反求工程技术介绍

1、数据获取数据获取数据预处理数据预处理曲面拟合与编辑曲面拟合与编辑 cad模型模型数据获取方法数据获取方法非接触方法非接触方法接触方法接触方法光学光学声学声学磁学磁学三角形法三角形法距离法距离法结构光法结构光法图象分析法图象分析法机械手机械手坐标测量机坐标测量机干涉测量法干涉测量法数据匀化：样件本身复杂的拓扑结构和固定样件所用的夹具都会引起测量数据的局部缺失，这可能会给特征提取和曲面重构带来很大困难。在进行特征提取前，应通过一定的方法恢复丢失的测量信息，这就是数据匀化或数据补全技术。比较均匀分布或符合零件表面曲率变化而呈现疏密分布的测量数据，对于后续的特征提取和曲面重构具有重要的意义。数据补全过

2、程和实例数据压缩：随着激光测量技术的广泛应用，测量结果往往是大规模的，因此可能存在大量的冗余数据，在曲面造型前需要按一定要求减少测量点的数量，即进行数据压缩。不同类型的数据其压缩方法也不同。均匀压缩（8298个点）扫描点（68531个点）均匀压缩处理（0.31mm压缩至1.13mm）3.特征提取与数据分块技术 特征提取主要针对平面、柱面、球面、锥面等二次曲面的识别与点云数据分块，其主要方法可大致分为三种：基于边的方法（edge-based method）、基于面的方法(surface-based method)和混合法（hybrid method）。 数据分块是指将点云数据划分成互不重叠、特征

3、单一的连通区域。由区域分割的定义不难看出，数据分块与特征提取具有其内在的联系，两者密不可分，属“蛋与鸡”的问题。通过数据分块进行曲面重建是反求工程建模的基本方法。 基于面的方法主要应用二次曲面法矢、曲率(平均曲率和高斯曲率)具有一定规律的特性进行区域分割。基于面的方法又可细分为基于二次曲面曲率特殊性的方法和拟合误差控制的方法。 基于边的方法主要针对图象数据的几何特征提取与区域分割。分割特征包括：尖边（crease edge）、跳跃边（jump edge）、光顺边（smooth edge,virtual edge）三种边界上的点及曲面上的点，根据边界数据点曲率的特殊性（极值点，不连续点）识别cr

4、ease edge与jump edge上的点，然后利用边界数据点将图像数据分割成互不连通的独立区域。正象所有的基于边的区域分割方法一样，这种方法不能识别smooth edge，而且识别的边界通常不封闭，因此该方法很难获得良好结果。 误差控制和几何约束求解多数产品零件外形含有大量二次曲面，并且它们之间一般满足一定的位置约束关系，而在以往的特征曲面拟合算法中只以单一曲面的拟合误差最小作为优化条件。实际上复杂的反求工程建模提出了要求满足一定几何约束关系的特征曲面整体优化计算与特征分离问题， 4.曲面重构技术 曲面重构是反求工程的最重要的一步，也是反求工程cad建模的主要目的之一。重构曲面的品质和精度

5、直接影响最终产品的cad模型的优劣。 反求工程中的曲面造型不同于传统的曲面设计造型，它有着自身的特点：数据海量、不规则散乱分布、大量噪声和冗余数据、多次测量结果的拼合、特征提取、数据分块等。按曲面模型的表达形式分类，反求工程中的曲面重构方法大致分为以三角bezier曲面为基础的非拓扑矩形曲面构造方案，以四边域b样条曲面、nurbs曲面为基础的曲面造型方案，以及直接函数逼近和神经网络理论等综合方法。 三角曲面造型：（1）bernstein-bezier插值和全局g1协调；（2）hope分片细分；（3）其他局域插值 四边域曲面造型：（1）b样条曲面插值和逼近;（2）nurbs曲面插值和逼近;（3）

