创建新的设计和新的产品族。设计师也能通过纯粹的交互方式直接引入局部特征变形来动态地改变产品的外形，但是对这种变形结果的预见比较困难，具有一定的随机性和不确定性。如果变形可以表达为一个约束的优化问题的话，则往往能够获得更好的预见性。这里的约束就是给定的产品定义参数。这些约束仅仅针对轮廓边界而不是网格本身。用户添加的其它变形意图则可以表达为直接使用交互方式拖拽网格顶点4 9浙江人学博士学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现到目标位置，或指定目标曲线或曲面约束。最小化问题则对应着网格子网格或曲面区块的能量最小准则。求解这个最小化问题会产生网格子网格或曲面区块上的变形，从而导致产品形状的变化，与此同时还能保证指定的产品定义参数不受影响。除了推荐的配置以外，用户能定义更多产品定义参数的组合，以获取设计的多元化。基于产品定义参数的变形设计算法详细描述如下。假定M = ( V ，E ，F ) 为一个给定的具有n 个顶点的三角网格。V 、E 、F 分别代表顶点、边线和表面。每个顶点都有一个三维坐标易= ( 如，办，如) 。离散的拉普拉斯算子谚= ( 氏，磊，屯)定义为：谚= ( B 一马) ，J E | v ( f )其中( f ) = ，l ( f ，_ ，) E ) 是顶点f 的一组邻域。我们可将表达式( 1 ) 替换成一个矩阵方程：印= 万( 2 )其中L 是一个3 n 3 n 的矩阵，且单元都源自，。我们将L 视作拉普拉斯算子，视其单元为拉普拉斯系数。我们可以将位置约束描述为一个线性方程。当所有这些约束都被定义为软约束之后，则可以采用最小二乘法进行求解，如：A T A x = A T c ，( 3 )其中x2p ，彳= I ，c = 1 。矢量c 中包含有控制顶点的位置。由于A T A 是一个稀疏对称正定矩阵，我们可以采用C h o l e s k y 因式分解法非常有效的求解出方程式( 3 ) 。当矩阵分解之后，则将根据控制顶点的位置反复计算x 的值。从轮廓边界抽取出来的产品定义参数被视为硬约束。但是现有的最小二乘法最多也就是计算如上所述带有软约束的拉普拉斯变形。文献【1 2 4 】介绍了硬约束下参数化变形的最小二乘法。硬约束可由下式定义：塑婆叁兰堕圭兰垡笙兰墨三童堑坚坚塑墅芏塑型塑B x = d ( 4 )而我们基于硬约束的变形设计的框架则可由公式( 5 ) 表示，并可采用对等约束的最小二乘法进行求解。赌1 I 叙一c1 1 2 ( 5 )其中么R k H ，口R m ”，c R ，d 足肘，聊以Z 。清楚起见，我们定义A 和B 都有完全阶数。则B 7 由Q R 因式分解如下：B T = Q R ，( 6 )其中Q R n ”为一个正交矩阵，而R R “枷为一上三角矩阵。具体表达式如下：Q = 嗡Q 2 】( 7 )只= 阢：聊出2 卧：所( 9 )这样，表达式( 5 ) 便可以表述如下：攀i 1 1 I I 彳g y + 彳Q z c I l 2 ( 1 0 )由于y 取决于约束方程R j y ：d ，而z 需要通过求解下面的不受约束的最小二乘问题来获取：m i n l l 么Q z 一( c 一么踢y ) 1 1 2 ( 1 1 )通过求解该最小二乘问题，我们便得到：( 么Q 2 ) r 彳Q 2 z = ( 4 Q ) r ( c 一彳g y ) ( 1 2 )最后，通过下式获得x 的值：x ：Q 阻L z J( 1 3 )我们可以运用c h 0 1 e s k y 因式分解法非常有效的求解出方程式( 1 1 ) ，因为大学博l 岸位论i第3 章逆向创新世计方法的实蜕( 爿岛) 一g 是个对称正定矩阵，而且大小也不及A 。在网格模型的变形中，有时候我们需要约束局部特征的尺寸不受变形影响。B o t s c h _ I ”J 通过多分辨率的分解及重构方法( B c M B o u n d a r yc o n s t r a I n tM o d e l in g ) 完整地保留了局部特征。图31 给出了个复杂汽车模型的网格变形过程，变形意图是将汽车引擎罩变长加宽，而保持轮胎部位的圆弧结构不变。其L 】车身网格代表固定不变的区域，引擎罩部分网格为变形区域，而保险杠及轮毅部分网格则是受局部约束作用的区域。变形区域的网格选择也比较灵活自由，用户可以采用手绘方式勾画出变形区域的轮廓( 取其中问部分) ，也u r 以采用油漆笔刷的方法标定需要变形的所有列格。相比传统的自由形状变形而言，B c M 方法不但能够保留变形过程中的局部特征形状，而且变形区域还可以保持与固定区域及约束区域的连续关系。图3 1 汽车引军覃变形在参数化建模中，我们般将约束分为相对约束和绝对约束两种。相对约束可以解释为常见的尺寸约柬，如距离相等、角度相等。而绝对约束可以是位置约束，如边的水平、竖直。在将参数映射到网格模型的过程中，可以采用下面的语句来表达约束p “。E s ( e d g ei n d e x ，s c a l ln gv a l u e ) ：边缩放浙江大学博十学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现酬( e d g ei n d e x ，m o v i n gd i r e c t i o n ，d i s p l a c e m e n t ) ：边位移F s ( f a c ei n d e x ，s c a l i n gv a l u e ) ：面缩放F 删( f a c ei n d e x ，d is p l a c e m e n t ) ：沿法向面位移F 如( f a c ei n d e x ，d i r e c t i o n ，d i s p l a c e m e n t ) ：沿给定方向面位移A F ( f a c ei n d e x ，f a c ei n d e x ，a n g l ev a l u e ) ：两面间角度D F ( f a c ei n d e x ，f a c ei n d e x ，d i s t a n c e ) ：两面间距离当给定新的参数时，便可以根据求解约束得到新的网格顶点坐标。当相对约束与绝对约束发生冲突时，则优先求解相对约束。求解得到的网格模型则是基于约束的参数化变形结果。3 1 2 曲面模型的变形设计在上一章中我们曾提到传统逆向工程的建模方式，其中第三种形式是基于曲线的自由曲面建模。实际上这种建模方式与D 中针对自由曲面为主的模型所适用的对象是一致的，即都适用于外形不太复杂但以自由曲面为主的模型。在D方法中，我们可以沿用传统逆向工程基于曲线的自由曲面建模结果，在此基础上再进行曲面模型的变形设计。N U R B S 曲面模型与网格模型的变形方式有很大不同，因此在变形设计中考虑的重点也不相同。N U R B S 曲面不但可以进行常规的缩放、等距等变形操作外，还可以方便的进行基于特征线的变形。由于曲线的调控性及精度较好，因此曲面模型的变形设计比网格模型的变形设计更加精确。下面我们以意大利S e l l e R o y a l 自行车鞍座的逆向设计为例，来验证基于曲面模型的变形设计效果。图3 2 给出了该鞍座预处理的结果，其中左图是通过曲率采样后获得的点云，右图则是三角网格化后的渲染结果。对于这个模型而言，我们可以采用基于网格模型的变形设计，但为了获得更高的精度，这里我们采用基于曲面模型的变形设计来完成鞍座模型的改型。按照传统逆向建模的方法，我们先对此网格模型进行基于曲线的自由曲面重建。重建过程中将采用自动提取的特征线及设计师添加的辅助线，最终完成的模型如图3 3 所示。5 3新 学博f 日位论文镕3 章逆向刨鞋计方# 实现崮32 模1 4 预处理嘲33 鞍座曲面及特征线框s e l l e R o v a l 品牌的白行车鞍座采用的是基于人机T 程的设计，然而我们测绘的这款鞍座未必适合中国人的体型，特别是针对男女不同的身体构造我们需要对此鞍座进行重新设计。黄海波犍出决定鞍座宽度的因素主要是人体的生理结构，如坐骨结节的距离( 坐骨结节问径) 、骨盆的大小等等，其中起关键作用的是坐骨结竹问的距离。这段距离基本上决定了鞍座后部的宽度，它的宽度保证人体坐骨结节在鞍座上时的距离位置：过小容易使结节间软组织受到挤压，过大容易影响鞍庵的平衡。中国女性的坐骨结节间径平均值一般在85 95 c m 之间。因为女性的髓骨要宽于男性，在设计时鞍座宽度要比男性的宽一些，如图34 所示，女性的坐骨结节叫径尺寸A 明显大于男性对应的尺寸B ，一般A 较B 大1 2 c m 。图34 男女坐骨结节间径示意图结合国家的自行车行业标准0 B T1 7 1 79 3 关于自行车鞍座的规定，我们将对浙江大学博士学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现扫描得到的鞍座模型进行重新设计。初步的设想是将男性的自行车鞍座设计得更加狭长扁平，而将女性的鞍座设计得更加宽大厚实。我们针对鞍座的特点，需要在曲面模型上人工添加两条截面线，如图3 5 中的A 线及B 线。A 和B 这两条特征线可参照鞍座底部轮廓提取得到的特征点M 、M 、N 、N 。