反求工程cad建模技术探讨

建筑专业论文建筑cad论文建筑学论文：反求工程CAD建模技术研究摘要 将设计思想或实物原型迅速、直接、精确地转变为可以再加工的CAD模型,是产品创新设计和快速原型制造面临的关键技术.综合国内外反求工程CAD建模的研究和应用现状,分析了反求工程CAD建模问题的特点和需要进一步解决的主要问题,讨论了目前工程界普遍采用的反求工程CAD建模技术与思路,以及作者在解决这一系列问题中取得的进展情况.关键词 反求工程,CAD,三角Bzier曲面,曲面重构1 引 言 快速原型制造(又称RPM技术)是诞生于80年代后期、基于材料累加法的一种产品设计与制造的新技术,被认为是近20年来产品设计与制造领域的一次重大突破.其对制造行业的冲击可与5060年代的数控技术相比,尤其是快捷的产品原型制造,为面向21世纪的新产品的快速和创新设计提供了一种切实可行的技术途径.RPM综合了计算机、机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学等高新技术.通过RPM可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型,或直接制造产品,从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验,大大缩短产品的研制周期.以RPM系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造(Quick Tooling &Molding)、快速精铸技术(Quick Casting),可以实现零件的快速制造(Quick Manufacturing).由此可以看出,RPM的研究与发展将成为我国产品创新设计与制造的重要技术途径.反求工程(Reverse Engineering)CAD建模是实现RPM的核心技术之一,是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的CAD模型的过程.与传统意义的仿形制造不同,反求工程主要是将原始物理模型转化为工程设计概念或设计模型.将RPM与反求工程结合起来,一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息,另一方面可为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的产品原型进行再创新工程服务1.开展反求工程CAD建模关键技术和系统开发问题的研究,是进一步推进RPM技术的应用水平、加快我国产品创新设计的发展步伐所急需解决的重要工程.同时,反求工程CAD系统和技术可广泛应用于:汽车、摩托车、家用电器等复杂产品外形的修复、改造与创新设计;自然景物的计算机描述;人体拟合,如头盔、太空服等一些功能复杂、价格昂贵的产品的设计等.因此,这一研究具有广阔的应用前景,尤其是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业产品的快速CAD设计与制造水平,增强产品设计与制造中的高新技术含量,提高产品的市场竞争能力,具有重要的实际意义和经济价值.2 反求工程CAD建模问题的特点和研究 综述近年来,计算机和测量技术的飞速发展,以及测量手段的不断丰富,极大地刺激了反求工程技术的发展.在制造业中,常见的测量手段有三种:(1)三坐标测量机;(2)三维数字化扫描仪;(3)工业CT等断层扫描设备.坐标测量机虽然测量精度高,但测量速度和效率较低;激光扫描测量仪可以有效地测量复杂型面,但是难以处理复杂零件的内部结构测量,如对发动机缸体、航空叶片等复杂零件的精确测量;工业CT能够实现复杂实物的完整测量,但测量精度还不高.近年来出现的层析三维数字化测量技术,可以实现任意复杂零件的完整测量,精度可以达到5.3m,是实现复杂形体的整体几何反求工程CAD建模的最有前途的测量设备之一2.根据处理对象及采用的测量技术和手段的不同,反求工程CAD建模内容可以分为两个方面:一是以处理复杂型面为主要特点的表面反求CAD建模的研究;另一方面是研究整个形体的反求CAD建模问题.