6、扫略、拉伸、旋转面生成。 曲面编辑和分析：（1）求交、裁剪、过渡和延伸;（2）曲面光顺、曲面局部变形;（3）曲面曲率、法矢分析、误差计算以及最佳匹配分析等。三角形网格三角bezier曲面“点云”和复杂边界约束局部b样条逼近插值5.反求工程cad造型软件 随着反求工程技术的不断发展和应用，商业化的反求工程软件也不断涌现并日渐成熟。目前较为成熟的反求工程软件有：icem/surf、copycad、paraform、surfacer以及re-soft等。目前，用这些反求工程软件在解决实际问题时存在以下问题： 不具有参数化的功能，要进行模型的修改和创新设计很困难。paraform在制造领域内的反求建模

7、中使用非常广泛，是比较有特色的反求工程软件，其主要特点是能够实现特征修改和曲面变形功能。其网格编辑与全局变形是通过功能强大的网格编辑能力，基于曲线、曲面或刷子的延伸或雕刻来实现的。因此paraform具有一定的参数化和变形设计功能，但是它是基于网格而不是基于特征来实现变形设计的。其他的反求工程软件都还没有引入参数化的概念，不具有参数化反求建模的功能。 反求建模自动化程度低，人工交互多，建模效率低。用目前的反求软件建模时，在基于点云的特征提取、数据分块、曲面重建等操作和计算时都需要大量的交互操作，建模人员的经验和熟练程度对模型的质量和建模效率都有很大的影响。 韩国某公务车车门内饰板（熟练人员57

8、天，非熟练人员2030天）国产某摩托车饰板（熟练人员35天，非熟练人员1520天）核心技术和功能有待进一步开发和完善。主要包括：有效去除噪声数据补全及可控制压缩点云快速三角化内外边界特征提取关键工艺特征提取和描述特征尖锐边提取二次曲面约束提取旋转曲面特征提取拉伸曲面特征提取基于特征提取的数据分离自由曲面分块策略自由曲面约束逼近曲线约束逼近曲面小波光顺复杂多边域混合约束逼近任意局部曲面再设计曲面交互裁剪算法曲面光顺性分析曲面重构误差分析最佳曲面匹配分析基于点云的细分曲面造型曲面延伸、求交、裁剪和过渡曲面全局控制分割及stl输出数据、模型输入/输出可靠性基于折线多边形区域的分离基于平面样条曲线的分

9、离基于平面的分离6.反求工程cad造型软件re-soft基于折线多边形区域的分离过渡区域分离过渡曲面计算球面特征提取柱面特征提取平面特征提取等半径过渡特征特征提取及数据分离变半径过渡特征提取及数据分离过渡区域特征提取（去噪声前）过渡区域特征提取（去噪声后）概率统计分析概率统计分析含噪声的原始提取特征信息去除噪声后的原始提取特征信息大规模扫描测量“点云”平面特征提取球面特征提取基于“点云”和特征的3d造型三角曲面生成三角网格生成边交换编辑前边交换编辑后曲面缝合前曲面缝合后边界补凸后曲面搭接处理前曲面搭接处理后局部平滑处理前局部平滑处理后扫掠曲面截面线拉伸曲面拉伸曲线默认方向直纹面旋转曲面母线蒙皮

10、截面线截面线导向线导向线裁剪曲面与一组平面求交曲面/平面求交、裁剪曲面/曲面求交曲线光顺前曲线光顺后 垂直于脊线切片 任意平面切片(a)扫描测量点云(b)内、外边界信息基于“点云”的边界特征提取两平面之间切片边界检查曲面生成孔斯混合前孔斯混合后插值点数调整光滑插值后光滑插值前复杂nurbs重构复杂nurbs曲面裁剪基于复杂裁减的局部插值复杂裁减计算曲面光顺前曲面光顺后裁剪曲面拼接曲面曲面光顺前曲面光顺后重构误差等值线曲线与nurbs曲面的距离测量点与nurbs曲面的距离曲面连续性分析重构曲面曲率分析 汽车反求设计应用举例（汽车行业） 摩托车反求设计举例（浙江吉利） 其他工业应用实例（医学、玩具