其中M 及M 分别为鞍座底部轮廓的前缘点及后缘点，因此B 线实际上是M 及M 沿鞍座表面的测地线。N 及N 为鞍座底部轮廓最大宽度对应的特征点，A 线对应着N 及N 沿鞍座表面的测地线。啊图3 5 鞍座的辅助截面线上面我们提到自行车鞍座的宽度与坐骨结节间径的对应关系，因此在鞍座模型的最大宽度处添加一条截面线A 显得十分必要。由于自行车鞍座是一个对称体，因此由对称平面与模型网格相交便可得到截面线B 。下面以设计符合中国女性臀部结构的鞍座为例，研究曲面模型变形方法在具体设计中的应用。我们前面得到了鞍座最宽处的截面线A ，参考中国女性的生理结构，现绘制一条新的目标曲线，如图3 6 中外围的轮廓线，即鞍座的网格表面需要通过这条新的目标曲线。在绘制目标曲线的时候，设计师需要了解设计对象的具体尺寸，以满足不同人体结构的需要。在本例中，该目标曲线两个波峰之间的距离可以参考坐骨结节间径的大小，在这里我们给定的值为9 c m 。同时，轮廓的波峰与底部之间的距离可以确定鞍座的厚度，这里给定的值为5 5 c m 。而鞍座的长度则可以直接通过对称面上前后两个特征点之间的距离进行驱动，以获取我们想要得到的结果，在本例中，我们给定的长度为2 5 c m 。5 5* 江 学博 学位论空第3 章逆向创新醴计方的实现图36 变彤的目标曲线同理，该方法也可以应用到男性鞍座的再设计中。图37 给出了符合中国男性和女性生理结构的自行车鞍座模型( 单位：m m ) 。通过这种方法，我们可以设计出不同的变体，以适应不同人群的生理结构。图37 男女型号的鞍座变体模型基于目标曲线的曲面变形设计也可以分为两种，即进行全局变形和局部变形。全局变形般只需要设定目标曲线，驱动曲面模型向目标曲线逼近。如上面这个例子中，便是采用截面目标曲线为参考，引导整个睦面进行全局变形。当设计师非常清楚改型轮廓的尺寸时，通常可以采用全局变形的方式。局部变形除了需要设定目标曲线外通常还需要设定约束区域，即变形只发生在约束区域内部，而保证其它地方的形状不受影响。P c m o d ”7 1 认为只采用曲线便能够满足局部变形的目的，其中目标曲线( t 哪毗l i n e ) 作为局部变形区域逼近的参考线，而约束曲线( 1 i I n i 血gl i n c ) 则作为曲面变形的分界线，并且还需要保证约束曲线相邻区域的连续性。图3 8 表达了曲面局部变形的思想，通过调整约束曲线的大小，便可控制曲面局部变形的效果。对自行车鞍座模型而言，如果我们不需要更改前半段模型的尺寸，可以先将前后段模型分割为二，考虑的重点主要集中在后半段的变形设计中，这样往往能让设计师专注于需要改进的部位，而达到比全局变形更加m H K * l * 论i3 章逆自制新设计 洁的4 = 现快速方便的日的。堂业唑幽38 基r 约束的曲而岫 I f 盘彤3 2 基于工程分析的变形设计优化如的工业产品设计流程中，c A E ( c o m P u t e rA l d e dE “g l n e “n g 训算机辅助工程) 的地位几益增强。在逆向创新设| 十流程的第个分支巾，我们对于形体比较胤则的物体可以采片j 基于工程分析的优化设计。这其中最为关键的环节包含特征识别和基F 啊，! 分析的优化。其中特征识别包含二维线段及二维【f 1 1 的识别。3 2 1 基于截面线的二维线段识别通过对夫量的通用机械零部什统计发现，绝蔓、多数的零部件都c 以分解为拉伸、切除、旋转等特征，而这些特征的草图通常由直线和圆弧等线段组成，因此对草图构成线段的识别及其约束关系的提取成为近期研究的热点。单东同瞻出截面形状特征是由一系列线段茸尾相连的组合曲线( 环) ，但它决水是平面基奉几何单元的简单叠加，而是底层特征满足特定约束条件( 尺寸约束，结构约束汀的复合。在参数化造型系统中，参数化技术主耍集中在：维参数化，_ 维特征的肜状参数化取决于轮廓线的参数化。幽此，耍往反求，T 程L L _ 重建参数化特征模型就必须首先重建= 维截面形状特征。刘石峰1 则在其博上论文中提出基于截面特征的反求工程c A D 建模方法，从理论及实践上验证r 该方法的可行性。I N u s 公司柚其逆向工程软件R a D i d F o 丌nx O R 中，将基于截咀j 轮廓的特征识别技术融入其中，使设计师在进行反求设计的同时，利用截面轮廓识别山的猿新凡学蹲I 位皓* 3 章逆自“* 啦计i 往的实现罔元信息及约束关系，建立呵进行参数驱动的特征。基于截面线的逆向建模过程，实际上是按照丁F 向建模的思路，尽可能发掘正向建模过程中所熟知的几何信息。在截面选取之前，通常需要将模型进行对齐操作，并列出类似于工程图的标准三视圈，方便设计师确定重建思路。草图的二维图元尺寸、 L 的半径、 t 伸特征的长度、切除特征的深度等，都足我们需要证蝎0的参数。图39 所不的零件，便町通过基于截面轮廓的特征识别方式进行模型重建。其中左图是该控制杆件的网格模型，右图是从对称画截取出的轮廓，共山1 0段直线或圆弧所组成。相邻图元之间的约束关系可以识别为相切的关系，左右两端的圆弧与对应的整圆之间存在同心的约束关系。在遗漏或错误识别约束的情况下也可以手工进行添加或更正。例如，右图中两个圆孔的圆心可以添加在同水平线的约束关系。幽39 控制杆件模型要完成整个模型的重建，通常需要进行多个方位、多个视角截取模型，以获得重建所需的所有参数。以上一模型为例。设计师还需要得到两个截面的尺寸信息，如图31 0 所示。其中左图的轮廓表现了杆件切除部位的几何信息，右罔的两个尺寸D i m l 和D i m 2 分别表示了切除的深度及整个丰T 件的厚度。一L NEE石石fl 二日霍蚕垂豳=l图3 1 0 控制杆忭截面数据浙江大学博： 学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现3 2 2 基于网格分区的规则曲面识别在这个流程中，我们首先需要将初始网格按照一定的规则进行分区，并将各个分区的子网格识别为规则曲面，例如平面、旋转曲面、圆锥面、圆柱面、球面等。识别出来的规则曲面便于我们在后续的工程分析中加载边界条件，因为在初始网格中加载边界条件往往不太方便。对于形状比较规则的物体，通常可以按照其表面曲率变化的规律将物体表面划分成不同的区域，再对分割出来的子区域进行特征识别，提取出对应的规则曲面1 1 3 0 J 。在现有逆向工程软件中，往往关注的是提取出来的规则曲面精度，而不关心提取出来的曲面包含的参数信息，因此这些曲面的后期编辑也比较麻烦。在D方法中，我们不但要提取出规则曲面的几何信息，同时还需要提取出它们内在的参数信息。例如，圆锥面对锥度、圆柱面的半径、球面的半径等。如果与产品的加工方式联系到一起，很多2 5 轴能够加工的特征都是便于识别的规则曲面。常见的加工特征如图3 1 1 所示。S t O C kH O I eS i m 口| eh o l ec o U n l e fb o f eU n t e rS i n l c o u n t e rd n l lt a p p t 阳b o l eC o u n t e rd n | | e dt a p p e db a c kc o u n t I e r 的r eb a c l C o u n t e rs i n kS 托移口O 糟S I O tP o c k e t怕c t a n g u l a fp O c k e tp 嗍| ep o c I 【e tF a c l n gF e a t u 怕ss 妇留一fs 姆pp l l e f a G 阳V el m e m a l9 黼v ee 蛆e m a lg r a 洲e囱c e 鲫怕p 霸l eg o v eB O S SC 裾C u | a rb o s Sp r O 暇l eb o s sP 弱I eF 铋t u 陀Sp 嗍l e 曲a m f e rp 嗍| ef 、D u n dp r o 翕| es i d e l图3 1 l 常见加工特征T h o m p s o n 【1 3 1 1 建立了基于特征的机械产品逆向建模的方法，并在此基础上开浙太学博t 学位论立第3 章逆向创新驶计方沽实现发了R E F B ( R e v e 眦E n g i n e e n g F e A t I J r e _ B a d ) 原型系统实现了从点云直接创建机械零件特征的日标。这使我们相信，对丁机械零件这类主要由规则曲面构成的产品而言，能够逆向完成带有特征参数的c A D 模型。我们接下来通过一个操作杆的逆向设训为例，演示如何提取规则曲面及如何进行参数驱动模型变形。规则曲面的提取属于逆向f 程中比较常用的方式，如图31 2 所示。其中( a ) 图为扫描获得的点云数据，( b ) 图是对初始点云三角化后，按照曲率变化关系将网格分区后的结果不同的子| 叫格示以不同等颜色，( c ) 图则是对各个子】叫格进行特征识别，口 别的结果有平面、圆柱面和球面。凹3 1 2 规则曲面的提l 双在c A D 软件中，我们可以通过曲面延伸及裁剪命令得到最终的模型效果，如表3 1 中左图所示，般的逆向工程到这步也就结束了。但如果我们想要对局部结构进行修改则比较困难，因为提取出的这些规则曲面都是不带有参数的，很难通过参数修改的方式驱动模型变形。