第3章-三维CAD模型重构

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曲面创建过程逆向工程自由曲面建模手段以曲线、曲面为基础的曲面拟合方法。应用对象主要是由复杂曲面组成的产品，如汽车、飞机、船舶等。以三角曲面为基础的曲面构造方法。最适合表现无规则、复杂型面的物体，特别是玩具、艺术品这类对象。3.2曲面重构方法和过程曲面片直接拟合造型2基于曲线的模型重构31基于特征及约束的模型重构331.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。读入数据点云分块点云处理曲线检查和编辑创建曲线定义曲线类型定义曲面类型创建曲面曲面检查和编辑下游过程Imageware软件的一般操作流程：Imageware软件-----实例12.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：3D扫描点处理三角面片化曲面构建CAD/CAE/CAM/RP/RT/...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。···测量数据数据预处理区域分割简单自由曲面数据截面数据获取平面离散曲线分段二次曲面数据样条曲线二次曲线约束逼近圆锥面噪声去除平面球面跨界切矢边界曲线直线圆弧曲率切矢垂直相切平行约束逼近截面形状特征垂直相切平行约束逼近自由曲面特征单元参数曲面反求高层特征B-Rep单元/体素特征参数化特征造型数据压缩圆柱面···三角化复杂自由曲面数据·········特征提取图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逆向工程实现流程点云数据数据分析独立几何小平面特征重新造型其它扫描曲线型曲线型曲面CAD模型创建修改数据处理包络处理小平面处理创建曲线创建曲面修改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。xyz0),,0(111zyMMC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