11、等）7. 反求工程cad建模软件re-soft应用举例 roller根据参数化建模实现方法，把参数化设计和尺寸约束表达的工作做了分类，主要分为三类不同的实现方法：基于构造过程的方法、数字方法和基于人工智能的方法。 基于构造过程的方法使用设计流程的构造序（constructive sequence）达到对几何模型修改的目的，系统记录用户定义几何形体所执行的交互式操作。此方法不能直接地应用到参数化cad系统中，因为它要求用户沿着前面记录的构造过程重新设计几何模型，因而设计过程不具弹性，达不到参数化系统所要求的为设计者提供对模型修改具有尽可能大的弹性度的目的。 数字方法又称代数方法，它是将约束转化为

12、一系列的同步方程，再利用newton-raphson或其他数字及优化方法进行求解的过程。由于它的功能强大及其普遍性，数字方法为目前的商业化cad系统所广泛采用。数字方法对初值要求特别高，此外，数字方法一般要求变量数和约束方程数相等，如果两者不等，即超约束或欠约束的情况下，需要采用一些特殊技术来处理。 基于人工智能的方法又称基于知识的方法，使用基于规则的几何推理机（rule-based geometric reasoning）按给定的一串约束推导出所要设计的几何外形。基于人工智能和几何学的设计系统是未来工业设计系统的发展方向。人工智能的方法要求设计者预先定义规则库（rule base），然后推理

13、机根据当前给定的约束在规则库中搜寻（searching）和匹配（matching），最后得到满足约束关系的几何实体。基于人工智能的方法很容易表达复杂的约束，但实际应用中也存在缺点，主要是它的推理所耗的计算时间较长，且不能处理循环约束问题，极大地影响了它的应用普遍性。 实际的参数化cad系统往往不是通过上述某种方法单一实现的，而是两种或三种方法的综合，克服各自的不足，最大限度地满足工程需要。 基于三角化的数据压缩点云数据点云分块简单曲面（二次曲面、拉伸、旋转曲面）分块重建建立模型的连接关系表边界确定以及带约束的曲面逼近b-rep模型生成以及模型美化过渡区域重建结束开始多视融合三维cad模型传统反

14、求建模流程实现精确建模的需要 现有反求工程建模方法很难得到实物的精确cad模型：（1）由于测量设备的精度或噪声的存在使得测量数据存在不同程度的误差；（2）在特征提取阶段，由于所采用的计算方法是近似的，因此得到的特征参数也是近似值；（3）在反求工程曲面重建中，一般采用曲面逼近、拟合等近似手段来得到曲面模型。在一些对精度有较高要求的场合，模型的某一个参数的不准确有可能导致其性态如应力分布、动力学性能等发生很大的改变，这在工程中是不允许发生的。通过反求工程的参数化，希望改变这一状况：参数化技术可以在反求工程中完成特征提取和数据分块后，能够修正提取到的特征参数，使曲面重建时能够利用精确的参数进行建模，

15、而且在模型生成后也可以对特征参数进行修改，或者将不满意的参数修改到理想参数，得到更为理想的cad模型。实现产品创新设计的需要 传统的反求工程建模方案中一种是建立彼此间相互独立的曲面片，将曲面片输入到参数化的三维cad造型软件进行补充和完善；另一种方案是在反求工程建模的后期建立统一b-rep表达的cad模型，将这一模型输入到cad造型软件中实现参数化修改。这两种方案都无法直接在反求工程中实现产品参数化的创新设计。 通过参数化，可以在反求建模过程中实现对模型特征参数的直接修改和优化，得到不同参数系列的产品模型，实现产品的创新设计，加快新产品的开发速度。提高产品反求工程建模的效率 传统的反求工程建模

