《CAD CAM技术》-CAD CAM技术第四章

4.1几何建模技术4.1.1建模的概念建模(modeling),即对于现实世界中的物体，从人们的想象出发，利用交互的方式将物体的想象模型输入计算机，然后计算机以一定的方式将模型存储起来，这种过程称为建模。建模技术是指使用计算机能够理解的方式描述物体之间的空间关系。CAD/CAM系统中的建模技术是将设计产品的外观及其属性转化为计算机内部以数字化表达的原理和方法，是定义产品在计算机内部表示的数字模型、数字信息以及图形信息的工具。4.1.2线框建模一、线框建模的原理二、线框建模的表示方法下一页返回4.1几何建模技术线框模型在计算机内部是以边表、点表来描述和表达物体的。图4-1所示为一物体的线框模型。图中共有两个表，一个为顶点表(表4-1)，描述每个顶点的编号和坐标;一个为棱边表(表4-2)，记录每一棱边起点和终点的编号以及边的几何元素类型的代码。三、线框建模的特点这种描述方法的优点在于结构简单，信息量少，计算机内部容易表达和处理，对硬件要求低，模型的几何信息基本用线段表达。但缺点是，从数据存储结构来看，它没有面的信息，不能解决两个平面的交线问题;没有体的信息，不能对立体图进行外观特征处理;并且容易产生多义性，使用一种数据表示的一种图形，有时也可能被看成另外一种图上一页下一页返回4.1几何建模技术形;无法判断模型内和模型外，对于下游的CAM是没办法实现编程的。4.1.3表面建模一、表面建模原理表面建模(SurfaceModeling)又叫曲面建模，是将物体分解为组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、边线和表面的有限集合来表示和建立物体的计算机内部模型。图4-3所示就是一个曲面的拼接过程。曲面建模的数据结构如图4-4所示。曲面建模的产生主要由于航空和汽车制造业的发展，因为用线段、圆弧等这样简单的图形元素已经无法描绘飞机、汽车的外形，必须用更先进的建模技术来对曲面进行描绘。另外，曲面建模技术为反求工程(ReverseEngineering,RE)的CAD上一页下一页返回4.1几何建模技术建模提供了基础。二、常见的曲面如图4-6所示，对于一般常用的曲面，可以采用几种简化曲面生成的方法。不同的CAD/CAM系统有不同的曲面构造命令和使用方法，但是曲面的基本理论主要基于Coons曲面、Bezier曲面、B-Spline曲面和NURBS曲面四种数学化方程式。1.孔斯曲面(CoonsSurface)它也被称作孔斯缀面(CoonsPatch)。单一的Coons缀面是通过一组具有四条边界的曲面片来表示曲面，这些曲面片的边界曲线由u或:分段参数方程表示，边界曲线段的端点就是曲面片的角点，对应于参数上一页下一页返回4.1几何建模技术的整数值，如

图4-7所示。孔斯曲面形状的优点是:穿过线框架曲线或数位化的点能够形成精确的平滑曲面。换句话说，曲面必须穿过全部的控制点。其缺点是:若想要更改曲面的形状，就必须更改其高阶控制曲线。2.Bezier曲面(BezierSurface)Bezier曲线是由特征多边形控制的，Bezier曲面是由特征网格顶点控制的，二者在表达方式上相似。实际应用Bezier曲面时，除非为了保证特征网格对曲面的控制，否则m和n不宜过大。单一Bezier曲面，实际上是由熔接全部相连的直线和由网状的控制点所形成的特征网格而建构出来，如

图4-9所示。3.B样条曲面(BSplineSurface)上一页下一页返回4.1几何建模技术构造B样条曲面的方法与构造Bezier曲面的方法类似，只是基函数采用了B样条基函数。m*n次B样条曲面的矢量定义为:当m=n=1时，为双一次B样条曲面;当m=n=2时，为双二次B样条曲面;当时，为双三次B样条曲面，如

