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1、建筑专业业论文建建筑cad论文建建筑学论论文：反求工程程CAD建模技技术研究究摘要将设设计思想想或实物物原型迅迅速、直直接、精精确地转转变为可可以再加加工的CAD模型,是产品品创新设设计和快快速原型型制造面面临的关关键技术术.综合国国内外反反求工程程CAD建模的的研究和和应用现现状,分析了了反求工工程CAD建模问问题的特特点和需需要进一一步解决决的主要要问题,讨论了了目前工工程界普普遍采用用的反求求工程CAD建模技技术与思思路,以及作作者在解解决这一一系列问问题中取取得的进进展情况况.关键词反反求工程程,CAAD,三角Bzieer曲面,曲面重重构1引言快速原型型制造(又称RPM技术)是诞生生于
2、80年代后后期、基基于材料料累加法法的一种种产品设设计与制制造的新新技术,被认为为是近20年来产产品设计计与制造造领域的的一次重重大突破破.其对制制造行业业的冲击击可与5060年代的的数控技技术相比比,尤其是是快捷的的产品原原型制造造,为面向21世纪的的新产品品的快速速和创新新设计提提供了一一种切实实可行的的技术途途径.RPPM综合了了计算机机、机械械工程、CAD、数控控技术、激激光技术术及材料料科学等等高新技技术.通过RPM可以自自动、直直接、快快速、精精确地将将设计思思想转变变为具有有一定功功能的原原型,或直接接制造产产品,从而可可以对产产品设计计进行快快速评估估、修改改及功能能试验,大大
3、缩缩短产品品的研制制周期.以RPM系统为为基础发发展起来来并已成成熟的快快速工装装模具制制造(Quuickk Toooliing &Mooldiing)、快速速精铸技技术(Quuickk Caastiing),可以实实现零件件的快速速制造(Quuickk Maanuffactturiing).由此可可以看出出,RPPM的研究究与发展展将成为为我国产产品创新新设计与与制造的的重要技技术途径径.反求工工程(Reeverrse Enggineeeriing)CADD建模是是实现RPM的核心心技术之之一,是指从从一个已已有的物物理模型型或实物物零件产产生出相相应的CAD模型的的过程.与传统统意义的的仿
4、形制制造不同同,反求工工程主要要是将原原始物理理模型转转化为工工程设计计概念或或设计模模型.将RPM与反求求工程结结合起来来,一方面面为提高高工程设设计、加加工、分分析的质质量和效效率提供供充足的的信息,另一方方面可为为充分利利用先进进的CADD/CAAE/CCAM技术对对已有的的产品原原型进行行再创新新工程服服务1.开展反反求工程程CAD建模关关键技术术和系统统开发问问题的研研究,是进一一步推进进RPM技术的的应用水水平、加加快我国国产品创创新设计计的发展展步伐所所急需解解决的重重要工程程.同时,反求工工程CAD系统和和技术可可广泛应应用于:汽车、摩摩托车、家家用电器器等复杂杂产品外外形的修
5、修复、改改造与创创新设计计;自然景景物的计计算机描描述;人体拟拟合,如头盔盔、太空空服等一一些功能能复杂、价价格昂贵贵的产品品的设计计等.因此,这一研研究具有有广阔的的应用前前景,尤其是是对于提提高我国国航空、航航天、汽汽车、摩摩托车、模模具工业业产品的的快速CAD设计与与制造水水平,增强产产品设计计与制造造中的高高新技术术含量,提高产产品的市市场竞争争能力,具有重重要的实实际意义义和经济济价值.2反求工工程CAD建模问问题的特特点和研研究综述近年年来,计算机机和测量量技术的的飞速发发展,以及测测量手段段的不断断丰富,极大地地刺激了了反求工工程技术术的发展展.在制造业中,常见的的测量手手段有三
6、三种:(1)三坐标标测量机机;(22)三维数数字化扫扫描仪;(33)工业CT等断层层扫描设设备.坐标测测量机虽虽然测量量精度高高,但测量量速度和和效率较较低;激光扫扫描测量量仪可以以有效地地测量复复杂型面面,但是难难以处理理复杂零零件的内内部结构构测量,如对发发动机缸缸体、航航空叶片片等复杂杂零件的的精确测测量;工业CT能够实实现复杂杂实物的的完整测测量,但测量量精度还还不高.近年来来出现的的层析三三维数字字化测量量技术,可以实实现任意意复杂零零件的完完整测量量,精度可可以达到到5.3m,是实现现复杂形形体的整整体几何何反求工工程CAD建模的的最有前前途的测测量设备备之一2.根据处处理对象象及
