反求工程中复杂曲面边界线的自动提取技术

复杂曲面零件表面的几何模型构造是反求工程的研究重点之一,根据零件表面的数字化数据提取零件表面的边界是构造零件几何模型的关键步骤。针对安全散乱的、无组织的“点云”数据,从工程应用的角度出发,提出了一种自动构造曲面边界曲线的方法,它分为两个步骤,首先,利用分者到一条能包围曲面的所有数字化点的曲线,然后将该曲线模拟为橡皮筋,通过能量最小原理自动修正曲线得到理想的曲面边界。实践证明,通过该方法得到的边界曲     

复杂曲面特征线自动提取技术研究

复杂曲面零件的几何模型重构是逆向工程的研究重点之一,由零件表面的数字化数据提取特征线是构造几何模型的重要步骤。针对由CMM获取的三维数据“点云”,提出了基于扫描线的三维分层式方法实现特征线的自动提取,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,实现任意曲面尖锐棱线的自动提取。实践说明,通过该算法得到的复杂曲面的边界线能够满足模型重建的工程需求。     

数字化技术在空间模具曲面中的应用

实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。因而,如何高效、高精度的实现样件表面的数据采集,一直是逆向工程的主要研究内容之一。以偏转线圈为例,运用三坐标测量机对偏转线圈曲面进行测量;然后对测量数据进行处理,数据处理包括噪声处理、点云数据重采样、基于点云的特征提取和边界曲线的建立。在数据处理的基础上,采用Image-ware软件的Fit w/Cloud and Curve来生成曲面,完成曲面重构;最后通过数控加工完成模具的加工模拟,从而实现数字化技术在空间模具曲面中的应用。     

点云部分缺失条件下边界曲面直接拟合技术

针对零件数据采集过程中可能出现的测量数据边界不完整的情况,提出一种点云部分缺失条件下边界曲面的直接拟合算法。对于两种不同的边界曲面类型,选择相应的方法自动构造贴近点云的基面;对点云中的点进行基面投影参数化的同时,运用改进的病态指标准则确定基面的病态控制顶点;在曲面拟合过程中,通过对病态控制顶点的抑制和加入离散边界约束条件,使得拟合得到的边界曲面在逼近点云的同时保持了良好的曲面内部品质,且和周围曲面之间达到近似G1连续。工程应用实例验证了提出算法的有效性及实际应用价值。     

基于截面特征约束的涡轮叶片重构技术

为了解决涡轮叶片在其产品改型、气动优化、叶片修复等实际工程问题需要建立实物数字化模型的问题,采用截面特征技术与二维草图约束功能相结合应用于模型重构。针对涡轮叶片几何特征和气动设计要求,将涡轮叶片点云切片截面曲线分层表达为曲线元并分段进行差值拟合,基于二维草图约束技术对截面曲线进行几何特征约束,构造出满足约束条件与数据点逼近的最优曲线并放样生成曲面。结果表明,基于截面特征的反求工程技术与二维草图曲线约束优化技术相结合,可以快速、准确构造出复杂曲面,提高了逆向建模的效率,为快速重构模型提供了一种方法。     

自由曲面测量点云数据的建模方法研究

本文提出了一种散乱点云数据的建模新方法。通过对点云数据进行空间三维划分，实现了边界信息的高效提取。采用局部曲面拟合方式得到位于截平面上的有序数据，使得无序的散乱数据形成了有序的阵列数据，实现了NURBS曲面的精确拟合。实验证明，该方法非常适合卷曲类模型的自由曲面重构，在某零件的测量、建模和加工中已经得到了实际应用。     

非四边(N边)域曲面造型方法的研究及在汽车外形设计中的应用

在J.A.Gregory关于N边域曲面理论研究成果的基础上,提出了一种用B样条曲面理论来构造一般N边域曲面的方法。该方法的优点是,所构造的N边域曲面片能够插值于表达为三次B样条曲线的任意边界及其跨界导矢。首先根据Gregory曲面方法构造N边域曲面片,再利用计算得到的数据构造由n个矩形B样条曲面片构成的一阶几何连续的N边域曲面片。     