图4-10所示，依此类推。4.NURBS(非均匀有理B样条)曲面NURBS曲面又称为非制式曲面，它与NURBS曲线的定义类似，给定一张(m+1)*(n+1)的网格控制点P以及各网格控制点的权值wij(i=0,1,…，m；i=0,1，...，n)则确定的NURBS曲面的表达式为上一页下一页返回4.1几何建模技术三、曲面建模的特点优点:①包含了面的信息，能构造复杂的曲面，可以进行着色处理，计算面积，可以帮助CAM编程。②可以利用建模中的基本数据进行有限元划分，以便进行有限元分析或利用有限元网格划分的数据进行表面造型。缺点:①虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，所以也会产生对实体二义性的理解。②曲面建模事实上是以蒙面的方式构造零件形体，因此容易在零件建模中漏掉某个甚至某些面的处理，这就是常说的“丢面”，不能保证零上一页下一页返回4.1几何建模技术件的建模精度。③能计算面积，但是不能计算质量等参数。在CAM数控加工中，在对多个面的加工时，无法检验是否发生干涉。因此需要三维实体建模技术。4.1.4实体建模实体建模(SolidModeling)是在计算机内部以实体的形式描述现实世界的物体。它具有完整性、清晰性和准确性。一、实体建模的基本原理与方法1.实体建模的原理实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体、旋转体、拉伸体等，通过集合运算(拼合或布尔运算，上一页下一页返回4.1几何建模技术如求和、求差、求交)建立三维实体的过程。实体建模主要包括两部分内容，即体素的定义与描述和体素之间的布尔运算。2.实体建模的方法(1)体素的定义与描述体素是指由有限个参数描述的基本形体，或由定义的轮廓曲线沿指定的轨迹曲线扫描成的形体。体素的定义方式有两种:一种是基本体素法，可以通过输入少量的参数定义。另一种是扫描法，分为平面轮廓扫描和三维实体扫描。平面轮廓扫描法是指将二维平面图形，沿指定的路径平移或绕任意一个轴线旋转得到扫描体的方法。三维实体扫描法是用一个三维实体作为扫描体，沿上一页下一页返回4.1几何建模技术某个曲线移动，也可以是绕某个轴的转动，或绕某一个点的摆动而得到实体的方法。(2)布尔运算在所需的体素通过以上方法生成后，经过集合论中的交(Intersection)、并(Union),差(Difference)等运算，得到的新的实体模型，称为布尔模型，而这种运算叫做布尔运算，如图4-15所示。二、实体建模的计算机内部表示方法实体建模与线框建模、曲面建模不同，在计算机内部存储的数据信息不是简单的点、线、面的信息，而是比较完整地记录了物体生成过程中各个方面的数据。1.边界表示法(BoundaryRepresentation,B-Rep)上一页下一页返回4.1几何建模技术边界表示法是以物体封闭的边界表面为基础，定义和描述几何形体的方法。如

图4-16所示的物体，将其按照实体、面、边、顶点描述，在计算机内部按网状的数据结构进行存储。在边界表示的建模系统中，通常采用翼边数据结构(WingedEdgeDataStructure,WEDS)。翼边数据结构是计算机图形学中描述多边形网格的一种常用的数据边界表示。它明确地描述了三个或者更多表面相交时的表面、边线以及顶点的几何及其拓扑特性。2.构造立体几何法(ConstructiveSolidGeometry,CSG)构造立体几何法，简称CSG法，是1977年由罗切斯特大学的上一页下一页返回4.1几何建模技术Voeleker和Bequicha首次提出的。它的基本思想是通过一些简单体素(如长方形、圆柱体、球体、锥体等)的布尔运算生成复杂实体的方法。这种方法的数据结构为树状结构。如

图4-18所示，一个物体的CSG表示为一个有序的二叉树，通过这种表示方法，无论物体多么复杂，都可以由一些基本体素按照一定的顺序拼合而成的。该方法适用于直线较多、几何形状比较规则的形体的表示。CSG表示法无二义性，一个CSG树能够完整地表达一个复杂形体，但对于同一形体，又可以用不同的CSG树来描述，这说明了构造立体几何法具备有一定的灵活性，如

图4-19所示。3.混合模型(HybridModel)上一页下一页返回4.1几何建模技术混合模型是建立在边界表示法与构造立体几何法的基础上，在同一系统中，将两者结合起来，共同表示实体的方法。其基本思路是在原CSG二叉树的基础上，在每个结点上加入边界表示法的数据结构。具体表现如