7、采用用的测量量技术和和手段的的不同,反求工工程CAAD建模内内容可以以分为两两个方面面:一是以以处理复复杂型面面为主要要特点的的表面反反求CAD建模的的研究;另一方方面是研研究整个个形体的的反求CAD建模问问题.有关前前者的研研究比较较多,而且比比较深入入,已进入入需要进进一步解解决关键键性应用用算法和和形成高高性能应应用系统统的阶段段.对于后后者,虽然有有医学图图像可视视化问题题的研究究成果为为基础,但是要要想全面面、系统统地解决决面向可可以制造造的复杂杂实物零零件的反反求工程程CAD建模的的问题,仍存在在许多需需要进一一步研究究和解决决的问题题3.复杂曲曲面产品品的反求求工程CAD建模,作
8、为反反求工程程的关键键技术之之一,涉及计计算机、图图像处理理、图形形学、神神经网络络、计算算几何、激激光测量量和数控控等众多多交叉学学科和领领域,是国内内外学术术界,尤其是CADD/CAAM领域广广泛关注注的热点点问题之之一.传统的的研究和和解决此此问题的的途径一一般有两两种:一是以以三坐标标测量机机(CMMM)或激光光扫描测测量机为为基础,在人为为制定的的测量规规划原则则的指导导下,将一个个复杂的的自由曲曲面分成成若干个个拓扑结结构为四四边形边边界的区区域,在每个个区域内内按截面面线进行行测量,然后,对每个个区域内内的数据据进行处处理,转换为为通用CADD/CAAM系统可可以接受受的数学学模
9、型文文件,完成产产品的测测量建模模.另一种种方法,主要通通过非接接触式激激光扫描描测量机机完成对对物理模模型的密密集扫描描,并将这这些数据据直接用用于数控控加工(英国Rennishhaw公司的的系列SCAAN软件、美美国PTC公司的Proo/Ennginneerr系统及及法国的的STRRIM1100软件等等均具有有这方面面的功能能),或者经经过对扫扫描数据据的一系系列处理理,产生构构造物体体表面模模型所需需要的主主要几何何特征;根据这这些几何何特征,最终由由通用的的CADD/CAAM系统建建立实物物的表面面模型.这类软软件主要要包括Surrfaccer,Iceem/SSurff等.无论是是测量
10、数数据的直直接加工工,还是复复杂曲面面的分区区域测量量建模,这些方方法都存存在以下下问题:(11)由于被被测物理理对象的的多样性性,特征线线和区域域的划分分过分依依赖测量量者的经经验,难以准准确把握握;区域划划分是否否合理将将直接影影响曲面面拼接的的设计质质量和整整体品质质.(22)在数据据采集中中,以截面面为单位位密集布布置测量量点,缺乏对对几何特特征的自自动辨识识,很难准准确、全全面地获获取描述述曲面所所要求的的特征数数据,曲面重重建后保保形性差差.(33)如果通通过激光光测量设设备对自自由曲面面进行密密集扫描描,将采集集到数兆兆甚至数数十兆字字节的测测量点.这样大大的测量量结果被被形象地
11、地称为“点云”,这种数数据类型型是目前前的CADD/CAAM系统无无法接受受和处理理的.因此,如何有有效地解解决测量量“点云”对象的的造型问问题成为为研究重重点.在这方方面的研研究美国国华盛顿顿大学起起步较早早,解决了数数据预处处理并提提出了多多视区测测量数据据的处理理问题,但由于于采用的的曲面造造型方法法未能突突破四边边形曲面面的条件,开发的的原型系系统没能能进一步步深入.南澳大大利亚大大学、新新加坡国国立大学学和英国国曼彻斯斯特大学学等则更更多地注注意了指指定区域域内的动动态测量量点计算算,试图解解决区域域内最少少曲面测测量点等等问题,研究工工作仍处处于实验验室理论论阶段,还没有有开发出出