在R I D 方法中，我们需要摆脱传统的逆向建模只追求精度的目的，将更多精力放在如何提取有用数据上。其实在提取圆柱面及球面时，通常也并计算求得圆柱中心轴的方向矢量、中心轴通过点坐标、圆柱半径、球心坐标、球面半径等数据，这些数据对后期的参数化变形非常重要。有必要指出的是，由算法自动获取的参数有可能并不能完全满足设计意图，通常需要设计师进行定的交互修正，以获得更加合理的识别结果。例如，在获取操作杆圆柱中心轴的时候，可能计算出来的轴线与水平面之问的夹角为8 9 。，酷计师便可以根据经验认定该数值应该更正为9 0 。，这样修改后的结果更能体现原始产品的设计意图。表3 + 1 列H 了操纵杆模型提取出的部分参数。I -浙江 学博学位论i第3 章逆向创新世计方皓实现表3 I 原始模型的参数提取半径2 I r u n涪il圆柱中心轴方向00 1一中心轴通过点3 03 4 0 1 62 4半径4 m m一球面球心一3 03 4 03 57 5在得到圆柱和球面的这些参数后，我们便可以像正向设计叶 ，使片 参数化变形的方式实现设计重用。在改动部分提取出柬的参数后，便可以得到一个全新的设计，如袁3 2 所示。表3 2 参数驱动的变形结果半径3 m mi圆柱中心轴方向OO 1中心轴通过点3 03 4 O1 62 4半径5 m mI ：球面球心3 03 4 O 4 42 53 2 3 工程分析及优化产品设计往往不能一步到位，后期通常要进行一系列的T 程分析，并由分析的结果指导优化方案，最终取得理想的设计模型。常见的工程分析包括机构的运动仿真、数值分析以及人机工程分析。运动仿真可以实现机械工程中非常复杂、精确的机构运动分析，在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代c A D 工程中的一个重要方向及课题。机构仿真分析所解决的问题有以下几点：位移、速度、加速度、力，零件间干涉、作用力、反作用力等问题。一般说，工程师首先将零件的三维6 1浙江大学博上学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现模型建好，其次确定运动零件，并确定各运动零件之间的约束关系，最后利用特定分析软件进行机构分析。在机构运动仿真方面，设计师能够有效的把握运动部件在虚拟环境中的运动规律。例如，我们可以准确的模拟出凸轮、连杆、链条等运动部件在整个机构中的运动轨迹。M S C 的A D A M S 及w 6 r k j n gM o d e l 都是非常专业的运动仿真软件，很多三维C A D 软件( 如U G 和S o l i d w b r k s ) 集成的运动仿真分析插件都是基于它们的内核。数值分析主要分为静态分析( i c s ) 、动态分析( D y n 锄i c s ) 、热力分析( 1 k 肌a 1 ) 、电磁分析( E l e c 臼o m a g I l e t i c s ) 、计算流体力学分析( C F D ) 、设计优化分析( D e s i 弘o p t i 武z a t i o n ) 、冲压分析( P u n c K n g ) 、金属折弯分析( M e t a lf 0 肌i n g ) 、模流分析( M o l d i n g ) 。由于应用领域的不同，数值分析的方法也多种多样。常用的数值分析方法包括有限元法( F i I l i t eE l e m e n tM e m o d ) 、边界元法( B o u l l d a 巧E l e m e mM e t h o d ) 、有限差分法( F i I l i t eD i 彘r e l l c eM e t h o d ) 、有限体积法( F i I l i t eV o l 啪eM e t l l o d ) 。近年来，由于计算机的运算速度越来越快，求解模型日益丰富，数值分析软件也进入了空前的繁荣期。数值分析的结果已经作为物理试验的一个有益补充，大大降低了物理试验的次数及由此而产生的成本。碰撞分析、跌落分析、模态分析、屈曲分析等已经广泛深入到了汽车、机械、电子、家电、家具等生产行业。数值分析软件可以说是百花齐放、种类众多。M S CN a s t r 觚、A n s y s 、A b a q 惦、A L G o R 、A D I N A 等是大型通用的数值分析软件，涉足的领域多而全。同时还有大量的专业数值分析软件深入到了各行各业，如进行噪声模拟的S v s n o i s e ，碰撞冲击仿真软件P A M C R A S H ，电磁场仿真软件加1 S o f I ，模流分析软件M o l d F l o w ，而F l u e n t 、C F X 、S t 辨C D 、N 啪e c a 等C F D 软件则在不同的流体仿真领域有着广泛的应用。人机工程学是指导工业设计的重要方法之一，其精髓可以归纳为“以人为本四个字。人机工程学就是运用人的身体尺寸、活动范围、运动方式来指导工业设计，使它更符合人们的需要，方便生活和工作，并能在此基础上更大地发挥人的效率。基于人机工程的理念被广泛应用于直接与人体接触的工业产品设计中，比如手机按键的设计、鼠标键盘的设计、飞机驾驶舱的设计、机床控制台的设计，浙江人学博士学位论文第3 章逆向刨新设计方法的实现等等。常用的专业人机工程软件有T r 锄s o mJ a c k 、A m y B o d y 、黜M S I S 等，也有集成在C A D 系统中的人机工程插件，如C 肌中集成的H B R 、H M E 、H P A 、地蛆、H M N 模块等。通过人机工程软件及人体尺寸数据库的使用，设计师可以设计出更加符合人类操作的工业产品。不同的行业对产品的要求不尽相同，因此分析的类型也多种多样。例如，飞机的机翼需要进行疲劳分析、振动分析、绕流分析，手机需要进行跌落测试，模具的模腔需要进行模流分析，电脑机箱需要进行散热分析，汽车需要进行风洞试验和碰撞测试，轴承座需要进行强度分析，油罐需要进行压力容器分析，风扇需要进行噪声测试，汽车座椅需要进行人机工程验证，等等。上面我们提到的工程分析种类五花八门，然而并不是每件产品我们都需要完成所有这些分析，而是根据需要完成1 3 项分析内容。前面提到分析的离散方法主要包括有限元法、边界元法、有限差分法、有限体积法这四种。在实际分析问题时，也常常混合使用多种方法以完成数值模拟的要求。例如，在进行流固耦合分析时，就可能对产品结构采用边界元法，而对流体流动分析采用有限元法或有限差分法。在得到分析结果后，设计师还需要根据各个行业的标准，进行相应的设计优化。优化过程不是盲目的，必须遵循该行业的知识及经验。常见的优化目标有材料优化、功能优化、成本优化。下面我们以一个手提箱把手的设计为例，来体会结合工程分析( 强度应力分析) 的优化设计的效果。在本例中，我们以成本优化作为优化目标，实际上就是在保证足够强度的基础上，采用尽可能少的原材料。我们运用S o l i d W 硎( s 中的C O S M O S w b f l 【sP r 0 佗s s i o n a J 静力分析模块来求解把手的受力情况，再通过优化模块求解把手外形的最优解。C O S M O S W b r k sP r o f e s s i o n a l中的优化设计流程如图3 1 3 所示。这里有必要介绍一下C O S M O S W b r l ( s 优化分析中使用的一些术语：目标：也称为优化准则或优化目标。在每次优化计算中只能设定一个目标。我们可以使用最小质量、体积或频率，也可使用最大频率或分析中的载荷因子作为优化目标。设计变量：定义模型中可以改变的尺寸，如壁厚、孔的直径、圆角半径等。新 学* 十竹t 第3 # 逆向刨斩K * j 的实现设计变量可以选用c A D 模型中的参数。约束：定义应力、挠度、频率等的合理变化范围，并可以指定变化范围的最人值和最小值。 * 1幽3 l3 优化设计流秤幽手提箱把手优化设计实际上是在设计原型把手的基础上，指定某此尺寸参数及强度的变化范罔等约束条件，进行迭代计算。假设优化目标足质量最小，则每次迭代计算都会对尺寸参数降低一定的百分比继续求解，直到获得质量最小的轮廓外形。设计变量需要选用模型中的尺寸参数，因此优化设计依赖于前期提取出的尺寸参数。图3 1 4 显示了把手优化设计的其 J 一次选代的流程。图3 1 4 把手优化设计图解角浙江大学博上学位论文第3 章逆向创新设计方法的实现一个手提箱最容易破损的地方往往发生在把手的位置，因此如何设计好一个美观耐用的把手通常是设计师比较头疼的一个问题。然而优化设计理论为设计师解决了这一难题。在上面的把手优化设计图解中，我们可以看到其中包含5 个主要的步骤。首先是需要确定一个把手的初始形状( 该初始行状一般具有很大的强度裕量，然后在该初始把手模型上添加载荷和约束，定义材料和划分网格后便进行有限元静力分析，从而得到把手的应力分布，之后我们便可以确定受力集中的区域，并以此为参考进行C A D 模型修正，从而完成最优设计的目的。这样的设计不但具有足够的安全系数，而且可以尽可能的美化外观。优化设计的发展方向主要有三个，一是优化设计方法的发展，二是建立数学模型的发展，三是作为C A D C A M 中资源库的发展。