图4-20所示，CSG法为系统外部模型，作为用户窗口，便于用户输入数据，定义实体体素;B-Rep法为内部模型，它将用户输入的模型数据转化为B-Rep的数据模型，以便在计算机内部存储实体模型更为详细的信息。因此，混合模式是在CSG系统基础上的逻辑扩展，起主导作用的数据结构仍然是CSG结构。4.空间单元表示法空间单元表示法也叫网格分解法，是通过将物体分解成小的体积或者单元来表示。这些单元一般是有一定大小的空间立方体。如

图4-22所示。上一页下一页返回4.1几何建模技术在该方法中，为了提高分辨率，需要减小单元格尺寸，这就需要大量的存储空间。三、三维实体建模的特点表4-4所示为线框建模、曲面建模、实体建模的优缺点比较。上一页返回4.2特征建模技术4.2.1特征的定义与分类一、特征的定义表4-5罗列了各个国际学术单位提出的特征的定义。二、特征的分类关于特征的分类，各国学者也有不同的观点，它取决于应用的领域和工程背景。综合这些分类方法，从产品整个生命周期来看，从设计、制造、检测甚至管理等各个阶段，可将构成零件的特征分为六大类。图4-23所示为零件形状特征的分类。①管理特征。②技术特征下一页返回4.2特征建模技术③材料特征。④精度特征。⑤形状特征。⑥装配特征。2.形状特征形状特征的分类与特征的定义一样，取决于相应的应用领域及零件类型。(1)体特征(2)过渡特征(3)分布特征根据形状特征在构造零件中所起的作用不同，可分为基本特征和附加上一页下一页返回4.2特征建模技术特征两类。(1)基本特征用来构造零件的基本几何形体，包括零件的主要形状、体积或质量，是最先建立的特征，也是后续特征的基础。①简单特征。指圆柱体、圆锥体、成形体、长方体、圆球、球缺等简单的基本几何形体。②宏特征。具有相对固定的结构形状和加工方法的形状特征，其几何形状比较复杂，而又不便于细分为其他形状特征的组合。(2)附加特征这是依附于基本特征之上的几何特征，是对基本特征的局部修饰，反映了零件几何形状特征，也可依附于另一附加特征。上一页下一页返回4.2特征建模技术根据制造方法不同，特征可以分为铸、锻、焊、机加工和注塑成型等;按零件类型不同，可以分为轴类零件、盘类零件、箱体类零件等;按照零件的复杂程度分，可分为简单特征和复合特征。简单特征为独立的形状特征;复合特征为简单特征的组合结构，如周向均布的孔、矩形阵列的孔等。图4-24为轴类零件的基本特征。4.2.2特征建模的方法与框架一、特征建模方法1.基于特征的设计(DesignbyFeatures)基于特征的设计也叫预定义特征，即直接用特征来定义零件的几何结构，几何模型可以由特征生成。两种主要的基于特征的设计方法:(1)特征分割造型上一页下一页返回4.2特征建模技术(2)特征合成法2.特征识别(AutomaticFeatureRecognition)特征识别也叫后定义特征，即在原几何造型系统中获得的几何模型上进行特征识别与提取，首先建立一个几何模型，然后用程序处理这个几何模型，直接从其数据库中获得这些输入信息。3.特征设计与识别的集成在并行工程环境中，如果这两种方法单独使用，或者以严格的顺序方式使用，并不能完美地支持产品零件特征模型的构建。解决的方法是将两种方法的结合，即基于特征的设计与特征识别的集成建模方法。二、特征建模的框架特征建模的框架结构如图4-26所示，其中，形状特征、精度特征、材上一页下一页返回4.2特征建模技术料特征分别对应各自的特征库，从中可获取特征描述信息。4.2.3特征模型的表示与数据结构一、基于特征的零件信息模型的总体结构基于特征的零件信息模型的总体结构如