12、原型系系统.国内的的浙江大大学、西西北工业业大学、南南京航空空航天大大学、西西安交通通大学、清清华大学学、上海海交通大大学和华华中科技技大学等等先后开开展了反反求工程程CAD问题的的研究,虽然有有的单位位起步较较早,但大多多数单位位是近年年才开始始研究的的,重点是是对反求求工程CAD研究中中的个别别数据预预处理算算法的效效率进行行改进与与可靠性性分析,还未形形成系统统的研究究.浙江大大学是国国内较早早研究散散乱点三三角Bzieer曲面插插值理论论,并将这这种理论论应用于于解决反反求工程程CAD建模问问题的单单位之一一.作者在19888年开始始的博士士学位论论文工作作中,就确定定了采用用三角曲曲
13、面模型型来解决决反求工工程CAD建模问问题的研研究方向向,并由于于选用了了有特色色的数学学理论和和方法,为后来来进一步步深入、系系统地研研究解决决任意复复杂对象象的反求求工程CAD建模问问题打下下了坚实实的理论论基础.与国外外开展此此类问题题研究的的美国华华盛顿大大学、南南澳大利利亚大学学、新加加坡国立立大学和和英国曼曼彻斯特特大学等等相比,国内在在正确选选择“点云”类数据据的预处处理数学学方法上上占有一一定的优优势,提出了了以三角角曲面为为过渡模模型的NURRBS曲面光光滑重构构理论和和方法.比较而而言,国外目目前最先先进的反反求工程程CAD建模系系统,仍然采采用基于于“点云”和特征征的交互
14、互雕刻NURRBS曲面的的造型方方法,在实现现相邻NURRBS曲面光光滑拼接接时,缺乏足足够的跨跨边界的的连续条条件的支支持,使重构构曲面块块之间的的光滑连连续以及及邻近边边界处的的曲面保保形性能能难以达达到预定定的精度度要求.因此,取代从“点云”中直接接取样,而采用用从全局局达到G1连续的的三角曲曲面过渡渡模型上上取样(多半可可以采用用基于特特征的交交互定义义)以及分区区重构,是解决决复杂型型面产品品反求工工程CAD建模问问题的最最新途径径和方法法之一37.对于实实物断层层扫描数数据的反反求CAD建模问问题,无论数数据是来来源于工工业CT扫描、医医学CT、MRI扫描,还是层层析扫描描,目前都
15、都需要进进一步研研究解决决下列关关键技术术和算法法:(11)层面数数据分析析,包括特特征提取取、特征征组织、特特征运算算;(22)相邻层层面的特特征相似似、特征征关联和和同属特特征网格格化划分分;(33)有效处处理“内外表表面”正则拓拓扑关系系的生成成算法;(44)完备建建立三维维实体结结构和运运算规则则;(55)实体几几何的局局部变形形、修改改和求精精;(66)形体的的内表面面质量的的窥镜式式三维导导航显示示与局部部缺陷修修复等.有关这这些方面面的研究,近年来来已经引引起了国国内外科科技界的的普遍关关注,每年都都有不少少研究论论文和成成果发表表.美国和和法国的的学者不不断提出出新的思思想,其
16、中的的关键内内容是如如何有效效地分离离相邻层层轮廓的的相似和和不相似似部分,并分别别实现三三角化.法国学学者Geiigerr按照3D Dellaunnay三角化化在断层层二维轮轮廓约束束下实现现体的重重构,在医学学上开发发了应用用软件Nauugess;然而,这种算算法需要要去掉非非法的四四面体结结构,同时难难以处理理分叉连连通问题题.Maarchhingg Cuube方法在在医学图图像可视视化方面面应用比比较多,但是,这种方方法容易易导致表表面裂纹纹,难以生生成面向向可制造造的实体体模型.国内西西北工业业大学、清清华大学学、西安安交通大大学、上上海医科科大学、中中国科学学院计算算技术研研究所、
17、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
18、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反求工工程CAD建模关关键性研研究内容容的分析析回顾国内内外在反反求工程程CAD建模领领域的研研究现状状,存在的的问题还还很多:一方面,有关“点云”数据造造型问题题的理论论研究还还不够系系统、全全面,针对“点云”数据处处理和曲曲面造型型的方法法需要改改进或提提高其可可操作性性;另一方方面,已有的的商业CAD系统不不能接受受这类“点云”,或本身身功能不不全面,难以顺顺利解决决复杂反反求工程程CAD建模问问题.总的来来说,