有关前者的研究比较多,而且比较深入,已进入需要进一步解决关键性应用算法和形成高性能应用系统的阶段.对于后者,虽然有医学图像可视化问题的研究成果为基础,但是要想全面、系统地解决面向可以制造的复杂实物零件的反求工程CAD建模的问题,仍存在许多需要进一步研究和解决的问题3.复杂曲面产品的反求工程CAD建模,作为反求工程的关键技术之一,涉及计算机、图像处理、图形学、神经网络、计算几何、激光测量和数控等众多交叉学科和领域,是国内外学术界,尤其是CAD/CAM领域广泛关注的热点问题之一.传统的研究和解决此问题的途径一般有两种:一是以三坐标测量机(CMM)或激光扫描测量机为基础,在人为制定的测量规划原则的指导下,将一个复杂的自由曲面分成若干个拓扑结构为四边形边界的区域,在每个区域内按截面线进行测量,然后,对每个区域内的数据进行处理,转换为通用CAD/CAM系统可以接受的数学模型文件,完成产品的测量建模.另一种方法,主要通过非接触式激光扫描测量机完成对物理模型的密集扫描,并将这些数据直接用于数控加工(英国Renishaw公司的系列SCAN软件、美国PTC公司的Pro/Engineer系统及法国的STRIM100软件等均具有这方面的功能),或者经过对扫描数据的一系列处理,产生构造物体表面模型所需要的主要几何特征;根据这些几何特征,最终由通用的CAD/CAM系统建立实物的表面模型.这类软件主要包括Surfacer,Icem/Surf等.无论是测量数据的直接加工,还是复杂曲面的分区域测量建模,这些方法都存在以下问题:(1)由于被测物理对象的多样性,特征线和区域的划分过分依赖测量者的经验,难以准确把握;区域划分是否合理将直接影响曲面拼接的设计质量和整体品质.(2)在数据采集中,以截面为单位密集布置测量点,缺乏对几何特征的自动辨识,很难准确、全面地获取描述曲面所要求的特征数据,曲面重建后保形性差.(3)如果通过激光测量设备对自由曲面进行密集扫描,将采集到数兆甚至数十兆字节的测量点.这样大的测量结果被形象地称为“点云”,这种数据类型是目前的CAD/CAM系统无法接受和处理的.因此,如何有效地解决测量“点云”对象的造型问题成为研究重点.在这方面的研究美国华盛顿大学起步较早,解决了数据预处理并提出了多视区测量数据的处理问题,但由于采用的曲面造型方法未能突破四边形曲面的条件,开发的原型系统没能进一步深入.南澳大利亚大学、新加坡国立大学和英国曼彻斯特大学等则更多地注意了指定区域内的动态测量点计算,试图解决区域内最少曲面测量点等问题,研究工作仍处于实验室理论阶段,还没有开发出原型系统.国内的浙江大学、西北工业大学、南京航空航天大学、西安交通大学、清华大学、上海交通大学和华中科技大学等先后开展了反求工程CAD问题的研究,虽然有的单位起步较早,但大多数单位是近年才开始研究的,重点是对反求工程CAD研究中的个别数据预处理算法的效率进行改进与可靠性分析,还未形成系统的研究.浙江大学是国内较早研究散乱点三角Bzier曲面插值理论,并将这种理论应用于解决反求工程CAD建模问题的单位之一.作者在1988年开始的博士学位论文工作中,就确定了采用三角曲面模型来解决反求工程CAD建模问题的研究方向,并由于选用了有特色的数学理论和方法,为后来进一步深入、系统地研究解决任意复杂对象的反求工程CAD建模问题打下了坚实的理论基础.与国外开展此类问题研究的美国华盛顿大学、南澳大利亚大学、新加坡国立大学和英国曼彻斯特大学等相比,国内在正确选择“点云”类数据的预处理数学方法上占有一定的优势,提出了以三角曲面为过渡模型的NURBS曲面光滑重构理论和方法.比较而言,国外目前最先进的反求工程CAD建模系统,仍然采用基于“点云”和特征的交互雕刻NURBS曲面的造型方法,在实现相邻NURBS曲面光滑拼接时,缺乏足够的跨边界的连续条件的支持,使重构曲面块之间的光滑连续以及邻近边界处的曲面保形性能难以达到预定的精度要求.因此,取代从“点云”中直接取样,而采用从全局达到G1连续的三角曲面过渡模型上取样(多半可以采用基于特征的交互定义)以及分区重构,是解决复杂型面产品反求工程CAD建模问题的最新途径和方法之一37.