图4-27所示，它表示了零件信息模型的分层结构，即零件层、特征层和几何层三个层次。二、特征模型的数据结构1.形状特征模型的数据结构形状特征模型的数据结构如

图4-28所示。2.精度特征模型的数据结构精度特征模型的信息内容大致分为三部分:①精度规模规范信息。上一页下一页返回4.2特征建模技术②实体状态信息。③基准信息。精度特征模型的数据结构见表4-6和表4-7。3.材料热处理特征模型的数据结构材料热处理特征模型的数据结构见表4-8和表4-9。4.管理特征模型的数据结构5.技术特征模型的数据结构上一页返回4.3参数化建模技术4.3.1参数化设计一、参数化设计的概念参数化设计(Parametricdesign)是一种设计方法，采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型，在求解几何约束模型时，采用顺序求解的方法，一般要求全约束。二、参数化设计的相关概念1.轮廓轮廓由若干首尾相连的直线或曲线组成，轮廓上的所有直线段或曲线段相互之间连接成一个封闭的图形，轮廓线之间也不能断开、错位或者交叉。2.约束下一页返回4.3参数化建模技术①拓扑约束(也称结构约束)。②尺寸约束。③参数约束。3.尺寸驱动图4-30所示为连杆尺寸驱动。4.数据相关与模型关联4.3.2参数化建模参数化建模技术，顾名思义是在CAD系统环境下建立可为参数化驱动的三维实体。它是以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，设计者首先根据设计意图进行草图设计，勾画出设计轮廓，建立各设计元素之间的约束关系，然后通过输入精确尺寸来完成最终设计。上一页下一页返回4.3参数化建模技术一、参数化模型的建立1.建立几何拓扑模型2.参数化定义3.推导或列出参数表达式主要是找到主要驱动尺寸和其他几何尺寸的数学关系式，保证其他相关尺寸能够正确地随主要尺寸的变化而变化。可以根据设计要求列出比例关系，或者采用其他数学公式来建立。4.编制程序编制计算机程序实现参数化设计。这里在进行参数化定义的时候需要注意的是:注意标注出参数的设计含义，例如模数、齿数;参数的标注应该与工程标注保持一致;参数序列上一页下一页返回4.3参数化建模技术与本身的几何尺寸序列数据要一一对应;参数应选择工程图中关键尺寸;参数定义避免出现重复、干涉和过约束的情况。二、参数化建模的特点1.基于特征2.全尺寸约束3.尺寸驱动设计修改4.全数据相关三、参数化设计的基本要求及应用范围1.参数化设计的基本要求①能够检查出约束条件不一致，即是否有过约束和欠约束情况出现;②算法可靠，即当给定一组约束后能自动求解出存在的解;上一页下一页返回4.3参数化建模技术③求解效率高，即交互操作的求解速度要快，使得每一步设计操作都能得到及时的响应;④在形体构造过程中允许逐步修改和完善约束，以便反映实际产品的设计过程;⑤参数化模型的构造。如前所述，产品的参数化模型应当由尺寸信息和拓扑信息组成。尺寸约束和拓扑约束的模型构造的先后次序，也就是它们之间的依存关系。2.参数化建模的应用范围上一页返回4.4装配建模技术4.4.1概述一、装配模型与模式装配模型是一个支持产品概念设计到零件设计，并能完整传递不同装配体之间的设计参数、装配层次和装配信息的模型，它是产品设计过程中的数据管理核心，是支持产品设计灵活变动的工具，建立装配模型的目的是为面向装配的产品设计提供信息来源和存取机制。常见的装配建模的方式有:1.多组件装配2.虚拟装配二、装配建模的主要任务1.实现产品设计概念到功能结构的映射下一页返回4.4装配建模技术2.实现数字化虚拟装配3.可装配性分析与评价4.4.2装配模型的结构1.层次关系产品的计算机装配模型的层次描述如

图4-33所示，一个复杂的产品可以看成由多子装配组成，每个子装配根据其复杂程度又可分为下一级子装配件，如此类推，直至零件。2.装配关系装配关系是零件之间的相对位置和配合关系的描述，它反映零件之间的相互约束关系。装配关系的描述是建立产品装配模型的基础和关键。根据机械产品的特点，可以将产品的装配关系分为三类:几何关系、连上一页下一页返回4.4装配建模技术接关系和运动关系，如

