第3章-三维CAD模型重构.ppt

复习上次课的内容 数据测量与处理 数据测量 测量方式 数据处理 模型重建之前 需对测量数据进行预处理 以获得完整 正确的测量数据 这决定模型重建的准确性 非接触式测量将越来越占主导地位 但接触式三坐标测量机在测量精度方面仍然具有优势 高效 高精度地实现样件表面的数据采集 是逆向工程实现的基础和关键技术 第3章三维CAD模型重构 目录 3 1概述 3 2曲面重构方法和过程 3 3网格化实体模型 3 4模型精度评价及量化指标 3 5曲面重构实例 在逆向工程中 实物三维CAD模型重构是最关键 最复杂的一环 是后续产品加工制造 快速成型制造 工程分析 产品再设计的基础 重构曲面的品质和精度直接影响最终产品CAD模型的优劣 三维CAD模型重构有两个影响因素 1 设备硬件 2 操作者经验 本节重点介绍三种创建曲面模型的方法和过程 3 1概述 3 2曲面重构方法和过程 模型重构一般先构建曲面 再将曲面转换成实体模型 曲面重构基本遵循 点 曲线 曲面原则 曲面重构之前 首先考虑 生成更准确曲面 还是更光顺曲面 或是两者兼顾 这需根据产品设计需要来决定 图3 1曲面创建过程 3 2曲面重构方法和过程 1 基于曲线的模型重构 在逆向工程中 一种常用的模型重构方法是基于曲线的模型重构 该方法先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线 或参数曲线 再利用基本造型工具 如扫描Sweep 混成Blend 放样Lofting 四边曲面 Boundary 等 完成曲面片的造型 再通过延伸 剪裁和过渡等曲面编辑 得到完整的曲面模型 采集数据 数据预处理 曲线拟合 曲面片重建 曲面模型 实体模型 下游应用 图3 2基于曲线的模型重构过程 基于曲线的模型重构仅适合处理数据量不大 而且数据呈有序排列的情况 该方法的不足之处在于 若曲线分布较密 曲面造型时通过所有的曲线 则不能保证曲面的光滑性 反过来 若选定的曲线数量较少 则难于保证曲面的精度 应用曲线拟合造型的典型商用软件广泛应用于汽车 航天 消费家电 模具 计算机零部件等设计与制造领域 软件包括以下几个模块 基础模块 点处理模块 曲线 曲面模块 多边形造型模块 检验模块和评估模块 Imageware软件 点 曲线 曲面 的原则 先创建合适的曲线 然后利用曲线通过蒙皮 扫掠 四个边界等方法生成曲面 Imageware软件的一般操作流程 Imageware软件 实例1 2 曲面片直接拟合造型 直接对测量数据点进行曲面片拟合 获得的曲面片经过过渡 混合 连接形成最终的曲面模型 采用该方法造型时 数据分割的准确性很重要 因为如果用一张曲面片去拟合两个以上类型的曲面 最终拟合的曲面都是不光滑的 曲面直接拟合造型既可以处理有序点 也能处理点云数据 散乱点 采集数据 数据预处理 曲面片拟合 曲面模型重建 模型评价 实体模型 下游应用 图3 3数据点直接进行曲面片拟合造型 应用这种三边域曲面重构方法的典型商用软件是GeomagicStudio软件 该软件可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格 并可自动转换为NURBS曲面 GeomagicStudio软件主要应用于快速消费品 玩具及其非工业成品 如医学方面 文物和艺术品保存 方面 输出匹配的文件格式 自动将点云数据转换为多边形 快速减少多边形数目 Decimate 曲面分析 公差分析等 把多边形转换为曲面 GeomagicStudio主要功能 GeomagicStudio软件工作流程如下图所示 3 基于特征及约束的模型重构 大多数机械零部件都是按照一定的特征设计制造的 几何特征是组成一个零件的基本特征 主要是反映零件基本尺寸的点 线 面 逆向工程特征可定义为 基于测量数据提取的用于逆向工程CAD模型重建的点 线 面以及它们满足特定约束关系下的组合或复合 特征的定义及表达 几何特征是几何造型的关键 他们对控制几何形体的形状有极为重要作用 同时几何特征之间还具有确定的几何约束关系 因此 在产品模型的重构过程中 一个重要的目标就是还原这些特征以及他们之间的约束 