因此，在C A D 朝着图形化、集成化、标准化和智能化发展，逐步达到设计自动化的同时，作为C A D 资源之一的优化设计和模型库，也应与此相应发展。目前主流的三维C A D 软件都包含优化设计模块，使设计师在设计早期能保证质量的完成设计任务。3 3 本章小结承接第2 章的内容，本章具体讲解了逆向创新设计方法的实现方式。对于外观较为复杂的模型而言，我们将采用基于特征线框的产品变形设计。其中主要的步骤是网格模型中产品定义参数的提取以及基于产品定义参数的网格模型变形设计。对于外观较为规则的模型而言，我们将采用基于工程分析的变形设计优化方式。其中我们将采取两种不同的方式来识别规则模型的特征，即基于截面线的二维线段识别及基于网格分区的二次曲面识别。考虑到有些产品需要进行工程分析进行结构验证，我们还提出了如何进行基于工程分析的变形设计优化。该优化过程的基础来自前期的特征识别，由此获得带有参数的C A D 模型，之后便如正向设计一样，进行一系列所需的工程分析，并通过对分析结果的处理，找到优化模型的形式，从而得到更好的设计。浙江大学博上学位论文第4 章采用R J D 方法的鞋楦建模第4 章采用R I D 方法的鞋楦建模本章我们将以鞋楦设计为例，探讨自由曲面外形的产品在应用逆向创新设计方法时各个阶段的技术细节。首先我们简单介绍一下传统创建鞋楦模型的流程及相关应用软件，再以逆向创新设计的方法创建一个鞋楦的模型，并总结该方法的优缺点。4 1 传统鞋楦建模技术鞋楦是指能保持鞋内具有一定规格尺寸的胎具，鞋楦的造型是仿人的脚型设计的，相当于脚的模特。鞋楦专用于鞋的生产，也叫作楦头、楦子。楦型则是指楦体的结构和造型。鞋楦是鞋子的母体，它决定着鞋子的长短和肥瘦，也决定着鞋子是否舒适合脚。鞋楦不仅用来加工鞋子，而且还是设计帮样和底部件必不可少的工具。鞋楦的踪迹可以追溯到远古时代。公元前一世纪赫克兰内姆( 意大利西南部古城) 壁画上有制鞋人从鞋内往外拔鞋楦的形象，而我国于1 9 6 1 年在新疆古丝绸之路上的尼雅废墟遗址出土了两只木楦实物，都是距今1 4 0 0 年前的唐代作品。中国最早的制楦作坊是1 8 5 1 年上海阿荣开设的王记鞋楦坊。1 8 5 5 年英国开始有机制鞋楦，直至2 0 世纪初才开始有制楦工业【1 3 2 】。我国古代的鞋楦是不分左右脚的，因此制作出的鞋子舒适性差。现在所用的鞋楦是从西欧传入的，它是一个不对称的立体造型( 可以区分左右脚) ，有近似平面的楦底部，有容纳拇趾一侧的里怀，还有容纳小趾一侧的外怀，这样的鞋楦可以保持鞋的内腔造型，使鞋穿起来舒适合脚【1 3 3 1 。设计鞋楦是依据脚型规律来进行的，方面还必须满足脚对楦体的厚度、长度、一方面要满足消费者的审美情趣，另一宽度等等的具体要求。只有选用好的楦型，才可能设计出好的样品，生产出高质量高品位的鞋子。传统鞋楦如图4 1 所示一般都是木制的，其主要加工工具有板斧、刨子、木锉、挖锯、量尺等【13 4 1 。大涎lLLLL锹弋L 奄国4 l 小制鞋檀4 2 鞋楦的计算机辅助设计随着制鞋行业的E 速发展制植工业也发生了深刻的变化。计算机辅助鞋楦殴计的方式正成为大势所趋。国内很多制鞋企业仍然大量采用手工和简单机械操作，明显不符合中国作为制鞋大国的地位。幽内学者在探索先进鞋楦制作技术方面，也进行了大量积极的努力。徐从富3 5 馒出了个性化鞋楦c A D 系统的设计与实现方案，其主要思路是先从普通二维扫描仪获得人体脚部的点云数据及特征点，通过造型软件得到对应的三角网格模型，然后从三角网格模型抽取一定数量的脚形参数( 指定5 0 个精确度特征点，分布在脚部的各个关键部位) ，再根据制鞋业的经验公式得到相应的鞋楦参数，虽后输出所定制的个性化鞋楦。顾任飞I ”q则从脚与楦的关系出发，从人机工程学方面研究鞋楦的舒适性设计。在数据采集方面，除了传统的三维扫描仪外，由昆山多威专业运动鞋研发中心与清华大学精密仪器系联合研发的我国旨台无接触式激光三维足型扫描仪，实现了和数控鞋楦机床的无缝连接，加快了鞋楦设计与制造的速度。鞋楦的计算机辅助设计也分为正向设计和逆向设计两种。浙江大学博十学位论文第4 章采用R I D 方法的鞋楦建模正向设计主要依靠设计师的专业知识，设计比较通用的鞋楦。鞋楦每个部位都有大量具体尺寸相对应，表4 1 列出了我国部分男式皮鞋中间号的尺寸及各自的公差。表4 1 国标中的男皮鞋中间号( 部分)编号及品名L 2 5 男素头鞋楦L 3 0 男素头鞋楦L 2 5 男舌式鞋楦一銎2 5 ( 二型半)2 5 ( 二型半)，气r 一捌雌、尺寸等差尺寸等差尺寸等差部位名称、m mm mm mm mm mm m楦底样长2 6 552 6 552 6 5+ 气放余量2 00 3 82 00 3 82 0O 3 8脚趾端点部位2 4 54 6 22 4 54 6 22 4 54 6 2姆趾外突点部位2 2 04 1 52 2 04 1 52 2 04 1 5小趾外突点部位1 9 0+ 1S R1 9 0+ 1 5 R1 9 0+ 1S R长度第一踱趾部位1 7 6 33 3 31 7 6 3+ 3 3 31 7 6 33 3 3第五踱趾部位1 5 3 82 9 01 5 3 82 9 01 5 3 8+ 2 9 0腰窝部位9 7 51 8 49 7 5+ 1 R 49 7 51 8 4躔心部位4 00 7 54 00 7 54 0O 7 5后容差5O 0 95O 0 950 0 9踱围2 3 9 53 52 3 9 5+ 气S2 3 6+ 35围度跗围2 4 3 5+ 3 62 4 3 5+ 162 3 8+ 1 S基本宽度8 81 38 81 38 6 7+ 1 3姆趾里宽3 3 60 5 03 3 6O 5 03 3 10 5 0小趾外宽4 9 30 7 34 9 3O 7 34 8 6O 7 3宽度第一踱趾里宽3 6O 5 33 60 5 33 5 50 5 3第五踱趾里宽5 2O 7 75 20 7 75 1 2O 7 7腰窝外宽3 9 5O 5 83 9 50 5 83 8 90 5 8踵心全宽5 9 6O 8 85 9 6O 8 85 8 70 8 8总前跷2 90 4 23 2O 4 72 9O 4 3跷高前跷1 80 2 61 70 2 51 8O 2 7后跷高2 50 3 73 0O 4 42 50 3 7头厚2 00 2 92 00 2 92 0O 3 0后跟突点高2 2 4O 3 32 2 40 3 32 2 4O 3 3后身高7 01 0 27 01 0 27 0+ 1 0 4楦体尺寸前掌凸度6O 0 960 0 960 0 9底心凹度60 0 96 5O 0 960 0 9踵心凸度40 0 640 0 640 0 6统口宽2 60 3 82 60 3 82 6O 3 9统口长1 0 01 8 91 0 01 8 91 0 01 8 9楦斜长2 6 3 54 9 72 6 2 84 9 62 6 3 54 9 7浙江大学博士学位论文第4 章采用砌D 方法的鞋楦建模因为不能细致到每个人不同的脚型，因此在设计上一般采用国家标准或行业标准进行设计。我国实行的国家标准为G B T3 2 9 3 1 9 8 2 l 中国鞋号及鞋楦系列。该标准是以我国人民的脚型特点及其规律为基础定制的。它是皮鞋、胶鞋、布鞋、塑料鞋成品标志及鞋楦设计和生产的依据。从鞋楦的部位来分，可以分为长度、围度、宽度和楦体尺寸。从表中的数据可见，每个号型的男式皮鞋的鞋楦都包含3 l 项尺寸参数，只要我们知道鞋楦的号型及各个部位的尺寸参数，便能确定具体的鞋楦几何形状。国家标准的好处是能够方便的查到国内公民的平均脚部尺寸，以作为鞋楦设计的参考。但按照标准生产的鞋子都是千篇一律，不能区分每个人脚型。我国幅员辽阔，现行标准并不能充分反映各个地区人民的脚型，因此对各个地区不同时期进行脚型采样是非常必要的，新的统计数据对修改现行标准提供了有力的数据【1 3 7 1 。正向设计中重点考虑的是人的脚型，而脚型可以按照人的年龄划分为童鞋和成人鞋，按照性别划分为男式和女士，按照国家不同划分为国标、法国标准、英国标准、日本标准、美国标准等。设计师可以通过查阅各种不同的标准，设计出标准的鞋楦。逆向工程技术在鞋楦设计中的地位要重要得多。这主要是由下面两个因素所决定的：1 - 库存已有鞋楦有大量数字化备份的需求。在计算机没有普及之前，每个制鞋企业都有大量鞋楦模型。例如我国温州地区，很多制鞋作坊都有成千上万的鞋楦模型。这不但的浪费了存储的空间，而且也带来了巨大的维护成本( 如防腐) 。如今，很多企业开始购置激光扫描仪，将数量众多的鞋楦扫描成数字模型进行备份。而鞋楦的设计也从手工方式过渡到计算机辅助设计模式，这样不但取消了鞋楦仓库，还大大提高了设计重用的程度。2 鞋楦具有大量个性化自定义的需求。随着人们的生活水平日益提高，大家不再满足统一规格的鞋样，而更希望以自己的脚型来定制一双舒适的鞋。因为每个人的脚型都不尽相同，因而通常采用扫描脚部数据作为鞋楦设计的参照体，并通过逆向建模的方式创建鞋楦的几何数字模型。例如耐克公司为刘翔浙江人学博上学位论文第4 章采用I u D 方法的鞋楦建模专门设计的跨栏跑鞋，便是这一设计需求的体现。鞋楦设计软件是专门面向制鞋行业的应用软件，属于C A D 软件的分支。