图4-35所示。3.参数约束关系产品设计过程中，其中一类参数是由上至下传递的，本层设计部门无权直接修改，这类参数称为继承参数。还有一类参数既可以从继承参数中导出，也可以根据当前的设计需要直接生成，将这类参数统称为生成参数。当继承参数变化时，与之有关的生成参数也要随之变化。4.4.3装配建模的关键技术一、装配约束技术1.零部件自由度零件(刚体)在空间有6个自由度，即绕x,y,z三个坐标方向的移动自由度和绕x,y,z三个坐标轴旋转的转动自由度。上一页下一页返回4.4装配建模技术2.装配约束(1)匹配约束(2)对齐约束(3)平行约束(4)垂直约束(5)相切约束(6)距离约束(7)角度约束二、装配树管理技术在一棵装配树中就记录了零部件之间的全部结构关系、生成过程以及零部件之间的装配约束关系。如

图4-41所示。上一页下一页返回4.4装配建模技术4.4.4装配建模的方法与作用一、自底向上装配建模(Bottom-Up)自底向上建模是与产品的实际装配过程相一致的传统建模方法，符合人们的思维过程，适合初学者使用。简单来说，就是由最底层的零件开始装配，然后逐级逐层向上进行装配，如

图4-42所示。二、自顶向下装配建模(Top-Down)自顶向下建模是模仿产品的开发过程，由产品装配开始，然后逐级逐层向下进行设计。首先确定顶级意图，诸如产品的设计目的、意图、产品功能要求、设计任务等方面的内容;然后设计装配树的结构，把装配的各个子装配或部件确定出来，属继承顶级设计意图的次级设计意图;其次确定整个装配重要的设计参数，即骨架模型;接下来进行系统上一页下一页返回4.4装配建模技术设计和详细设计，采取由粗到精的策略，先设计粗略的几何模型，在此基础上再按照装配规划，对初始轮廓模型加上正确的装配约束;采用相同方法对部件中的子部件进行设计，直到零件轮廓出现;最后采取参数化或变量化的造型方法进行零件结构的细化，修改零件尺寸，完成零件的设计，如图4-43所示。1.自顶向下设计过程的特点①自顶向下设计可以首先确定各个子装配或零件的空间位置和体积、全局性的关键参数，这些参数将被装配中的子装配和零件所引用。②自顶向下设计使各个装配部件之间的关系变得更加密切。③自顶向下设计方法有利于不同的设计人员共同设计。2.自顶向下设计的流程上一页下一页返回4.4装配建模技术①确定设计目标。②定义大致的装配结构。③设计骨架模型。④将设计意图贯穿到装配结构中，将设计参数从上层装配模型逐渐传递到下层的部件中。⑤部件设计。⑥设计条件的传递。三、装配模型的作用1.装配干涉分析装配干涉是指零部件之间在空间发生体积相互交叉，导致零件之间会互相碰撞，出现无法正确安装的现象。通过装配后的干涉检查，在设上一页下一页返回4.4装配建模技术计阶段就可以发现这种设计缺陷，并给予纠正。2.物理属性分析通过建立计算机装配模型，系统就可以方便地计算构件(零部件)的物理属性，供设计参考。3.装配模型的爆炸图由装配模型可以自动生成它的分解视图。在该分解图中，装配模型的各个构件会以一定的距离分隔显示，整个模型看上去好像炸开了一样，所以称为爆炸图。4.装配模型的工程图可以在装配模型的基础上由CAD系统自动生成装配工程图，生成过程和方法与生成零件二维图类似。上一页返回4.5反求建模技术4.5.1概述、一、顺序设计传统设计过程是按严谨的研究开发流程进行的，即从收集市场需求信息着手，按照“产品功能描述(产品规格及预期目标)、产品概念设计、建立CAD模型、制订生产工艺流程、设计、制造工夹具、模具等工装、零部件加工及装配、产品检验及性能测试”这样的步骤开展工作，具体流程如

图4-44所示。二、反求设计反求设计的原理就是一个“从有到无”的过程，即根据已经存在的产品模型，通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型，反向推出产品的设计数据的过程。其设计流下一页返回4.5反求建模技术程如