16、方法没有提供一个明确的建模策略，很大程度上要靠造型者的经验，不同的造型人员在重建同一个模型时可能采取截然不同的反求策略，其效率也会大为不同。将参数 化引入反求工程是希望能在点云特征提取和分块后建立一个相当于二维草图似的反求建模求解策略，这个策略主要包括按不同特征区域进行的点云分块及块与块间的连接关系表：每一块点云代表一个曲面特征，块与块间有一定的连续性要求。在这样一个求解策略的指导下，可以对反求建模的整个过程有一个清晰的思路，不再同以前那样没有比较明确思路的进行求解和建模，反求建模的效率自然大为提高，同时模型的精度也会提高。 例如：有一个圆柱面，如果不利用特征识别的方法将其圆柱特征识别出来而是

17、将其当成一般自由曲面来处理，即使最后得到的自由曲面可以很好的逼近圆柱面，但曲面的性态已经不同，曲面重建的时间也有差别。 参数化技术已经比较成熟 作为概念化设计思想的有效实现手段，参数化建模技术已经有三十多年的发展历史。从早期的具有里程碑意义的sketchpad系统1963，到其后的thinglab1981，juno1994等基于约束的cad系统的相继开发，参数化建模技术一直在不断的发展和完善。 1988年美国ptc公司推出以参数化特征造型为核心技术的新一代cad系统pro/engineer，至此，参数化技术从实验研究阶段走向工程应用领域。 目前，参数化技术已经在许多商业化建模cad系统中得到广

18、泛应用，如ug、mdt、i-deas、catia等。 参数化核心技术，如约束表达、求解及维护技术、欠约束和过约束的自动识别及处理技术等都得到了深入的研究和发展。一些新的思路和方法被提出，如利用人工神经网络的方法或基因算法求解约束问题，都显示出很好的应用前景。尤其是人工智能技术的融入，使参数化系统开始走向智能化的发展道路，是未来cad系统的发展趋势。 参数化建模技术在诸如3d约束求解器的建立和约束求解效率的提高等方面还有待于进一步深入研究。 现有的re技术为实现其参数化提供了基础 参数化反求工程建模的关键是建立一个相当于草图的求解策略，以后的工作都是在求解策略的指导下进行的。求解策略的建立是通过

19、基于点云的特征提取与识别、基于特征的点云分块等技术来完成的。 带约束的曲面重建技术也将成为参数化反求工程的关键技术之一。在参数化反求工程建模过程中，分块重构曲面必须满足与已有曲面在边界上的一定连续性要求，这时带边界约束的点云逼近或拟合技术在曲面重构中将发挥关键的作用。在反求工程中，这些技术已经得到不同程度的应用。 自由曲面的参数化（满足约束变形求解）是需要突破的一个难点。传统的非均匀有理b样条(nurbs)曲面模型，仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变其形状，至多利用层次细化模型在曲面特定点进行直接操作；一些基于参数曲线的曲面设计方法，如扫掠(sweeping),蒙皮(skinning),旋转

20、(revolving)和拉伸(extruding),也仅允许调整生成曲线来改变曲面形状。与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法即曲面的自由变形ffd（free form deformation）的研究目前正成为计算机图形学的研究热点，一些算法如基于弹性变形等物理模型(原理)的变形法，基于求解约束的变形法，基于几何约束的变形法等被提出来。 反求工程的其他技术如数据预处理等也将成为参数化反求工程中不可缺少的技术。有这些技术做基础，反求工程建模实现参数化具有了一定的可行性。 参数化re与正向设计参数化的实现方法相似 虽然反求工程中引入参数化技术比正向设计参数化要困难的多，但它们在实现方法上有许多