S h o e m a S t e rF o 眦a 是英国开发的鞋楦设计软件。其工作流程如下：设计师先由鞋楦扫描仪自动将所有楦头扫入电脑，形成一个巨大的楦头资料库，通过电脑软件任意对换头型与后身搭配产生新的楦型；也可以通过软件单独更改楦头的跷度、底板、肥度。这样完全脱离手工磨楦、锯楦、补楦的工作，完全在电脑里完成设计开发楦头。该软件能够帮助鞋厂建立自己的楦头资料库，自己研发楦头，让工厂在楦头开发这一块更加快速更加方便。以色列D E L C A M 公司的S h o e m a k e r 、以及原C r i s p i I l 公司旗下的O m l o L a s t ，都是这一领域的佼佼者。而国内的鞋楦设计软件还主要停留在科研院所学术研究为主的阶段，商业化的水平还很不够。发展较好的有奥斯曼公司旗下的鞋博士鞋楦三维设计系统，温州经纬的鞋样设计及扩缩C A D C A M 系统。4 3 鞋楦建模中的逆向工程技术第二章中我们列举了逆向工程常用的三种建模方式，对鞋楦这类模型而言，一般采取第一种和三种建模方式。除了传统的逆向建模方式之外，针对鞋楦这个特定行业，也发展了若干新的逆向工程技术。陈建良【1 3 8 l 首次提出基于点的鞋楦C A D C A M 技术，该技术将测量得到的点模型直接用于计算刀位轨迹，实现鞋楦数控编程。基于点的鞋楦几何模型有效地解决了鞋楦模型的表示问题，并能够方便地实现鞋楦的计算机辅助设计。任海英1 1 3 9 】发展了基于点云截面线的楦面重构算法，该算法首先通过给定距离阈值对点云数据进行精简，滤除大量冗余信息，然后对截面线进行最小二乘拟合后均匀取点绘制模型，相比以往蒙面法而言计算量减少，因此速度更快。陈翔【1 删按照原始设计师的设计概念，建立了鞋楦的逆向处理流程，实现了鞋楦3 D 自由曲面模型的快速重建，提高了鞋楦设计的速度和效率。刘咏亭【1 4 l 】研究了基于细分曲面的鞋楦三维建模和二维展平方法，该设计使得鞋楦二维到三维及三维到二维的转换得到统一实现。S h o n 【1 4 2 】结合鞋楦建模的特点，提出了快速曲面重构及展平算法，该浙江人学博士学位论文第4 章采用R I D 方法的鞋楦建模算法能保证生成的鞋楦曲面光顺，且展平的面没有扭曲。陆国栋【1 4 3 】从脚部的三维扫描数据出发，采用特征节点和特征曲线及其拓扑关系建立脚部特征模型；以脚部特征模型上的特征节点和曲线建立局部坐标系，确定鞋楦特征模板上的顶点，并完成特征模板上顶点的拓扑关系；通过2 D 曲线的输入，建立鞋楦侧轮廓、底面和统口轮廓曲线；最后，对鞋楦曲面做细分处理，实现符合扫描脚部模型特征和定制轮廓的鞋楦造型工作。通过使用这种无楦设计方法，可以很快地根据用户脚部扫描模型获得相匹配的鞋楦模型。该鞋楦模型能很好的满足用户对鞋楦的定制要求，并在此基础上进行后续的鞋样设计，最后实现对客户样鞋的定制需求。从上面的内容可以看出，在鞋楦逆向建模这个应用领域，各国学者都力图在已有逆向工程技术上有所突破，总体的趋势是建模更加灵活快速、更加考虑个人定制需求、表现形式也日趋多样化。但是基于逆向建模后的鞋楦再设计方面却少有涉足，这无疑中断了设计重用的流程，即只实现了设计重用的前半段。4 4 鞋楦模型的产品定义参数确定一模型参数化从传统的鞋楦设计来看，正向设计太过死板，过分依赖行业相关参数，导致产品规格单一，样式陈旧，但由于批量大、效率高，现在仍然是鞋楦制作行业的主流；逆向设计的行业参数利用率不高，批量小、效率低，但更加人性化，能够更加满足单个脚型的需要，因此也越来越受到市场的亲睐。D 方法有效的结合了正向设计和逆向设计的优点，使得设计师在获取单个鞋楦扫描数据的同时，能够按照行业标准提取有价值的参数，并通过修改参数达到生成多种变形结果的鞋楦模型。针对自由形状物体的逆向创新设计过程中，主要包含两个阶段：模型参数化及参数化变形。因此，在对鞋楦模型的参数化阶段，首先需要从初始输入的扫描模型中提取相应标准( 国际标准、国内标准、事实标准等) 的参数信息。而到了参数化变形阶段，设计师则通过修改提取出来的参数驱动初始的扫描模型产生变形，从而得到新的设计变体。我们可以通过图4 2 表达这个设计流程。7 l浙江大学博士学位论文第4 章采用R J D 方法的鞋楦建模三维扫描数据( 网格数据)上模型参数化上参数化变形上新的设计图4 2 自由形状物体的刚D 方法工作流程模型参数化阶段主要关注在产品定义参数的基础上，如何从输入的三维扫描数据产生参数化的模型。我们没有必要考量所有三维扫描数据，因为这样做的工程量过于巨大，而且对参数提取而言噪声数据过多。对于像鞋楦这类物体而言，产品定义参数往往取决于某些重要的语义上的特征点、特征线及它们之间的几何关系。如图4 3 所示，鞋楦的产品定义参数可以由下面的特征线及这些线上的特征点来定义：鞋楦长度由点F 及点B 确定，鞋尖款式由点M 、点N 及点F 确定，而围度则由点K 、点M 及点N 确定。如果要考虑更多的特征点位置，可以参考陆国栋【l 删等提出的鞋楦特征点，即楦底前端点、前掌着地点、楦底后端点、后跟凸点、统口后点、统口前点及小趾外突点。顾铭秋【1 4 5 】更将特征点分为三个等级，即由脚型规律表直接计算可得的特征点归为I 类特征点( 如楦底前端点、前掌着地点、楦底后端点、后跟凸点) ，需要分析鞋楦形状后才能得到的特征点归为类特征点( 如脚底凹点、统口后点、统口前点) ，其它需要进行具体分析计算求得的特征点归为I I I 类特征点( 如第五跖趾部点、拇趾外凸点) 。模型参数化阶段的主要任务可以归纳为：检测特征线，定义特征线上的语义特征点，以及为三维扫描数据创建特征线和特征点之间的拓扑关系，从而得到我们所需要的“特征线框 。特征线框类似于C A S 及C 凡中的风格草绘。它是初始三维扫描模型的二维简要描述。这时需要创建特征点以及与之相关联的特征线之间的映射关系。与此同时，也需要创建特征线框和扫描的三维模型之间的映射浙江大学博上学位论文第4 章采用R I D 方法的鞋楦建模关系。在对初始扫描模型进行变形的过程中，这些映射关系将被保留。图4 4 给出了模型参数化的流程图。图4 3 鞋楦中的语义特征点示意图I 三维扫描模型( 输入)上I提取特征线产品定义参数的认定( 输入)ll( 1 ) 提取语义特征点( 2 ) 建立语义特征点和特征线之间的映射关系( 3 ) 建立特征线框和三维扫描模型之间的映射关系提取产品定义参数土参数化三维模型图4 4 模型参数化流程图为了自动提取出特征线框，我们首先将输入的三维扫描模型分割为一系列的子网格，而分割的依据是模型的曲率和法向等信息。然后我们需要重点收集一些重要的特征点，例如节点( 被三个或三个以上区域共享的点) ，并去除没用的噪新 # 陴l 学论文第4 辛采川R I D 方浩鞋植建横声点。这些特征点的拓扑关系束白干网格的连续性信息，并用于创建特征线框。如果提取的特征线框小能在一定精度范围内代表初始的三维模型，则需要添加更多的删格顶点到子刚格中，咀细化特征线框。图45 显示了从鞋楦模型中提取出米的部分特征线框。很明显，底部的边界是鞋楦模型中最重要的特征。图45 鞋植的特征线框( 取白两个不同视角)产品定义参数则柬源于提取出来的特征线框。从特征线框中可以更进一步地发掘出重要的语义特征点。语义特征点相对于特征线之间的映射荚系也一并建立起来。语义特征点、特征线以及它们之间的映射关系可以更加简洁的表现初始形状，井被用束估量全局的产品参数。罔46 ( a ) 显示了从特征线框中提取出的部分语义特征点，基于这些语义特征点的一些尺寸数据，便可以得到如图46 ( b )所示的产品定义参数围度。接下来，特征线框和扫描的三维模型之间的映射关系，也就是扫描模型的顶点和语义特征点及特征线之间的映射关系将被建立起来。这样便构成了初始扫描模型在产品定义参数方面的参数化。( a )图46 语义特征点( a ) 及其派生的产晶定义参数( b )4 5 基于参数的逆向创新再设计一参数化变形完成模型参数化之后，下一阶段便是参数化变形。依靠产品定义参数对初始三维扫描模型进行参数化表示。使得设计师可以通过编辑产品定义参数及其之间浙江大学博上学位论文第4 章采用R I D 方法的鞋楦建模的关系来获得新的设计方案。参数化变形首先通过约束优化的方式作用于特征线框( 即语义特征点及特征线) 上，然后通过创建的特征线框及扫描模型之间的映射关系，将作用于特征线框上的变形传递到扫描模型的顶点。从数学上讲，参数化变形的求解实际上是一个约束优化问题。在提取得到的特征线框上，产品定义参数的数值及其之间的关系可以认为是硬约束。用户其它的变形意图，例如( 1 ) 拖拽网格顶点到指定位置；( 2 ) 指定变形参考曲线；( 3 )指定网格区域的连续等级；( 4 ) 添加或移除产品定义参数之间的关系，我们都可以称之为增进约束。增进约束作用的网格顶点大多存在于特征线框上。优化中的最小化问题一般都是按照一定的最小化法则( 例如最小能量法) 作用于相关的网格或子网格上，同时保证特征线框与网格维持映射关系。这个最小化问题的解便是特征语义点及特征线框的变形结果。也可以解释为初始网格在特征线框及网格自身之间的映射而产生变形。以这种方式，设计师只需对产品定义参数指定新的数值，便可以获得定制的设计变体。因为鞋楦是基于人的脚型进行设计的，因此脚型的尺寸关系也反映到鞋楦的几何定义中。