图4-45所示。反求工程技术具有以下优点:(1)快速建立新产品的数据化模型(2)显著提高新产品技术水平(3)彻底改变新产品传统制造工艺方法(4)缩短新产品研发周期(5)实现异地(远地)制造或虚拟制造(6)实现快速模具制造(RT)(7)快速制造出复杂物体三维模型4.5.2反求设计的原理反求设计是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高上一页下一页返回4.5反求建模技术速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成ICES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。归结为四个核心步骤就是:零件原型的数字化;从测量数据中提取零件原型的几何特征;零件原型CAD模型建构;CAD模型的检验与修正。零件数据获取技术、数据预处理技术及零件原型CAD模型的重建技术是反求设计的关键技术。一、反求设计数据的获取三维扫描是反求设计获取原始点云数据的最直接的方法，也是最理想的方法。如图4-46是各种三维测量方法的类型。1.接触式测量法上一页下一页返回4.5反求建模技术接触式测量将被测物体固定在三坐标测量机上，可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，经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位置。接触式测量法目前主要有基于力一变形原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集等方法，可分为触发式和连续式。如图4-48所示，接触式探头分为硬式探头(HardProbe或MechanicalProbe)、触发式探头(TouchTriggerProbe)及模拟式探头(AnalogProbe)等三种。接触式测量的优点在于:样件表面的反射特性、颜色及曲率不影响测量，配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆柱、圆锥、圆球等。由于是最早应用的方法，其机械结构及电子系统已相当成熟，有较高的准确性和可靠性。上一页下一页返回4.5反求建模技术接触式测量的缺点有:使用特殊的夹具来确定测量基准点，导致测量费用较高;测量系统的支撑结构存在静态及动态误差;另外，不是所有轮廓都能检测，如测量内圆直径，触发测头的直径必定要小于被测内圆直径;采用逐点进出方式进行测量时，测量速度慢;测头尖端部分与被测件之间发生局部变形会影响测量值的实际读数;操作错误容易导致样件损害降低表面精度，为了维持一定的精度，需要经常校正测头的直径。2.非接触式测量法(1)激光三角法激光三角法是迄今逆向工程曲面数据采集中运用最广泛的方法之一，三角法的测量速度很快，其精度取决于感光设备的敏感程度与被测样上一页下一页返回4.5反求建模技术件表面的复杂程度。它的基本原理是利用具有规则几何形状的激光光源(如点光源、线光源)投影到被测表面上形成的漫反射光点(光带)成像于图像传感器上，根据三角形原理和成像位移。计算出被测面相对于参考面的高度、(图4-50)。(2)视觉测量法随着CCD等光电器件的快速发展，以三角法测量技术为基础的快速轮廓视觉测量技术得到应用。视觉测量一般也使用三种激光光源:点结构光、线结构光和面条纹结构光。图4-51所示为使用线结构光测量物体表面轮廓结构示意图。为增加测量速度，常将点结构光改成扫描式线结构光，这也是目前应用最广泛的一种方法。(3)立体视觉测量上一页下一页返回4.5反求建模技术立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个(多个)摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个(多个)摄像机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。非接触光学测量有如下优点:①没有测量力，可以用于测各种柔软的和易变形的物体，也无摩擦。②可以快速对物体进行扫描测量，测量速度和采样频率较高。③不必进行测头半径的补偿。④不少光学测头具有大的量程，如10mm乃至数十毫米，这是一般接触测头难以达到的。⑤同时探测的信息丰富，例如CCD摄像机可以同时探测到视场内大量上一页下一页返回4.5反求建模技术的二维信息(接触式只能一点一点探测)，它还能测得物体的光学特性。