基于特征的复杂曲面反求建模技术研究

几何建模技术是先进制造技术的基础,反求工程是建立产品几何模型的重要手段,复杂曲面几何模型的重建是反求工程研究的重点内容。系统研究了基于实物的复杂曲面几何形状反求建模技术。提出了一种基于特征的复杂曲面几何建模方法,它包括四个主要步骤：首先,对数字化数据进行必要的处理,并建立数字化点之间的拓扑关系;然后,利用这些拓扑关系,提取曲面的几何特征,并依据这些特征对复杂曲面进行分块处理;接着,对每块进行基于特征的曲面构造和数据压缩;最后,将各块拼接形成整体光滑的曲面。     

基于局部基面参数化的点云数据边界自动提取

提出了一种反求工程中基于局部基面参数化方法的点云数据边界特征的自动提取方法。首先选择合适的局部基面 ,然后用点云垂直投影于局部基面投影点的参数化代替空间点的参数化 ,二次参数曲面逼近点云 ,再利用曲面的微分特性估计点云数据的曲率值 ,求出曲率极值点 ,从中提取边界点。通过这些边界点可以进一步拟合边界曲线 ,达到对点云数据进行自动分片的目的。该方法具有较强的可操作性和实用性 ,对于反求工程的自动化和智能化研究具有实际意义     

基于自组织网格的涡轮叶片NURBS曲面重构

涡轮叶片的制造过程中,常采用有限元方法进行铸造变形控制。本文研究了针对有限元网格离散点的NURBS曲面重构方法。方法包括4个步骤:(1)基于网格相邻点分析的边界曲线提取和初始曲面构造;(2)具有自组织特征的基于曲率的离散点抽样和压缩,并进行曲面分片;(3)采用叠代法进行NURBS曲面逼近;(4)简化的NURBS曲面拼接算法。对工程数据的处理结果分析表明,该方法的数据处理精度可以达到工程要求,并且能够较好地保留数据的几何特征。     

三维散乱点云的分割与几何形体重构

研究了由三维点云重构几何形体模型的方法与步骤。提出了点云分割的2种交互方法——基于特征识剐的分割和投影裁剪分割。给出了表面数据点群的边界搜索算法和表面求交算法，实现了一种从三维点云到几何形体的分割与重构方法。     

应用改进迭代最近点方法的点云数据配准

提出了基于点云边界特征点的改进迭代最近点(ICP)方法来提高逆向工程中点云数据配准的效率和精度.首先,提出了基于点云边界特征点的初始配准方法.对点云最小包围盒进行三维空间划分,建立空间网格模型;运用边界种子网格识别及生长算法,从点云边界提取特征点,运用奇异值矩阵分解法(SVD)求出点云的变换矩阵,得到初始配准结果.然后,提出了改进的ICP精确配准方法.对点云对应点赋予权重,剔除权重大于阈值的点,通过对目标函数引入M-估计(M-estimation),剔除异常点.最后,在初始配准的基础上,运用改进的ICP方法精确配准.对经典ICP方法和改进ICF方法做对比实验,结果显示,改进方法的配准效率提高了70％以上,误差减小到0.02％.实验表明,本文方法大幅提高了点云配准的效率和精度.     

Triangular mesh generation employing a boundary expansion technique

This paper presents a triangulation method for modelling very large sets of cloud data. The three-dimensional (3D) data sets are produced by a machine vision system and/or coordinate measuring machine (CMM). The algorithm is suitable for processing the data collected from objects composed of free form surface patches especially with interior holes. This is accomplished from the 3D data sets in two steps. Firstly, the original cloud data is reduced into a simplified data set employing a data reduction technique (voxel binning method), in which the error between the cloud data and the meshed surface is used to control the data reduction. Secondly, the triangulation process starts with a randomly selected seed triangle. The triangular mesh extends outward by continuously linking suitable external points to it along the boundary edges of the meshed area. A complex free form surface with interior holes can be triangulated in one computing session without manually dividing it into several simple patches. The error-based data reduction parameters are extracted from the cloud data set, by a series of local surface patches, and the required spatial error between the final triangulation and the cloud data. Experimental results are given to illustrate the efficacy of the technique for rapidly constructing a geometric model from 3D digitised cloud data.     