如果我们只对单一参数进行驱动变形而不考虑与之相关联的的参数，这样的变形结果是没有意义的。例如，我们在修改鞋楦长度尺寸的时候，必须考虑到其围度( 肥度) 的变化，这样才会得到合理的结果。鞋楦的参数化变形实际上是一个基于约束求解的过程，即必须满足鞋楦对应脚型的尺寸关系。这些约束可以通过4 个部位系数表示，即长度系数、围度系数、宽度系数及高度系数，表化给出了四个部位系数的表达式：表4 2 鞋楦部位系数定义长度系数= 特征部位长度脚长1 0 0 围度系数= 特征部位围度脚跖围x1 0 0 宽度系数= 特征部位宽度基本宽度1 0 0 高度系数= 特征部位高度脚长1 0 0 7 5浙江 学博L 学位论立第4 章采用R 】D 镕鞋檀4 填借助s j n d y N G R E 平台，我们将R I D 方法融入到鞋楦的建模过程中，并丌发了一个针对鞋楦逆向创新设训的原型。图47 给出了该原型的操作界面。作为探索性的研究，在奉原型系统中我们并没有考虑所有鞋楦模型的设计参数，而是提取出鞋码大小( s h o es l z e ) 、鞋身围度( B a l l G i 曲) ，鞋底宽度( B a s i cw i d t h ) 、鞋跟高度( H e c lH e i g l l t ) 四个尺寸作为全局变形的产品定义参数，驱动鞋楦模型进行变形。而并以鞋头拱度( H e a dc 啪b e r ) 作为款式变化的依据，设计师可以更改其参数值，创建出男式或女式的鞋样。我们尝试给定三组不同的参数，以对比鞋楦变形后的效果，如图48 所示。所有新的鞋楦都是采用完全的参数驱动完成的，编辑相当简单，而且设计师可咀几乎实时的得到变形后的效果，甚至对于舅式或女式款式的改动也是相当简便的。酗47 采用R I D 方法进行鞋植建模的原型系统宙纱M e n sS 竹l eS h o eS i = 2 4 5 m mB a l lG i r 山= 2 3 9 3 m mB 船i cW i d t l l = 8 8 3 m mH e e lH e i g h t = 5 9 m m厶罡S( 曲7 6* 女￥博L 学位论史第4 章采川R I D 方沈的鞋植建模雷纱M e n sS t y l eS h o eS i z e = 2 6 7 m mB a l lG i r c l = 2 3 9 3 m mB a 3 i c W i d t I l = 8 83 m mH e e l I e i g h t ；2 57 m mAe S鲁W o m e n sS 肆l eS h O eS i z e = 2 4 0 m mB a l IG i n I l = 2 2 4 6 m mB a s i cW i d l h = 7 6 8 m mH e e lH e i 9 1 1 t = 3 4 3 n l l l l臣br c l圈48 不同参数驱动下的鞋植( a ) 罔的数据来源于初始扫描模型，该鞋型的款式为男式，提取出的产品定义参数如图右侧所示。肖我们对这些产品定义参数进行编辑后，便可以生成新的鞋型，如( b ) 和( c ) 罔所示。其中( b ) 对应的鞋型仍然保持为男式，但鞋码和鞋跟高度都有所增加，( c ) 对应的鞋型则更改为女式，且对鞋码、鞋身围度、鞋底宽度和鞋跟高度都做了调整。在对鞋楦进行参数化变形之前，我们需要对定义鞋码大小( s h o es I z e ) 、鞋身围度( B m l G i r I l l ) 、鞋底宽度( B 站i cw i d t 1 ) 、鞋跟高度( H e e lH e i g h t ) 这四个参数的特征点进行一定手工微调，以确保参数驱动的可浙江丈学博士学位论文第4 章采用R I D 方法的鞋楦建模靠性及准确性。4 6 本章小结在本章中，我们以鞋楦的逆向建模为例，剖析了D 方法对以自由曲面为主的这类模型的具体应用。该方法参照鞋楦的行业参数，提取出对应的产品定义参数，并以此参数驱动鞋楦模型进行变形，同时还必须满足变形过程中的各项约束。这样我们便能保证新设计出来的鞋楦仍然符合制鞋行业的主要尺寸，设计师在确保主要尺寸不被改变的情况下，还能进行局部的创作，设计出更加合理、更富创意的鞋楦。浙江大学博十学位论文第5 章采用l u D 方法的凳子建模第5 章采用R I D 方法的凳子建模对于具有规则曲面外形的产品而言，逆向参数化建模的重点是规则曲面的提取以及几何参数的确认。下面我们以一个塑料凳子的逆向建模为例，探讨一下D方法在这类产品设计中的应用。我们将整个流程分为3 个步骤进行，即预处理阶段、C A D 模型制作阶段、优化设计阶段。5 1 塑料凳子的产品特点塑料凳子是常见的日用品，因其价格低重量轻而深受广大用户喜爱。塑料凳子最大的缺点是使用寿命短，究其原因，主要有以下几点：材料问题。塑料经过长时间使用或风吹雨淋，都容易发生老化，从而破坏材料的力学属性。也有新的塑料凳子没有使用规定型号的塑料，而采用回炉的二次料，因此造成整体质量大打折扣。注塑工艺。这涉及到塑料的加热温度设定、流道设计、浇口设计、保压时间设定等多种因素。注塑后变形量越大、气泡越多的塑料凳子，其质量越差。强度问题。有的塑料凳子很容易破碎的原因来自塑料凳子的厚度太薄，或在关键部位缺少加强筋等结构设计。这样很容易在承载体重较大的人体时，因超出材料的极限应力而导致破损。应用传统的逆向工程方法，我们可以很容易的反求出塑料凳子原型的三维几何形状，但比较困难的是测定原型所使用的材料，更难判断反求出的塑料凳子能否满足强度要求。因此，后期的处理显得非常必要，而对D 方法便能够满足这类设计需求。对塑料凳子采用m D 方法的具体思路可分为三步，即预处理阶段、C A D 模型制作阶段、优化设计阶段。其中预处理阶段和传统逆向工程的前期步骤相同，主要是获取凳子的各个面片。C A D 模型制作阶段则主要采用特征识别技术，将提取出的各个面片识别为带有参数的规则曲面，以方便后期的参数修改。优化设计塑垫点兰竖兰兰些堡兰要! ! 兰型型! 生些塑茎王些堡阶段则是充分考虑凳子模型的强度，并通过优化参数及添加几何加强特征的方式，完成对凳子原型的再设计。这样设计出的产品，不但大致保留了凳子原型的外观，更从质量上保证了产品的可靠性。下面我们具体讨论一下兰个步骣r f l 所涉及到的技术细节。5 2 采用R I D 方法的塑料凳子建模5 2 1 初始模型的预处理阶段我们首先对一个塑料凳子的外表面进行激光扫描获得点云，然后对点云进行采样去噪后生成三角刚格，最后按照曲率变化关系对网格进行分区，圈5l 给出了这个流程的示意图。( a ) 是采样和古噪后的点云模型，( b ) 为三角化后的网格模型，( c ) 为网格分区后的效果。由于这是传统R E 流程的一部分，我们在此不作过多讲解。( b )图5 l 模型预处理jPc 15 2 2 参数化c A D 模型的制作阶段在上一步骤中我们对网格进行了分区处理，每个分区后的子网格都对应一个相对简单的曲面，在这个例子中对应着平面、圆柱面。通过基于网格分区的特征识别技术，将各个子网格对麻的规则曲面自动提取出来，然后对这些规则曲面进行一定的延伸、裁剪等操作，便可以获得模型的大体轮廓，如( a ) 图所示。在这之后，我们需要对模型的轮廓边界进行识别，勾画出该凳于模型的细节。网格模型的边界线、截面线等都是非常有用的辅助建模手段。我们也可以将这些辅助线脯浙江大学博学位论文第5 章采用叫D 方法的凳子建模的部分尺寸参数提取出来，作为c A D 模型的草图参数。此外，凳子的圆角尺寸还可以从对应的子网格曲率分析中计算所得，这些尺寸同样可以作为c A D 模型的参数保留下来。最终我们得到一个曲面模型，如( b ) 图所示。同时，凳子的厚度可以通过测绘凳子原型而得，并通过已有曲面模型进行一个加厚特征便可以获得实体模型，如( c ) 图所示。对后期的强度分析而言，凳子的厚度是该c A D模型的一个重要参数，本例中我们先赋予该凳子的厚度为3 r m 。通过这个阶段后，我们便得到了一个含有较多参数的c A D 模型，通过强度分析等反馈后修改这些参数便能获得更加合理的凳子规格。整个流程如图52 所示。勺。巾令篇( b )罔52 参数化c A D 模型制作( c )5 2 3 优化设计阶段在本例中，我们首先需要对上一步获得的实体模型进行力学分析，然后在此基础上进行优化。由于在逆向设计中，通常不清楚扫描对象的材质，因此在进行力学分析前，需要我们自己先确定一种材料。对于本例中的塑料凳子，我们可以先预先设定一种通用的塑料P E ( 聚乙烯) 。这种塑料硬度和强度较高，注塑时流动性好，非常适合制作塑料凳子这类产品。凳子的力学分析主要有静力分析和屈曲分析，当然还可以包舍跌落测试等内容。为简单起见，本例只对凳予模型作静力分析，以了解该凳子在承受8 0 K g 体重的人时，凳子的应力及位移结果。有限元分析主要分为前处理、求解运算、后处理三个阶段。浙江 学博i 学位论史第5 争采川R I D 方法的甓r 建链在前处理阶段，我们需要完成以F 操作：指定凳了的材料：P E对凳_ f 模型的阿格划分：此处为四面体网格边界条件加载：凳子的四条腿加载固定约束，凳子表面加载O2 k c m 2的压力前处理完毕后，如图53 所示。