19、遇到的的主要问问题包括括:数据预预处理可可视化程程度低;操作对对象主要要是来源源于“点云”的点和和线,缺乏对对曲面尤尤其是特特征曲面面或实体体的直接接运算;分块NURRBS曲面构构造过程程中,相邻曲曲面之间间的光滑滑拼接和和保形条条件难以以达到或或根本达达不到要要求;在NURRBS曲面重重构中,缺乏对对曲面的的特征识识别,直接影影响反求求模型的的保形性性或微分分性质,难以满满足外形形美观要要求高的的产品设设计的需需求;重构曲面面与原始始数据之之间的误误差分析析和评价价要求更更直观、形形象;缺乏变变形设计计和修改改等重要要的修形形设计理理论和功功能813.针对曲曲面反求求重建中中的这些些问题,本
20、文总总结并归归纳出下下列需要要进一步步探讨的的内容.3.1“点云”数据预预处理技技术在解解决复杂杂表面零零件的反反求工程程CAD建模问问题上,目前普普遍采用用效率较较高的表表面测量量技术,如:非接触触式激光光扫描测测量(线扫描描或点扫扫描),基于照照相原理理的局部部快速拍拍照测量量,以及接接触式扫扫描测量量等.由这些些测量方方法提供供的数据据多半是是大规模模而且密密集的“点云”,一般的CAD系统难难以直接接对其进进行处理理,因此,在进行行三维CADD建模之之前,需要对“点云”数据进进行相应应的预处处理,主要预预处理内内容包括括:针对不不同的数数据来源源,根据数数字信号号处理理理论和方方法,研究
21、解决决噪声点点的局部部快速过过滤和平平滑技术术;解决不不同方向向多视数数据的拼拼合,以及漏漏测区域域的辅助助补全和和局部二二次采样样;基于多多分辨率率模型以以及高斯斯球的概概念,研究解解决重要要几何特特征的识识别、提提取、表表达和特特征重构构技术;基于特特征保持持和精度度控制的的三维分分区三角角网格化化及网格格优化与与编辑技技术;基于特特征的全全局三角角网格精精度控制制压缩处处理技术术等.3.2三三角曲面面插值与与计算采采用以三三角曲面面插值作作为过渡渡模型解解决反求求工程CAD建模问问题的策策略,除了已已经受到到人们重重视的三三角曲面面G1插值理理论和方方法外,还需要要进一步步研究面面向工程
22、程应用的的三角曲曲面造型型的相关关技术,包括:基于物物理模型型的复合合三角曲曲面光顺顺、变形形理论(包括基基于能量量原理、小小波变换换理论的的曲面光光顺算法法,变形问问题的数数学理论论、力学学背景以以及高效效率的人人机交互互技术等等);基于多多分辨率率模型等等理论指指导的三三角曲面面变形设设计的实实用算法法;基于特特征的局局部区域域分划、分分离、逼逼近、光光顺和再再采样技技术;曲面求求交、延延伸、过过渡、裁裁剪等高高级计算算问题.3.3基基于过渡渡曲面原原型的NURRBS曲面重重构将三三角曲面面插值模模型作为为过渡性性操作模模型或对对象,根据产产品的基基本特征征信息和和交互分分划曲线线网络,通
23、过区区域分治治重构NURRBS曲面模模型的方方法,是本文文作者提提出的一一种新的的解决复复杂曲面面产品反反求工程程CAD建模问问题的策策略,其中涉涉及到的的关键技技术主要要包括:特征求求精、再再现以及及自动分分离理论论与算法法的研究究(主要是是自动提提取和分分离二次次曲面,如平面面、柱面面、球面面、锥面面等特征征);自由曲曲面分区区重构技技术,重点是是自动求求解和协协调曲面面块之间间的光滑滑拼接问问题;重构曲曲面的可可视化误误差分析析,包括相相邻曲面面间的夹夹角、距距离误差差,任意截截面轮廓廓误差、曲曲面轮廓廓误差等等;重构NURRBS曲面块块的全局局协调光光顺理论论和方法法;NURRBS曲面
