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基于点云的二次曲面特征提取理论和技术研究

孙庆  
【摘要】: 本文针对反求工程CAD建模路线:从点云提取特征曲面,再进行曲面参数 化CAD造型过程中非常关键的步骤——特征提取进行了深入研究,着重研究了 二次曲面特征的提取,并对点云中的全局特征约束优化技术进行了有益的探索。 在当前反求工程CAD建模技术中,区域分割与特征识别是公认的薄弱环节, 而从样件数字化得到的散乱点云中直接进行特征提取,并依据特征参数进行 CAD建模是一条重要的建模路线,对提高反求工程建模效率,实现产品的快速 反求;提高反求工程建模精度,实现产品的精确建模;提高反求模型的修改能力, 实现产品的创新设计等都具有重要意义。本论文研究的正是这条建模路线中的一 些关键问题。 实物产品尤其是机械零件的表面通常是由一些可以称为特征的几何曲面组 成,这些几何特征曲面主要包括二次曲面、自由曲面和过渡曲面等。而在点云的 特征提取中,首先提取的是包括平面、自然二次曲面(包括球面、圆柱面、圆锥 面)和圆环面的“简单”曲面,我们认为平面是一种退化了的二次曲面,因此研 究二次曲面特征的提取是其中首要的课题。 在提取几何曲面特征的过程中,数据点的分割与曲面的拟合几乎是同时进行 的,而一般来说曲面拟合是两者之中的主动因素。本文着重研究了基于点云的二 次曲面特征的提取技术,提出并实现了利用线性和非线性的最小二乘方法由测量 数据点拟合平面以及球面、圆柱面、圆锥面等自然二次曲面的算法,并详细论述 基于最小二乘方法和区域生长的二次曲面特征提取技术。此外,还研究了自由曲 面和过渡曲面特征提取的一些理论和方法。 反求工程CAD建模的一个重要目标不仅是要还原模型几何特征,还要还原 特征之间的约束,孤立的曲面拟合不能与现代参数化设计及特征全相关的设计理 念相符合。基于特征提取与约束优化的反求CAD建模策略将最优化数学模型引 入反求工程,使单张曲面拟合转换成几何模型的全局求解,这与设计者的意图和 造型规律是相符合的。本文对于特征全局约束优化技术进行了有益的探索,提出 了有效的研究路线。 以上所有的研究内容都是从反求工程CAD建模的实际工程背景出发,具有 很强的工程应用价值。大量的应用实例表明,本文的研究理论和技术是成功的, 结果也是令人满意的。


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