圈53 凳子的前处理状态接F 来我们采用快速有限元( F F E P l u s ) 的方法对该模型进行求解运算，在所有计算所得结果中，我们对该模型的删i s e s 应力、位移、安全系数等数值比较感兴趣。其中v o r l M l s e s 应力可以考核凳子模型的平均应力分布，位移可以确定凳了表面最大的变形量而安全系数( 即v 0 1 1 M i s e s 应力与P E 塑料许用应力的比值) 可以显示整个模型的可靠性。这三个结果可以直观地表示为彩色云图的方式，如图5 4 所示。圈54 初始模型的静力分析结果浙江大学博上学位论文第5 章采用R J D 方法的凳子建模由( a ) 图可见，凳子的最大应力为1 6 6 4 e 7N 砰，发生的位置在凳子的中心部位。( b ) 图给出了凳子中心处变形的最大位移为8 9 8 4 I I l I n ，其它区域的变形量则比较小。( c ) 图显示了安全系数的分布状态，最小安全系数为2 4 0 4 ，主要集中在凳子顶部区域。对三副图中的数据进行分析，可见这个初始凳子模型的顶部区域虽然应力较大，但安全系数仍然足够，主要问题是最大位移接近l c m ，变形量相当大。因此，我们需要针对凳子顶部的结构进行重新优化，增加凳子表面的抗弯能力。优化设计都是建立在已有数值分析的结果之上，由于凳子顶面的安全系数足够大，因此这里我们可以将优化目标设定为凳子顶面的变形量不大于2 m m 。该凳子的壁厚、支撑面圆弧半径等尺寸都可以作为优化设计的设计变量。优化流程如图5 5 所示。初始设计方案带参数的C A D 模型定义约束凳子项面最大变形不超过2 m m定义设计变量凳子壁厚+ 支撑面圆弧半径定义参数变化区间一壁厚( 2 6 m m ) ，半径( 5 3 0 m m )图5 5 凳子的设计优化流程通过上面的设计优化流程，我们可以得到满足要求的凳子模型，即凳子的壁厚达到4 2 锄，支撑面圆弧半径达到2 5 m m 。实际上要增强凳子顶部区域的强度，浙江 学博 。 位论文第5 章粟用R I D 方法的凳r 锉模有更多其它方案可供选择，如改变塑料的类型，增添加强筋等。工程上通过添加加强筋来改善物体的强度，往往会比单纯增加厚度等手段更加节约材料。下面我们不修改凳子的壁厚，而采用更改顶部区域结构和增添加强筋来实现另外种结构优化。图56 显示丁我们对局部结构凋整后的结果，( a ) 图表达了凳子圆弧连接面的半径由之前的5 m m 增大到2 0 m m ，该过程可以通过修政圆弧半径这一参数轻松实现。这一改动不但可以有效增强凳子项部的强度，还使凳子的外观更加美观。( b ) 图则显示了在凳子底部增添的加强筋，筋的布局通常需要借助一些经验。由于初始模型是参数化的c A D 模型，因此设计师可以按照自己的修改意图轻松完成述修正。缔：I 同兮一瑚57 改型凳子的静力分析结果I I 浙江大学博十学位论文第5 章采用R I D 方法的凳子建模由( a ) 图可见，改型凳子的最大应力为1 5 5 3 e 7N h 1 2 ，虽和模型修正前的值差不多，但应力分布比初始模型要均匀很多。( b ) 图显示出改型凳子中心处变形的最大位移为1 6 0 3 n u n ，满足了优化设定的约束。( c ) 图中最小安全系数为2 5 7 5 ，比初始模型的安全系数略有增加，分布也更加均匀。由此可见，改型凳子的凳面强度比初始模型提高了很多，达到了我们对初始模型优化的目的。在实际产品的优化设计中，通常伴随着多个约束下的迭代，涉及到的细节要繁杂很多，过程也更加漫长。和鞋楦的逆向设计不同，凳子的逆向设计无须提取模型的特征线框、特征线和特征点等，整个设计流程的关键是特征曲面的构建，以及在提取特征曲面的过程中同时获取部分产品定义参数。在对凳子模型的初始网格进行网格分区后，后期的所有步骤都是针对矾瓜B S 曲面的，因此参数化变形的对象也是针对N U R B S曲面的，而不像鞋楦中参数化变形的对象是网格模型。由于工程分析中的边界条件大多数都是加载到N U l 迅S 曲面上，因此对凳子这类主要由规则曲面构成的模型更加适合工程分析及优化。5 3 本章小结本章以塑料凳子的逆向建模为例，证实了D 方法对以规则曲面为主的模型的适用性。该方法的重点是规则面的参数提取，并建立参数化的C A D 模型。然后以这些参数作为设计变量，进行优化设计。通过D 方法的应用，我们可以获得更加合理的设计结果。浙江人学博上学位论文第6 章其它产品的设计实例第6 章其它产品的设计实例除了上面重点讲述的两个例子外，刚D 的设计思想还可以拓展到其它产品的设计领域中。下面我们列举了眼镜、高尔夫球头以及汽车把手的应用实例。每个模型都有自身的设计特点，所采用的参数化变形方式也略有不同。最后指出了D方法目前存在的不足及今后需要继续研究的方向。6 1 眼镜模型眼镜的种类繁多，每年都有数以万计的新产品诞生。我们将眼镜作为D 方法的应用对象，同时检验一下该方法是否能对眼镜这种精密加工件的设计带来积极的促进作用。眼镜实际上是一个左右对称的产品，因此在实际提取眼镜模型的参数时，通常是先求解出模型的对称面，并只针对其中一侧的模型进行操作。这一部分内容都属于传统逆向工程中可以解决的问题，在此不做过多阐述。在D 方法中，要求提取出的特征点之间的距离能够反映出镜框的最大高度及最大宽度、镜架的最大宽度及最大长度。当自动提取算法无法获取位置满足要求的特征点时，可以进行手工微调或添加必要的特征点，以方便后期的变形操作。这些尺寸( 镜框的最大高度及最大宽度、镜架的最大宽度及最大长度) 组成了驱动模型进行变形的参数，通过合理的编辑这些尺寸参数，便可形成系列的眼镜形体。在完成了对半模型的变形设计之后，再通过对称面求解出另外一半的镜像，从而组合成一副完整的眼镜模型。从表6 1 中的图示效果来看，利用参数化变形的方式能够很好的完成设计变更的任务。变形后的眼镜镜架在保持原有形态的同时，对局部地方的拓扑结构作了细微的改动。如果在进行变形设计之前，能够获知眼镜配戴者的脸型，设计师便可以通过I 方法设计出更加符合个体脸型的眼镜，从而将人机工程的方法应用到个性化眼镜的制作中。* 上学博f 岸位论文笫6 幸】t E P 目的设计实例丧6 1 眼镜模型的R l D 应用实例图示效果说明应用激光扫描仪采集眼初始扫描点。镜模型外表面的空间数据，要求采集的时候眼镜架呈全展开状态。此处捕获了该副眼镜的逆向建模及三个尺寸作为产品定义参数，即镜片的高度、镜架的昆大宽度、镜架根部宽度。确定产品定，义参数更改= 个产品定义参数参数化变形厉得到的变形效果。后的结果6 2 高尔夫球头高尔夫球头的外形可以做成多种样式，设计的要素是质量分布( 周氏、重心等) 、规格( 传统、大号、超大号) 以及款式( k e e ls o l erd c c p f 如，w i d eb o d y 等) 。在高尔夫球头这个设计领域里还没有太多的外观专利，因此设计师在不违背己有专利公司权益的自口提下，可以最大限度的进行创作。表岳2 给出了一个高尔夫球浙江* ML 学位论女第6 卓j E 产品【I 勺啦计尘例头采用R J D 方法进行变形的过程表62 高尔支球头的刚D 应用实例图示效果说明应用激光扫描仪采集高曹尔夫球头外表面的空间数据。初始扫描点云飞一r此处捕获了该高尔夫球矗头特征线框的两个尺寸作为产品定义参数，即球杆及球头底部之间的角逆向建模及确 影度、球头的高度。定产品定义参数更改两个产品定义参数后得到的变形效果。参数化变形后- _ 醚，的结果，1 一一浙江大学博士学位论文第6 章其它产品的设计实例创作空间很大，而且行业标准尺寸较少，更多的是靠一些传统经验。例如对一个类型的高尔夫球头而言，它的质量和重心的高度是相对重要的参数，这就要求我们在对球头模型进行变形的时候，要同时保证新生成的球头与参考球头质量一致，以及重心的位置相同。假定我们使用相同的材料进行球头设计，那么要想保证质量一致的要求，就必须确保新设计的球头具有和参考球头相同的体积。也就是说，在设计过程中，我们需要加入保体积的约束条件。同样，如果要保证新设计的球头具有和参考球头相同的重心位置，我们也需要添加一个重心的空间位置相同的约束条件。要满足重心的空间位置相同的条件，实际上需要借助前面提到的优化设计方法。也就是在对提取出来的产品定义参数给予一定的变化区间，在保证重心位置相同的约束下，通过迭代逼近的方式获得新的球头样式。因此，在使用砒D 方法对现有模型进行创新设计时，要根据产品的具体行业制定不同的策略。像高尔夫球头这样的模型，除了提取一定的产品定义参数进行驱动变形外，而且还必须添加一些约束条件，以确保得到的设计变体具有实用的价值。6 3 汽车把手汽车把手用于变换速度档位，在各类汽车中都是不可或缺的一个部件。汽车把手的设计随着汽车工业的发展日趋多样化，但对于大多数汽车而言，其主要结构都可以划分为两个部分，即适合手型的把手球头以及接触换档卡槽的把手杆件。一般情况下，把手球头的形状以自由曲面的光滑外观为主，而把手杆件的形状比较规则，以圆柱或圆台为主。在汽车把手的重新设计中，我们需要同时使用砌D 方法中两个分支的重建策略。由于把手球头的外观光顺，因此我们首先采取传统逆向工程的方法，生成基于曲线的M 瓜B S 曲面，然后由设计师创建一条新的带有设计参数的目标曲线，驱动把手球头变形。