但非接触式测量也还存在一些缺点:①测量精度较差，非接触式测头大多使用光敏位置探测器(PositionSensitiveDetector,PSD)来检测光点位置，目前PSD的精度仍不够高，误差一般在20N.,m以上。②使用CCD作探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，当工件几何外形变化大时，成像可能失焦，成像模糊。③非接触式测头是接收工件表面的反射光或散射光，测量结果易受环境光线及工件表面的反射特性的影响，噪声较大，对噪声信号的处理比较麻烦。上一页下一页返回4.5反求建模技术二、扫描数据的处理(1)多视拼合(2)消除噪声(3)精减点云(4)点云的排序(5)数据点云的分割(6)特征抽取三、CAD模型重建在反求工程中，实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一个环节，因为后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持，这上一页下一页返回4.5反求建模技术些应用都不同程度地要求重建的CAD模型能准确地还原实物样件，所以点云数据的处理、曲面的构建方式以及完整的修编和分析等功能，是反求工程曲面模型重建中相当重要的部分。CAD模型的重建过程根据数据的测量结果，首先用实样测量的数据点构造曲线的边界曲线，然后根据生成的曲线用曲面构造法生成主要表面，再进行曲面的过渡连接、光顺处理及编辑等以完成模型的整体重建。1.曲线拟合造型曲线是构建曲面的基础，在逆向工程中，一种常用的模型重建方法是，先将数据点通过插值(Interpolation)或逼近(Approximation)拟合成样条曲线(或参数曲线)，然后利用造型工具，如Sweep,Blend,上一页下一页返回4.5反求建模技术Lofting等，完成曲面片造型，再通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑，得到完整的曲面模型。图4-54给出了基于曲线的模型重建过程。(1)曲线拟合(插值与逼近)以插值方式来建立曲线，其优点是所得到的曲线能够通过所有测量的点数据，因此曲线与点数据的误差为零。缺点是当点数据过大时，曲线控制点也相对增多。插值法的过程如图4-55所示。如果测量得到的数据点误差较大，构造一条曲线严格通过给定的一组数据点，则所建立的曲线将不平滑。尽管可以对数据进行平滑处理，但会丢失曲线或曲面的几何特征信息。这时可构造一条曲线使其在某种意义下最为接近给定的数据点，称为对这些数据点进行逼近，所构造的曲线称为逼近曲线，所采用的数学方法称为曲线逼近法。上一页下一页返回4.5反求建模技术如图4-56所示。(2)曲线修编曲线的编辑操作主要是依据CAD软件提供的各种编辑功能进行的。(3)基于曲线的曲面重建2.曲面拟合造型曲面直接拟合造型既可以处理有序点，也能处理点云数据。3.曲面编辑4.点数据网格化与曲面模型相比，用网格化实体模型表示物体形状能实现计算的自动化和少冗余，而且随着计算机硬件的发展和技术的进步，原来网格化需要的大量运算时间状况已获得改善。因此，在某些应用上用网格化上一页下一页返回4.5反求建模技术实体模型代替曲面模型能简化造型过程，获得较高的效率。5.模型精度的评价(1)模型精度评价指标整体指标指的是实物或模型总体性质，如整体几何尺寸、体积、面积(表面积)以及几何特征间的几何约束关系，如孔、槽之间的尺寸和定位关系;局部指标指的是曲面片与实物对应曲面的偏离程度。量化指标指精度的数值大小，非量化指标主要用于曲面模型的评价，如面的光顺性等，主要通过曲面的高斯曲率分布、光照效果、法矢和主曲率图检验光顺效果，并参照人的感官进行评价。(2)模型精度评价方法曲面的连续性大致分为位置连续、切线连续与曲率连续。上一页下一页返回4.5反求建模技术①位置连续(0阶连续)，表示曲线间或曲面间仅有边界相接的关系，这种相接的关系可能形成一个尖锐的边界。②切线连续(1阶连续)，说明曲线间或曲面间的连续处有相同的切线角度。切线连续可以满足工业上大多数的需求。③曲率连续(z阶连续)，要求曲线间或曲面间的连续处有相同的曲率。曲率连续的曲面不太容易构建，一般用于流线外形的汽车等特殊产品。切线连续与曲率连续的曲面都可达到曲面平滑的效果，但就曲面构建来讲，切线连续的曲面比曲率连续的曲面要来得快并且效率高。对一般曲线而言，曲线的阶次愈高，愈易产生震荡现象，而不易控制，且计算上将更将复杂。三阶曲线是较常应用的曲线阶次，通常能满足大部分的应用要求。上一页下一页返回4.5反求建模技术4.5.3反求建