得到一个优化的CAD模型 使孤立的曲面片转化成一个整体的几何模型 这和多数工业产品的设计意图相符合 可有效解决产品的装配对齐 造型的对称等问题 进而减小误差 提高产品质量 特征的定义及表达 逆向工程中的曲面重构不是对数据的简单拟合 而是要满足几何约束下的重构 逆向工程中的几何约束是指各特征层次的组成元素之间的约束关系 它直接反映了重构CAD模型几何要素之间的形状和位置关系 包括结构约束和尺寸约束两种类型 结构约束是指特征元素之间的拓扑结构关系 如垂直 平行 相切等 描述了特征元素的空间相对位置和连接方式 尺寸约束是指特征元素间的距离 角度等约束 约束的定义 分类及表达 基于特征及约束的逆向工程CAD建模 基于特征及约束的逆向工程CAD建模是将正向设计技术的特征技术引入到逆向过程中 通过提取蕴含在测量数据点云中的表达原始设计意图的特征 重建基于特征的逆向工程CAD模型 图3 6基于特征及约束的反求工程CAD建模框架 建模过程 1 由测量设备获取数据 2 在逆向工程CAD建模软件中完成数据预处理 区域分割及特征提取 3 由通用CAD系统完成特征造型 在产品的模型重建过程中 一个重要的目标应该是还原特征以及他们之间的约束关系 忽略特征或几何约束 得到的产品模型都是没有意义或是不准确的 目前的研究中 大多采用人工引导 有目的 半自动地实现这一过程 Pro ENGINEER逆向模块 Pro ENGINEER是位于美国波斯顿的PTC公司于1988年开发出参数化建模软件系统 并于2008年1月全球发布推出Pro ENGINEER野火4 0版本 广泛应用于机械 电子 航天 通讯 模具 工业设计 汽车 自行车 家电 玩具等行业 其所提供的独立几何 小平面特征和重新造型等模块都可完成逆向反求工作 Pro E逆向工程实现流程 独立几何模块Pro SCANTOOLS 独立几何 是一个完全集成于Pro ENGINEER实体建模中的逆向曲面构建模块 它可以接受有序点 扫描线数据 也可以接受散乱点云数据 且可以用来构造非A级的自由曲面 一般应用于电器产品 汽车内饰件 塑料件等行业 它是一种非参数化环境工具 属于超级特征 与其它特征没有父子关系 其可使用户专注于模型的特定区域 并结合各种造型方法和工具来获得期望的形状和属性 独立几何工作界面 小平面特征小平面建模 FacetFeature 是Pro E逆向工程模块的一部分 其基本原理是利用模型样件的扫面点云中的每一点与其相邻的两点构成一个小三角形平面 用大量的小三角面表示曲面的大致形状 在小平面特征环境中 可对原始点云进行噪音点过滤 数据精简 数据平滑以及特征点的提取等 点 处理工作 而后的包络定义以及相关的小平面操作可以完成对 面 的操作处理 小平面特征工作界面 重新造型重新造型是一个逆向工程模式 用来在多面 小三角形平面 数据的顶部重建或构造曲面CAD模型 重新造型多用于小平面特征之后 在小平面模型的基础上进行构造并调整曲面 小平面特征 重新造型 曲面模型 独立几何实例 创建曲面 创建其它曲线 修改后生成型曲线 生成扫描曲线 独立几何 剖面 点云数据 重构完成 小平面特征实例 点云数据 点处理后 包络处理 删除腹板 破洞修补 小平面精整 小平面处理完成 重新造型实例 小平面特征 重新造型 自动曲面 剖面曲线 曲线编辑 曲线完成 创建曲面 曲面完成 生成实体模型 实例操作 回转面模型重构回转曲面是指平面曲线C绕平面上一定直线旋转一定角度所扫掠区域 称此直线为轴线 曲线为母线 据此可知回转面重构的关键在于从扫描线数据中提取回转面的轴线位置及方向 以及母线数据点 轴线 母线 扫描线数据点 扫描线数据点 测量 创建基准面 创建回转轴 独立几何创建扫描曲线 创建型曲线 创建并分析曲面 重构完成 散乱点云 散乱点云 小平面观察 析出母线 母线修改 创建型曲线 型曲线分析 提取轴线 创建曲面 维纳斯石膏像模型重构 散乱点云 删除界外值 修补破洞 抽样处理 包络处理 小平面粗调 小平面精调 处理 重新造型 曲面片编辑 重构完成 红茶饮料瓶 扫描线点数据 创建曲线 曲线完成 创建曲面 曲面合并 创建小特征 曲面镜像 重构完成 足球模型重构 点云数据 提取足球参数 