21、相同的地方。下图给出了正向设计与反求工程参数化实现方法的比较。可以看到，在参数化反求工程中，约束建立后的操作流程与正向参数化设计是一样的。区别只是在建立约束的方法上有所不同。因此反求工程参数化可以参考正向设计参数化的一些比较成熟的算法和结构，加快反求工程参数化的实现步伐。 模型交互操作约束建立约束求解器cad模型a.正向参数化设计数据流程约束交互操作点云数据分块约束识别与建立约束求解器cad模型模型交互操作约束交互操作b.反求参数化建模部分数据流程 正向设计与反求建模参数化实现方法比较五、参数化五、参数化rere系统的实现方法系统的实现方法 参数化反求工程是设计与反求的完美结合，代表了反求工程

22、的发展趋势。然而就目前的研究基础来看，反求工程建模和参数化方法中的诸多方面还需要不断的改进和创新，一些新技术、新算法还需不断的提出和研究以适应参数化反求工程的需要。主要关键技术包括：特征提取与点云分块技术 现有的特征提取与数据分块多是基于交互的方式、在三角化的基础上进行的。参数化反求工程需要更加自动化的、直接基于点云的特征提取与分块技术。可以考虑建立一个开放式的几何特征库，其中包含二次曲面特征模板（平面、柱面、锥面、球面等）、过渡曲面特征模板（等半径过渡、变半径过渡）、简单曲面特征模板（扫略面、旋转面、拉伸面等）和一些常用的复合特征模板（如凸台、沟槽等）等。将这些特征提取出来后剩下的就是自由曲

23、面特征。特征的自动提取可以是基于误差控制范围内点数最多的原则或者别的规则进行，分块区域及曲面类型可以用树的结构来描述。特征提取与数据分块是相辅相成的，所有的特征提取出来后，数据分块也就自动完成了。这样就建立起了一个初步的求解策略，这一策略可以通过交互修改来满足建模的要求。 约束建立与求解技术 正向设计中的约束包括图元自身的尺寸约束和图元间的结构约束及外部施加的工程约束，尺寸约束和结构约束是在草图设计过程中，随图元的增加而自动识别和建立起来的，工程约束则是外部施加的设计变量间的约束关系。不同于正向设计中的约束建立，参数化反求建模中的约束主要是在特征提取阶段建立的。具体过程是在特征识别和提取的同时

24、，自动识别和建立特征的内部尺寸约束和特征间的部分结构约束，其他未识别出的特征间的约束关系如特征间的边界条件约束等，则通过交互方式由用户添加。约束建立以后，对于其后的约束求解过程，正向设计和参数化反求是相同的。约束求解技术的核心是约束求解器的建立。如何选取合适的约束求解策略，建立合理的约束求解器，是参数化反求建模的核心研究内容之一。 带约束的曲面重建技术 在模型的求解策略建立起来后，曲面的类型和各自的区域将可以清晰的呈现。曲面重建应该按一定的顺序进行：先是二次曲面，然后是简单曲面，其次是自由曲面，最后是过渡曲面和曲面求交得到曲面边界。带约束的自由曲面重建技术将是曲面重建中的难点。 n边域曲面重建

25、及其向标准化 点云数据分块重构的反求建模方法必然会导致n（五边及其以上）边域曲面重建的情况。目前这方面有一些研究还未取得突破性的进展，更没有现存的和适用的算法。 n边域曲面不是标准的曲面表达形式，要做到模型的统一表达，需要将其转化为标准的曲面表达，如：nurbs曲面等。 参数化反求工程建模系统 参数化反求建模系统包括系统功能模块和系统数据结构模块两大部分。其中系统功能模块包括三维测量，数据预处理，特征识别及隐含约束添加，约束交互编辑，约束完备性检查，约束求解，几何模型交互修改等部分。系统数据结构模块包括测量数据库、参数化几何特征库，约束类型库，参数化几何模型等部分。系统框架如图所示。 实物零件三维测量数据预处理特征提取与隐含约束自动添加约束交互编辑约束求解约束完备性检查几何模型的交互修改参数化几何模型参数化几何特征库约束类型库否是参数化反求工程实现框图测量数据库六、参数化六、参数化rere的难点分析的难点分析 参数化