由于把手球头需要适合驾驶员的手型，因此目标曲线的绘制更多需要考虑适用人群的手部尺寸。而对于把手杆件的逆向重建，我们首先提取杆件的圆台面，获取圆台面的长度及圆台底面半径作为产品定义参数，以驱动圆台面变形生成新的把手杆件。浙 学博j 睦z第6 章其它产品设计实例表6 3 给出了一个轿车把手采用R I D 方法进行变形的过程表 3 汽车把手的R l D 应片j 丈例图示效果说明应用激光扫描仪采集汽车初始扫描点云j 声把手外表面的空日J 数据。在把手球头的最大轮廓处逆向建模及确盛生成一条截面线，如左图高亮显示。同时还识别出把手杆件的长度及底部半定产品定义参厂一嗯径。数把手球头的曲面按照设计参数化变形后j 一师剖建的目标睹线变形，而把手杆件按照长度及底部半径尺寸驱动变形后的效果。的结果厂一在汽车把手的参数化逆向重建过程中，我们同时运用了R I D 方法中两个分支酌建摸策略，取得了很好的改型设计效果。从这个例子也可以看出，R J D 方法适用的范围a r 阻进一步的扩展。因为大多数产品都可以分解为自由曲面及规则曲面，只要对它们分别采取不同的重建簧略，便可以获得更多的设计组合，从而完成产品系列的创建。浙江大学博十学位论文第6 章其它产品的设计实例6 4 本章小结本章我们以更多的例子，表现刚D 方法在其他领域内的应用。其中汽车把手同时包含有自由曲面和规则曲面，应用刚D 方法可以得到实现两种参数化变形后的结果。同时我们也注意到，现有砌D 方法还有很多值得改进的地方。例如，我们可以在提取模型的产品定义参数的同时，也需要考虑加入一些几何约束作为辅助条件，以满足像保体积、保重心等特殊需求。9 l浙江大学博士学位论文第7 章总结与展望第7 章总结与展望随着时代的发展，科技的进步，产品设计也越来越需要更多学科的交叉与结合。在设计一件新产品时，更多的是对已有设计或知识的重用，因此设计重用是产品设计中一个非常重要的环节。目前常见的设计重用主要有逆向建模、参数化设计、以及自由形状变形。这三种方式各有优缺点，本文针对这三种设计重用的建模方式进行了深入的研究，并创造性的结合了这三者并提出了逆向创新设计这一新的设计方法。本章主要对全文进行简要的回顾及总结，列出本文主要的研究成果，并对今后的工作作出一些规划及展望。7 1 论文总结本文的研究内容及成果主要涉及以下方面： 创立了逆向创新设计的框架本文首次提出逆向创新设计( 砒D ) 这一新的设计方法，它结合了逆向工程、参数化设计、自由形状变形三者的特点，为设计重用添加了又一种新的途径。对以自由曲面为主的模型而言，逆向创新设计的核心是扫描模型的参数化及参数化变形。我们首先采用网格分区的方式对初始扫描模型进行分区，提取模型的特征线信息，在特征线框上提炼出与行业相关的语义特征点，同时建立起语义特征点和特征线之间的映射关系以及特征线框和三维扫描模型之间的映射关系，并从而确定产品定义参数的内容，完成参数化驱动初始模型的目的。这种方法和传统的自由形状变形方法相比，主要在于提取了模型更高层的参数信息，并结合行业知识进行参数驱动变形，使网格模型的高层次参数变形变为可能。 提出参数化驱动网格变形的方法本文详细阐述了基于参数驱动的网格变形设计方法，并给出了相应的数学算法。该方法的实质是将变形表达为一个约束的优化问题，以获得更好的变形预见性。这里的约束就是给定的产品定义参数。这些约束仅仅针对轮廓边界而不是网格本身。用户添加的其它变形意图则可以表达为直接使用交互方式拖拽网格顶点Q 2浙江大学博士学位论文第7 章总结与展望到目标位置，或指定目标曲线或曲面约束。最小化问题则对应着网格子网格或曲面区块的能量最小准则。求解这个最小化问题会产生网格子网格或曲面区块上的变形，从而导致产品形状的变化，与此同时还能保证指定的产品定义参数不受影响。 结合实例验证了对不同类型的扫描模型提取产品定义参数的方法对以自由曲面为主的模型而言，我们以鞋楦的重新设计为例，在S i n d y N G l 也平台上开发了鞋楦模型的参数化变形模块，展示了采用l 方法有别于传统设计的优势。对以规则曲面为主的模型，我们以凳子的重新设计为例，切身感受到特征识别在参数化变形中的作用。同时我们还通过多个实例论证了I 方法的可行性及对多种产品外观的适用性。7 2 今后工作展望本文探讨了产品正向和逆向设计过程中，设计重用的方式及相应的关键技术。我们主要以逆向设计为突破点，将扫描模型与对应产品的行业知识相结合，提炼出更为高层次的产品定义参数，使结合具体行业的参数化驱动网格模型成为可能。随着造型理论及设计流程的发展，作者认为在以下几个方面将成为设计重用领域研究的重点。 特征识别方面由于现有设计平台都无一例外地采用自己的数据格式作为文件备份方式，一般只能通过一些中性的数据格式进行中转，这使得大量的设计参数等信息无法共享给其它设计平台。因此特征识别成为一种补救手段，成为近期研究的热点。特征识别广泛应用于C A D 软件中，主要用来提取一些常规的特征信息，如零件的拉伸或切除长度、倒角或圆角尺寸、拔模角度等，而对自由曲面等复杂几何单元而言则往往无能为力，这也在一定程度上阻碍了产品设计重用的应用。因此，特征识别的努力方向是尽可能多的提取输入模型的参数特征信息，并朝自动化、智能化方向发展。 优化设计方面9 3浙江大学博士学位论文第7 章总结与展望设计的产品可以分为合格产品及不合格产品，我们通常可以通过有限元分析或其它判定标准淘汰不合格产品，但是对于如何寻求最佳的合格产品，则必须借助优化设计方法。对逆向建模而言，照抄是属于低层次的设计重用，只有在此基础之上进行结合行业的再次优化，设计出的产品才是高层次的设计重用。因此，如何建立一个优化设计的判定标准，以及如何建立一个快速的优化设计算法，都是这个领域值得研究的内容。 网格修复方面逆向建模过程中一个重要的环节就是网格生成，由于干扰因素较多，因此往往会引起很多网格错误，网格修复显得尤其重要。对于网格错误较多的模型，应该采用自动和手动相结合的方法，即自动修复网格错误无法继续处理剩余网格错误时，手动处理的方式显得更加有效率。因此，作者认为向导式的网格错误修复方法将是一个应用热点，即用户可以在网格错误修复向导的帮助下，根据提示信息完成各种错误的修复工作。 行业知识的应用方面在我们提出的R I D 方法中，一个重要的环节便是将产品的行业知识应用到产品定义参数的建立中。然而，我们采用R I D 方法提取出来的语义特征点与产品实际的特征点之间往往存在有一定差距，因此结合行业知识的产品定义参数无法真实的反应扫描模型提取出的特征信息，导致参数驱动后的精度大打折扣。因此，如何将行业参数信息匹配到提取出的语义特征点之上，会是一个比较有趣的研究课题。 R I D 方法的深入方面我们以大量实例验证了R I D 方法在各个设计领域中的可行性，但同时我们也注意到目前R I D 方法的不足。首先是该方法需要结合具体行业进行应用，模块的通用性不强；其次，该方法主要考虑模型的几何参数，对于像保体积之类的强制约束则欠于考虑。因此，如何解决目前存在的这些问题，将是作者今后需要继续研究的内容。浙江大学博士学位论文参考文献参考文献【1 】叶修梓，彭维，唐荣锡国际C A D 产业的发展历史回顾与几点经验教训 J 】计算机辅助设计与图形学学报，2 0 0 3 ，1 5 ( 1 0 ) ：1 1 8 5 1 1 9 3【2 】王玉，邢渊，阮雪榆设计重用研究【J 】机械科学与技术，2 0 0 1 ，2 0 ：7 6 7 - 7 6 9【3 】I y e rN ，K a l y 锄删趾YL o uK Ar e c o 曲g u r a b l e3 De n g i n e e r i n gS h 印es e a r c hs y S t e mp a r tI ：s h a p er e p r e m a t i o n A 】P 赋e e d i n g so fD E T C 0 3 【C 】C h i c a g o ，I l l i n o i s ，U S A 2 0 0 3 【4 】D e l c h 锄b r eA C A DM e t h o df o rI n d u S t r i a lA s s e m b l y - C o c l l m n tD e s i 印o fP r o d u c t S ，E q u i p m e n ta 1 1 dC o n 仃o lS y S t e m s 【M 】C 1 1 i c h e S t e r ：J o l l l lW i l e y & S o l l S ，19 9 6 【5 】H o m n 锄C M G e o m e t r i c 锄dS o l i dM o d e l i n g ：A nI n t r o d u c t i o n 【M 】S a I lM a t c o ：M o 唱觚K 卸缸锄，l9 8 9 【6 】I y e rN ，J a ) ，勰t iS ，L o uK n r e eD i m e n s i o l l a lS h a p cS e a f c l l i n g ：S 龇- 0 f m e 谢R e V i e w 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