创建五边形 创建六边形 创建混合曲面 创建球面 曲面偏移 曲面修剪 模型装配 模型渲染 中国印模型重构 图片 插入跟踪草绘 勾勒曲线 创建实体 创建拉伸特征 创建混合特征 渲染特征 印章完成 电熨斗模型重构 小平面特征 创建基准 重新造型创建曲线 曲线创建完成 创建造型曲面 曲面合并 曲面修剪 曲面创建完成 图片 创建实体 基于特征及约束的模型重建技术的不足 目前 基于特征及约束的模型重建技术对于具有规则复杂几何外形的产品 已不存在技术问题 但对于由自由曲面和复杂曲面组成的具有复杂几何外形的产品 例如汽车的外形覆盖件 其特征和约束识别还有许多技术问题需要解决 在实际产品中 产品外形多由多个子曲面经过过渡 拼接和裁剪等形成的复杂曲面 一方面增加了特征识别和数据分割的难度 另一方面其特征曲面之间也没有确定的几何约束关系 很难建立约束的数学模型 因此 对于复杂曲面 基于特征及约束的模型重建技术仍不成熟 3 3网格化实体模型 网格化实体模型通常是将数据点连接成三角面 四角面 六角面 片 形成多面体模型 与曲面模型相比 采用网格化实体模型表示物体形状能实现计算的自动化和产生较少的冗余 而且随着计算机硬件的发展和技术的进步 原来网格化需要消耗大量运算时间的情况已得到改善 因此 在某些应用中采用网格化实体模型代替曲面模型能简化造型过程 获得较高的效率 与曲面模型相比 模型的多面体表示及构建具有快速的特点目前在动画 虚拟环境 医学扫描 计算机游戏 快速成型技术等领域多边形网格表示已取代曲面模型表示 ANSYS软件 网格化实体模型 ANSYS软件是融结构 流体 电场 磁场 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件 由美国ANSYS公司开发 它能与多数CAD软件接口 实现数据共享和交换 如AutoCAD Pro Engineer等 是现代产品设计中的高级CAE工具之一 自20世纪90年代该软件进入我国市场以来 受到广大科研工作者的欢迎和重视 在我国造船 航空航天等领域得到广泛应用 ANSYS软件构成 软件主要包括三个部分 前处理模块 分析计算模块 后处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 用户可以方便地构造有限元模型 分析计算模块包括结构分析 流体动力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析以及多物理场的耦合分析 可模拟多种物理介质的相互作用 具有灵敏度分析及优化分析能力 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示 梯度显示 矢量显示 粒子流迹显示 立体切片显示 透明及半透明显示等图形方式显示出来 也可将计算结果以图表 曲线形式显示或输出 ANSYS软件 网格化实体模型 Propeller轮船 飞机上的螺旋推进器 Propeller轮船 飞机上的螺旋推进器 网格化实体模型缺点 对多面体模型 要将所有的数据点连接成面片 不仅计算量大 而且数据不可避免存在重叠 不同几何特征要求的网格尺寸也不相同 如曲率大的区域网格尺寸相对较小 较平坦区域的网格尺寸可以较大 平面区域 构建紧密的网格也是不必要的 数据节点和面片的简化很重要 应对网格化过程进行简化处理 排除不需要的节点和曲面片 多面体简化是研究热点和重点 3 4模型精度评价及量化指标 对重构模型的精度评价是逆向过程研究的一项重要内容 逆向产品性能达不到原设计要求 其中 重构模型不能准确还原原型是主要原因之一 目前仍无精度评价标准 对逆向模型的精度评价主要依靠一些能量化的指标 通过分析逆向工程的误差源 提出一些控制误差 提高模型精度的策略和方法 并以此为基础探讨模型精度评价的依据及方法 3 4 1逆向工程的误差来源 图3 5逆向工程的误差来源 误差 模型精度 测量误差 原型误差 制造误差 数据处理误差 造型误差 测头半径误差 3 4 2模型的精度评价 Question1 Question2 Question3 重构得到的模型和实物样件的误差到底有多大 所建立的模型是否可以接受 