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逆向工程中数据分块技术研究

作　者: 张壮雅
导　师: 段明德
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 逆向工程基本曲面辅助曲面数据分块基于三角网格模型二次分块方法
分类号: TP391.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

逆向工程技术作为一种新的产品开发形式,在消化吸收国外先进技术,缩短产品开发周期、提升产品竞争力中发挥着重要的作用。在实际生产中,产品的外形一般多由规则曲面和自由曲面等通过拼接、过渡、缝合等组成。仅用单一曲面数学模型拟合产品外形曲面,难以保证重构曲面的精度和光顺性要求。因此,在产品外形的曲面重构中,为降低重构曲面的描述难度,提高拟合质量,需对点云数据进行分块。数据分块是逆向工程中的关键技术之一,也一直是逆向工程的研究热点和难点,数据分块的结果将直接影响后期曲面重构的效率、精度和光顺性。数据分块,是在获取的产品点云数据基础上进行的。但由于数据获取方法、工作环境以及测量设备自身的原因,使测量所得到的高密度散乱点云数据存在着大量噪声点、冗余数据和表面缺陷等,造成以此数据为基础建立的三角网格模型存在孔洞、自交网格、法向量错误、重叠、顶点错误、孤立网格等错误,对后续数据分块产生影响。针对这一问题,本文给出点云数据预处理的技术路线。首先,对三角网格模型中存在的错误三角面片进行识别和删除,形成只包含单一孔洞错误的三角网格模型。然后,针对单一孔洞错误进行集中修复。最后采用主曲率和主方向均匀的三角网格光顺方法进行去噪处理。通过对试验块数据处理前后对比,验证该方法可有效降低由于点云数据误差对后续分块产生的影响。本文在研究了现有数据分块方法的基础上,通过对产品外形特征的分析和总结,提出通过提取曲面之间过渡曲面来分割数据点云的方法。针对含有复杂过渡曲面和一般过渡曲面的产品外形不易分块的问题,以及分块数据的凹凸一致性要求。通过分析基本曲面与过渡曲面法矢夹角变化特点,提出基于三角网格模型二次分块方法,根据三角网格顶点法矢与种子点法矢夹角以及网格顶点高斯曲率正负情况,分两次对数据点云进行分块的方法,通过对包含基本曲面和过渡曲面的试验块分块,证明了该方法的有效性和稳定性。该方法为由基本曲面、自由曲面、尖锐边界过渡曲面、一般过渡曲面和复杂过渡曲面组成的产品曲面分块提供了依据。将本文研究结果应用于某型汽车转向节叉壳体和某型摩托车覆盖件改型设计的逆向开发中,实现对包含尖锐边界、简单过渡曲面和复杂过渡曲面汽车转向节和摩托车覆盖件的曲面分离,分块结果能很好的反应汽车转向节和摩托车覆盖件的外形特点,进一步验证了该方法的有效性和实用性,为后期进行高质量的曲面重构和CAD模型的重建提供了良好的基础。所设计的覆盖件和转向节叉壳体已经投入生产和应用,取得了较好的经济效益。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-13
  1.1 逆向工程概述  9-10
    1.1.1 逆向工程的内涵  9-10
    1.1.2 逆向工程的基本流程  10
  1.2 数据分块在逆向工程中的重要性  10-11
  1.3 逆向工程数据分块方法的现状  11-12
  1.4 课题背景和来源  12
  1.5 本文的主要研究内容  12-13
第2章复杂曲面模型的几何特征  13-21
  2.1 模型特征分解  13-14
  2.2 几何特征组成、分类及数学表示  14-20
    2.2.1 特征组成  14
    2.2.2 规则曲面  14-16
    2.2.3 自由曲面  16-19
    2.2.4 过渡曲面  19-20
  2.3 本章小结  20-21
第3章数据预处理  21-27
  3.1 数据采集  21-22
  3.2 点云拓扑关系建立  22-25
  3.3 数据修正  25-26
  3.4 本章小结  26-27
第4章基于面和边的分块方法  27-35
  4.1 基于面的数据分块方法  27-30
    4.1.1 基本思想  27-29
    4.1.2 基于面方法的突出问题  29-30
    4.1.3 问题分析  30
  4.2 基于边的数据分块方法  30-34
    4.2.1 基本思想  30
    4.2.2 一般算法描述  30-32
    4.2.3 基于边方法的突出问题  32-33
    4.2.4 问题分析  33-34
  4.3 本章小节  34-35
第5章基于三角网格模型的二次分块方法  35-53
  5.1 特征曲面的初次分块  35-39
    5.1.1 算法原理  35-38
    5.1.2 法矢计算  38-39
    5.1.3 三角网格模型初次分块判定步骤  39
  5.2 三角网格模型二次分块  39-44
    5.2.1 算法原理  39-41
    5.2.2 高斯曲率计算  41-43
    5.2.3 区域生长  43-44
    5.2.4 数据块优化  44
  5.3 实验验证  44-52
    5.3.1 试验设计  44-45
    5.3.2 点云数据获取及预处理  45-48
    5.3.3 分区准确性判断  48-51
    5.3.4 分区抗噪性检测  51-52
  5.4 本章小结  52-53
第6章基于三角网格模型的二次分块方法的应用  53-59
  6.1 汽车转向节叉外观逆向建模  53-56
    6.1.1 汽车转向节叉壳体模型分析  53-54
    6.1.2 数据采集  54
    6.1.3 数据分块  54-55
    6.1.4 产品结构设计  55-56
  6.2 摩托车覆盖件改型设计  56-58
    6.2.1 摩托车外观造型方案设计  56
    6.2.2 数据采集  56-57
    6.2.3 数据分块  57-58
    6.2.4 产品结构设计  58
  6.3 结论  58-59
第7章总结与展望  59-61
  7.1 总结  59-60
  7.2 展望  60-61
参考文献  61-64
致谢  64-65
攻读硕士学位期间的研究成果  65

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