对于实物断层扫描数据的反求CAD建模问题,无论数据是来源于工业CT扫描、医学CT、MRI扫描,还是层析扫描,目前都需要进一步研究解决下列关键技术和算法:(1)层面数据分析,包括特征提取、特征组织、特征运算;(2)相邻层面的特征相似、特征关联和同属特征网格化划分;(3)有效处理“内外表面”正则拓扑关系的生成算法;(4)完备建立三维实体结构和运算规则;(5)实体几何的局部变形、修改和求精;(6)形体的内表面质量的窥镜式三维导航显示与局部缺陷修复等.有关这些方面的研究,近年来已经引起了国内外科技界的普遍关注,每年都有不少研究论文和成果发表.美国和法国的学者不断提出新的思想,其中的关键内容是如何有效地分离相邻层轮廓的相似和不相似部分,并分别实现三角化.法国学者Geiger按照3D Delaunay三角化在断层二维轮廓约束下实现体的重构,在医学上开发了应用软件Nauges;然而,这种算法需要去掉非法的四面体结构,同时难以处理分叉连通问题.Marching Cube方法在医学图像可视化方面应用比较多,但是,这种方法容易导致表面裂纹,难以生成面向可制造的实体模型.国内西北工业大学、清华大学、西安交通大学、上海医科大学、中国科学院计算技术研究所、华中科技大学、浙江大学CAD &CG国家重点实验室等也先后开展了这方面的研究,并取得了一定的成果.然而,应当指出,面向可制造的复杂实体反求工程CAD建模问题的研究,不完全等同于医学图像可视化问题,反求工程CAD首先要求建立实物的三维模型,涉及三维求值计算、设计修改等非常复杂的计算几何问题.同时,作为一个面向应用的特色CAD软件,还需要解决与其它系统的标准化和规范化交换等实际应用的关键技术,是一个涉及多学科和领域、深入交叉的、复杂的系统研究工程.在研究层次和水平上,中国和发达国家基本上没有差距,各有其特色.综合国内外反求工程CAD领域的研究和应用现状,可以看出,目前非常适用的、功能强大的系统还没有.因此,随着RP/RT技术的不断发展和人们对产品创新设计的渴望,有关反求工程CAD系统的产业化研究存在着巨大的商业机遇,是我国高新技术产业,尤其是软件产业的重要发展方向之一.3 反求工程CAD建模关键性研究内容的分析回顾国内外在反求工程CAD建模领域的研究现状,存在的问题还很多:一方面,有关“点云”数据造型问题的理论研究还不够系统、全面,针对“点云”数据处理和曲面造型的方法需要改进或提高其可操作性;另一方面,已有的商业CAD系统不能接受这类“点云”,或本身功能不全面,难以顺利解决复杂反求工程CAD建模问题.总的来说,遇到的主要问题包括:数据预处理可视化程度低;操作对象主要是来源于“点云”的点和线,缺乏对曲面尤其是特征曲面或实体的直接运算;分块NURBS曲面构造过程中,相邻曲面之间的光滑拼接和保形条件难以达到或根本达不到要求;在NURBS曲面重构中,缺乏对曲面的特征识别,直接影响反求模型的保形性或微分性质,难以满足外形美观要求高的产品设计的需求;重构曲面与原始数据之间的误差分析和评价要求更直观、形象;缺乏变形设计和修改等重要的修形设计理论和功能813.针对曲面反求重建中的这些问题,本文总结并归纳出下列需要进一步探讨的内容.3.1 “点云”数据预处理技术在解决复杂表面零件的反求工程CAD建模问题上,目前普遍采用效率较高的表面测量技术,如:非接触式激光扫描测量(线扫描或点扫描),基于照相原理的局部快速拍照测量,以及接触式扫描测量等.由这些测量方法提供的数据多半是大规模而且密集的“点云”,一般的CAD系统难以直接对其进行处理,因此,在进行三维CAD建模之前,需要对“点云”数据进行相应的预处理,主要预处理内容包括:针对不同的数据来源,根据数字信号处理理论和方法,研究解决噪声点的局部快速过滤和平滑技术;解决不同方向多视数据的拼合,以及漏测区域的辅助补全和局部二次采样;基于多分辨率模型以及高斯球的概念,研究解决重要几何特征的识别、提取、表达和特征重构技术;基于特征保持和精度控制的三维分区三角网格化及网格优化与编辑技术;基于特征的全局三角网格精度控制压缩处理技术等.3.2 