根据模型制造的零件是否与数学模型相吻合 重构的CAD模型是否表现产品实物 两者之间的误差有多大 问题分析 前两个问题评价数学模型的精度 即重构得到的CAD模型 第三个问题是评价制造零件的制造误差即形状误差 在产品逆向模型重构过程中 从形状表面数字化到CAD建模都会产生误差 评价一个逆向工程的精度或误差大小 直接检验手段是将最终的逆向制造产品和原实物进行对比 计算两者之间的总体误差来判断逆向产品的有效性和准确性 这可以通过坐标测量机来实现 但如果产品外形是复杂曲面组成的 两个产品的直接测量比较就存在问题 应寻求另一种间接地比较或检验方法 图3 6逆向工程的两个模型评价过程 将精度评价分成两个过程 1 比较实物模型和CAD模型的差异 回答问题1和2 2 检验制造产品和CAD模型的差异 回答问题3 两个过程的精度相加即为逆向工程的总精度或总误差 3 4 3模型精度量化指标 模型精度反映了逆向模型和实物以及模型和产品之间差距的大小 评价指标可分为整体指标和局部指标 整体指标指的是实物或模型总体性质 如整体几何大小 体积 面积以及几何特征间的几何约束关系 局部指标指的是曲面片与实物对应曲面的偏离程度 对规则几何产品 采用整体指标进行精度评价是适宜的 且易于实现 但对自由曲面组合而成的具有复杂几何外形的产品 其曲面之间的约束关系难以确定 只能采取局部评价指标 逆向工程中 从数据测量到实物加工完成 误差是不可避免地存在着 为提高精度 必须将各项误差减小或控制在产品的允许范围内 总的控制原则是满足产品的几何尺寸 装配和力学性能要求 在考虑技术措施时 应根据不同产品逆向要求采取不同的策略 当逆向产品出现偏差时 找出原因加以修正和控制 3 4 4控制误差提高精度的策略 3 4 4控制误差提高精度的策略 2 新产品开发 3 误差控制 4 测量自动化 5 基于特征的模型恢复技术 1 仿制产品 1 仿制产品 仿制产品分为功能仿制和外形仿制 机械产品的仿制主要是功能仿制 当然也包括外形仿制 目前 对国外先进产品的仿型设计仍是实物逆向的主流 但多年来我国仿制的产品 大多数达不到原产品的性能 原因是多方面的 由于误差使重构模型与原型在几何外形上存在差异 导致机械产品的力学性能发生变化 影响了性能的实现 例如轴承产品 滚子和滚道的几何接触直接影响接触应力的分布和应力集中的大小 但受测量技术的限制 零件的配合公差在测量时往往难以测准 仿制产品控制误差提高精度的策略 使重构误差减小 准确地重构原型是功能逆向产品的关键要减小重构误差 可选用激光或计算机断层测量技术 以减小测量误差 原型产品选用未使用过的产品 以减小磨损误差 对三维重构模型中几何特征明确的尺寸 可基于实物的外形几何尺寸进行修正 2 新产品开发 新产品的开发是以仿制产品为基础的 只有在对原产品充分消化吸收 掌握原始设计参数和设计意图的基础上 才谈得上创新发展 因此 新产品开发在一定程度上要求更高 必须了解几何结构的变化对力学性能的影响 因此 重构模型要求精确还原实物模型 为减小误差 目前的逆向工程采取提高测量精度 提高拟合精度等措施 3 误差控制 在误差来源中 一般情况下测量误差对重建模型的精度影响最大 因此控制减小测量误差是提高精度的关键 在测量过程中可以采取控制好测量环境 提高测量人员素质和技术水平等措施对测量误差源进行控制 同时 实现测量自动化和专门化 在模型重建过程中引入特征及约束关系 使逆向工程有效地集中于CAD CAM系统中 是误差控制中的关键技术 4 测量自动化 测量自动化就是计算机自动生成测量程序 控制测量机自动完成测量任务 消除人为误差 5 基于特征的模型恢复技术 原始设计参数还原是逆向工程的基础 如何从测量数据中确定原设计参数是一个特征识别问题 参考特征造型的特征定义方法 原设计参数可定义为几何特征参数 形状特征参数 精度特征参数 性能特征参数 制造特征参数等 在三维模型重构中 实物的几何形状特征设别是建模的关键 它能为设计者提供准确的几何信息 可以对测量数据直接进行修正以消除误差 对于具有轮廓 等半径的倒圆 对称 圆孔等明显特征的零件 以及由平面 柱 锥 球 环等基本体素拼合而成的零件 特征提取较简单 但对于具有二次曲线 变半径倒圆 椭圆