基于参数曲面建模的车身表面逆向设计研究

针对在汽车车身设计逆向工程过程中,由于雕塑模型的精度有限以及三坐标测量的机测误差,所得的散乱点不能真实反映曲面形状而建立了一种曲面拟合方法,能够减小误差较大点的影响,保证据散乱点求得的曲面最接近于"理想"曲面.并简述了车身曲面逆向设计拟合方法的数学模型和CATIA软件创成式曲面设计模块的主要功能.将车身曲面的逆向设计分为2D图纸和3D实物逆向设计2类,给出设计流程和应用开发实例,解决了设计中容易出现的问题.     

<Emphasis Type="Italic">A Binary Morphology-Based Filtering Algorithm for Reverse Engineering</Emphasis>

A laser scanner is a common surface measurement tool in reverse engineering (RE). The point cloud obtained from a laser scanner usually has some noisy points. An algorithm based on a binary morphology technique is presented to identify the noisy points. After removing the noisy points, the filtered point cloud can be used to reconstruct the surface of a 3D object. The filtering algorithm described can remove both the points at a "far" distance from the scanned object and the "prods" on the surface of the object. ID="A1"Correspondance and offprint requests to: Dr C. L. Wang, Department of Mechanical Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong. E-mail: wangcl@ust.hk     

一种曲面特征保持的航空叶片点云精简方法

针对现有点云精简方法在航空薄壁叶片叶缘高曲率特征区域及点云稀疏区域存在取样不足的问题,提出了一种基于重聚类策略的精简方法。通过移动最小二乘法定义点--曲面距离函数,区分高低曲率特征,建立了原始点云和精简点云之间的距离关系,在高曲率区域重聚类,实现叶缘高曲率特征保持;并在重聚类时判断点云疏密程度,对稀疏区域进行重聚类。航空叶片、铸造模具等典型复杂曲面测量点云的精简过程中,该方法相比于均匀采样法、层次聚类法,在高曲率区域可保持较高的几何精度。     

Non-singular tool path planning by translating tool orientations in C-space

This paper discusses the singular problem in five-axis machining of freeform surfaces. At first, the generating mechanism of the singularities is studied on the unit sphere in the P-system. Then a new method is developed to avoid the singularities by translating the tool orientations in the configuration-space (C-space) at the time just after the initial cutter locations have been generated for a cutter contact (CC) trajectory on the surface. The tool orientation vectors of the initial cutter locations are projected onto the C-space, forming the orientation polyline. In the C-space, a taper circle is defined. The singularities are detected by contact checking between the orientation polyline and the taper circle. Once they contact, the orientation polyline is translated by a minimum translating vector to avoid the contact. The minimum translating vector is picked on the offset polyline of the original orientation polyline. After that, the translated orientation polyline is inversed to calculate the optimized cutter locations in the P-system. The benefit of avoiding singularities at the tool path planning stage is that the original CC points on the CC trajectory are respected. The developed method is programed and tested through contrastive experiments. Results show that the optimized cutter locations can effectively avoid the singularities.     

Imageware中光滑拼接曲面的方法

逆向工程软件的曲面反求中,曲率较大的地方往往难以得到较好的曲面反求效果,针对该问题提出了一种基于曲率变化的分块曲面构建拼接方法。该方法根据曲率显示的点的颜色特征进行点云数据的分割,分别获得单片光滑曲面,然后将单片曲面拼接起来以实现完整的自由曲面造型。在曲面拼接过程中,调整两片曲面相邻两列控制点,使其三点共线,以达到拼接处一阶连续。最后通过一个典型的实例证明该方法构造的曲面与原始点云的最大误差为由点阵直接拟合生成的曲面误差的1／3,为由点一线一面构造的整块曲面误差的1／5。