反求工程CAD建模中点云数据区域分割及特征约束重构技术研究

【摘要】：随着计算机、数控、激光测量技术的高速发展，以及新的原理、技术的不断引入，反求工程已经成为消化、吸收先进技术，实现新产品快速开发的重要设计手段，被广泛应用于汽车、摩托车、飞机、家用电器、模具等产品的改型设计与创新设计。本文以产品设计意图与测量意图理解为着眼点，以重建支持产品创新的参数化特征模型为目标，围绕反求工程CAD建模中的特征、约束及参数化等关键技术展开研究。 从特征模型重建及反求与设计相结合的角度给出了反求工程特征与约束的定义、分类及表达。将反求工程特征划分为底层提取特征、高层组合特征及B-Rep单元／体素特征三个层次，分析了各层次特征空间的构成及不同特征层次之间的映射关系。提出了在通用CAD系统支持下基于特征及约束进行反求工程CAD建模的策略。 区域分割与特征识别密不可分，是设计意图理解及模型重建的基础。基于点云数据的三维划分及散乱点曲率变化建立了空间散乱数据边特征栅格提取的数学模型，并根据边特征栅格的空间位置及曲面栅格的连通性实现了空间散乱数据的区域分割。 提出了基于约束重构的截面形状特征进行拉伸、旋转、扫掠及蒙皮特征重构，进而进行复杂形体参数化特征造型的方法。并对其中的截面数据获取、平面离散曲线分段及约束逼近等关键技术进行了深入研究。 提出了拟合误差控制下的二次曲面数据自动分离的区域生长法，用交互选取特征曲面数据大样本的方法有效解决了区域分割算法中初始参数的选取问题。基于二次曲面的几何参数表达，建立了二次曲面约束逼近的最优化数学模型。通过最优化数学模型的求解，实现了重建CAD模型中二次曲面之间约束的再现。 特征与约束技术已成功应用于反求工程CAD建模软件RE-SOFT。结合RE-SOFT在工程中的实际应用说明了基于特征及约束技术进行反求工程CAD建模可显著提高模型重建效率及重建模型质量。 最后在总结全文工作和创新点的基础上，对反求工程参数化特征模型重建工作进行了展望。