三角曲面插值与计算采用以三角曲面插值作为过渡模型解决反求工程CAD建模问题的策略,除了已经受到人们重视的三角曲面G1插值理论和方法外,还需要进一步研究面向工程应用的三角曲面造型的相关技术,包括:基于物理模型的复合三角曲面光顺、变形理论(包括基于能量原理、小波变换理论的曲面光顺算法,变形问题的数学理论、力学背景以及高效率的人机交互技术等);基于多分辨率模型等理论指导的三角曲面变形设计的实用算法;基于特征的局部区域分划、分离、逼近、光顺和再采样技术;曲面求交、延伸、过渡、裁剪等高级计算问题.3.3 基于过渡曲面原型的NURBS曲面重构将三角曲面插值模型作为过渡性操作模型或对象,根据产品的基本特征信息和交互分划曲线网络,通过区域分治重构NURBS曲面模型的方法,是本文作者提出的一种新的解决复杂曲面产品反求工程CAD建模问题的策略,其中涉及到的关键技术主要包括:特征求精、再现以及自动分离理论与算法的研究(主要是自动提取和分离二次曲面,如平面、柱面、球面、锥面等特征);自由曲面分区重构技术,重点是自动求解和协调曲面块之间的光滑拼接问题;重构曲面的可视化误差分析,包括相邻曲面间的夹角、距离误差,任意截面轮廓误差、曲面轮廓误差等;重构NURBS曲面块的全局协调光顺理论和方法;NURBS曲面的IGES标准输出等.以上罗列的仅仅是作者对复杂曲面零件反求工程CAD建模研究的一些看法和正在从事的研究工作,不能反映这一领域研究的全部.但值得注意的是,这种研究和解决问题的路线完全不同于现有的型面反求工程CAD系统和算法.如何充分利用三角曲面原型(过渡模型),是贯穿这一研究全过程的重要策略,利用好这种曲面重构理论和方法,会进一步提高反求工程CAD建模的精度、效率和质量.其中有些想法已经或者正在自行开发的反求工程CAD软件RE-SOFT中实现.此外,我们还开展了整个形体的反求CAD建模(基于断层扫描数据的实体重构)技术的研究,如:实体重构理论与方法、基于网格的特征提取与特征修正、数据压缩、平滑等等.4 反求工程CAD应用实例目前,采用通用型应用软件(如Pro/Engineer,UGII,STRIM100等)和专用扫描数据处理软件的结合,解决反求工程CAD建模问题的应用实例非常多.尽管这种解决问题的效率和质量都比较低,但在先进的反求工程CAD系统出现以前,这种技术和思路还会继续被工程界普遍采用.近年来,随着高速扫描设备和计算机技术的飞速发展,特别是反求工程CAD软件的研究和应用水平的不断提高,能够体现反求工程CAD建模问题特点的软件也在不断推出,比较有实力的系统包括:Surfacer,ICEM/Surf和RE-SOFT.这些系统除了能够直接处理“点云”数据外,也具备了一定的完成曲面造型和计算的功能,是目前反求工程CAD领域中最有前途的软件系统.本文给出了按照这种技术和思路完成的反求工程CAD若干应用实例.其中,应用实例1由ICEM/Surf和RE-SOFT合作解决,处理比较典型的扫描测量“点云”数据的曲面造型问题,图1(a)图1(d)示5736期柯映林等:反求工程CAD建模技术研究意了复杂曲面零件反求工程CAD建模的一般过程.图2所示应用实例2是由RE-SOFT与UGII软件共同完成的吸尘器、整体叶轮复杂曲面的反求工程曲面建模的结果,经过“散乱点数据三角Bzier曲面整体G1连续曲面插值基于特征保持的NURBS曲面重构利用UG对输出的NURBS曲面进行二次设计”的过程,最终得到整体光滑的NURBS曲面模型.图3,图4所示的应用实例3和实例4是由RE-SOFT与UGII软件经过和实例2相似的反求工程设计过程,共同完成的摩托车轮轴盖板、某型战机整流罩模具型面复杂曲面的反求工程的曲面模型.值得注意的是,这样获得的反求工程的曲面模型,可以利用商业CAD/CAE/CAM软件功能进一步完成CAE、CAM的工作.574计算机辅助设计与图形学学报2001年致 谢 本文工作是在浙江大学先进制造技术重点实验室CAD/CAM中心的教授及博士研究生的共同支持下完成的.在产品数据测量、处理和分析方面的工作也得到了美国Parametric Technology Corp.Shanghai Office余波先生,成都飞机工业公司张兵工程师、钟麟工程师、张雪松工程师等的支持和帮助,在此向他们表示感谢.特别感谢国家“八六三”高技术研究发展计划和国家教育部博士点专项基金项目对本文工作的支持.参考文献1 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