24、的IGEES标准输输出等.以上罗罗列的仅仅仅是作作者对复复杂曲面面零件反反求工程程CAD建模研研究的一一些看法法和正在在从事的的研究工工作,不能反反映这一一领域研研究的全全部.但值得得注意的的是,这种研研究和解解决问题题的路线线完全不不同于现现有的型型面反求求工程CAD系统和和算法.如何充充分利用用三角曲曲面原型型(过渡模模型),是贯穿穿这一研研究全过过程的重重要策略略,利用好好这种曲曲面重构构理论和和方法,会进一一步提高高反求工工程CAD建模的的精度、效效率和质质量.其中有有些想法法已经或或者正在在自行开开发的反反求工程程CAD软件RE-SOFFT中实现.此外,我们还还开展了了整个形形体的反
25、反求CAD建模(基于断断层扫描描数据的的实体重重构)技术的的研究,如:实体重重构理论论与方法法、基于于网格的的特征提提取与特特征修正正、数据据压缩、平平滑等等等.4反求求工程CAD应用实实例目前前,采用通通用型应应用软件件(如Proo/Ennginneerr,UGGII,STRRIM1100等)和专用用扫描数数据处理理软件的的结合,解决反反求工程程CAD建模问问题的应应用实例例非常多多.尽管这这种解决决问题的的效率和和质量都都比较低低,但在先先进的反反求工程程CAD系统出出现以前前,这种技技术和思思路还会会继续被被工程界界普遍采采用.近年来,随着高高速扫描描设备和和计算机机技术的的飞速发发展,
26、特别是是反求工工程CAD软件的的研究和和应用水水平的不不断提高高,能够体现现反求工工程CAD建模问问题特点点的软件件也在不不断推出出,比较有有实力的的系统包包括:Suurfaacerr,ICCEM/Surrf和RE-SOFFT.这些系系统除了了能够直直接处理理“点云”数据外,也具备备了一定定的完成成曲面造造型和计计算的功功能,是目前前反求工工程CAD领域中中最有前前途的软软件系统统.本文给给出了按按照这种种技术和和思路完完成的反反求工程程CAD若干应应用实例例.其中,应用实实例1由ICEEM/SSurff和RE-SOFFT合作解解决,处理比比较典型型的扫描描测量“点云”数据的的曲面造造型问题题
27、,图1(aa)图1(dd)示57336期柯映映林等:反求工工程CAD建模技技术研究究意了复复杂曲面面零件反反求工程程CAD建模的的一般过过程.图2所示应应用实例例2是由RE-SOFFT与UGIII软件共共同完成成的吸尘尘器、整整体叶轮轮复杂曲曲面的反反求工程程曲面建建模的结结果,经过“散乱点点数据三三角Bzieer曲面整整体G1连续曲曲面插值值基于特特征保持持的NURRBS曲面重重构利用UG对输出出的NURRBS曲面进进行二次次设计”的过程,最终得得到整体体光滑的的NURRBS曲面模模型.图3,图4所示的的应用实实例3和实例4是由RE-SOFFT与UGIII软件经经过和实实例2相似的的反求工工
28、程设计计过程,共同完完成的摩摩托车轮轮轴盖板板、某型型战机整整流罩模模具型面面复杂曲曲面的反反求工程程的曲面面模型.值得注注意的是是,这样获获得的反反求工程程的曲面面模型,可以利利用商业业CADD/CAAE/CCAM软件功功能进一一步完成成CAE、CAM的工作.5774计算机辅辅助设计计与图形形学学报报20001年致谢本文工工作是在在浙江大大学先进进制造技技术重点点实验室室CADD/CAAM中心的的教授及及博士研研究生的的共同支支持下完完成的.在产品品数据测测量、处处理和分分析方面面的工作作也得到到了美国国Parrameetriic TTechhnollogyy Coorp.Shaanghha
29、i Offficee余波先先生,成都飞飞机工业业公司张张兵工程程师、钟钟麟工程程师、张张雪松工工程师等等的支持持和帮助助,在此向向他们表表示感谢谢.特别感感谢国家家“八六三”高技术研研究发展展计划和和国家教教育部博博士点专专项基金金项目对对本文工工作的支支持.参考文献献1 Vaaraddy TT. RReveersee ennginneerringg off geeomeetriic mmodeels: Ann inntroo-duuctiion. Coompuuterr-Aiidedd Deesiggn, 19997, 29(4):2555-26682 Toong Chaao-WWei, L
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