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建筑专业论文建筑cad论文建筑学论文：反求工程CAD建模技术研究摘要 将设计思想或实物原型迅速、直接、精确地转变为可以再加工的CAD模型,是产品创新设计和快速原型制造面临的关键技术.综合国内外反求工程CAD建模的研究和应用现状,分析了反求工程CAD建模问题的特点和需要进一步解决的主要问题,讨论了目前工程界普遍采用的反求工程CAD建模技术与思路,以及作者在解决这一系列问题中取得的进展情况.关键词 反反求工程程,CAAD,三三角Béézieer曲面面,曲面面重构1 引 言 快速速原型制制造(又又称RPPM技术术)是诞诞生于880年代代后期、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220年来来产品设设计与制制造领域域的一次次重大突突破.其其对制造造行业的的冲击可可与50060年年代的数数控技术术相比,尤其是是快捷的的产品原原型制造造,为面面向211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.RRPM综综合了计计算机、机机械工程程、CAAD、数数控技术术、激光光技术及及材料科科学等高高新技术术.通过过RPMM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,或或直接制制造产品品,从而而可以对对产品设设计进行行快速评评估、修修改及功功能试验验,大大大缩短产产品的研研制周期期.以RRPM系系统为基基础发展展起来并并已成熟熟的快速速工装模模具制造造(Quuickk Toooliing &Mooldiing)、快速速精铸技技术(QQuicck CCasttingg),可可以实现现零件的的快速制制造(QQuicck MManuufaccturringg).由由此可以以看出,RPMM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.反求求工程(Revversse EEngiineeerinng)CCAD建建模是实实现RPPM的核核心技术术之一,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CCAD模模型的过过程.与与传统意意义的仿仿形制造造不同,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.将将RPMM与反求求工程结结合起来来,一方方面为提提高工程程设计、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CAAD/CCAE/CAMM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11.开开展反求求工程CCAD建建模关键键技术和和系统开开发问题题的研究究,是进进一步推推进RPPM技术术的应用用水平、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.同时时,反求求工程CCAD系系统和技技术可广广泛应用用于:汽汽车、摩摩托车、家家用电器器等复杂杂产品外外形的修修复、改改造与创创新设计计;自然然景物的的计算机机描述;人体拟拟合,如如头盔、太太空服等等一些功功能复杂杂、价格格昂贵的的产品的的设计等等.因此此,这一一研究具具有广阔阔的应用用前景,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CCAD设设计与制制造水平平,增强强产品设设计与制制造中的的高新技技术含量量,提高高产品的的市场竞竞争能力力,具有有重要的的实际意意义和经经济价值值.2 反求工工程CAAD建模模问题的的特点和和研究 综述近近年来,计算机机和测量量技术的的飞速发发展,以以及测量量手段的的不断丰丰富,极极大地刺刺激了反反求工程程技术的的发展.在制造造业中,常见的的测量手手段有三三种:(1)三三坐标测测量机;(2)三维数数字化扫扫描仪;(3)工业CCT等断断层扫描描设备.坐标测测量机虽虽然测量量精度高高,但测测量速度度和效率率较低;激光扫扫描测量量仪可以以有效地地测量复复杂型面面,但是是难以处处理复杂杂零件的的内部结结构测量量,如对对发动机机缸体、航航空叶片片等复杂杂零件的的精确测测量;工工业CTT能够实实现复杂杂实物的的完整测测量,但但测量精精度还不不高.近近年来出出现的层层析三维维数字化化测量技技术,可可以实现现任意复复杂零件件的完整整测量,精度可可以达到到5.33m,是是实现复复杂形体体的整体体几何反反求工程程CADD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建模模内容可可以分为为两个方方面:一一是以处处理复杂杂型面为为主要特特点的表表面反求求CADD建模的的研究;另一方方面是研研究整个个形体的的反求CCAD建建模问题题.有关关前者的的研究比比较多,而且比比较深入入,已进进入需要要进一步步解决关关键性应应用算法法和形成成高性能能应用系系统的阶阶段.对对于后者者,虽然然有医学学图像可可视化问问题的研研究成果果为基础础,但是是要想全全面、系系统地解解决面向向可以制制造的复复杂实物物零件的的反求工工程CAAD建模模的问题题,仍存存在许多多需要进进一步研研究和解解决的问问题33.复复杂曲面面产品的的反求工工程CAAD建模模,作为为反求工工程的关关键技术术之一,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,是是国内外外学术界界,尤其其是CAAD/CCAM领领域广泛泛关注的的热点问问题之一一.传统统的研究究和解决决此问题题的途径径一般有有两种:一是以以三坐标标测量机机(CMMM)或或激光扫扫描测量量机为基基础,在在人为制制定的测测量规划划原则的的指导下下,将一一个复杂杂的自由由曲面分分成若干干个拓扑扑结构为为四边形形边界的的区域,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,转转换为通通用CAAD/CCAM系系统可以以接受的的数学模模型文件件,完成成产品的的测量建建模.另另一种方方法,主主要通过过非接触触式激光光扫描测测量机完完成对物物理模型型的密集集扫描,并将这这些数据据直接用用于数控控加工(英国RReniishaaw公司司的系列列SCAAN软件件、美国国PTCC公司的的Proo/Ennginneerr系统及及法国的的STRRIM1100软软件等均均具有这这方面的的功能),或者者经过对对扫描数数据的一一系列处处理,产产生构造造物体表表面模型型所需要要的主要要几何特特征;根根据这些些几何特特征,最最终由通通用的CCAD/CAMM系统建建立实物物的表面面模型.这类软软件主要要包括SSurffaceer,IIcemm/Suurf等等.无论论是测量量数据的的直接加加工,还还是复杂杂曲面的的分区域域测量建建模,这这些方法法都存在在以下问问题:(1)由由于被测测物理对对象的多多样性,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,难难以准确确把握;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)在数数据采集集中,以以截面为为单位密密集布置置测量点点,缺乏乏对几何何特征的的自动辨辨识,很很难准确确、全面面地获取取描述曲曲面所要要求的特特征数据据,曲面面重建后后保形性性差.(3)如如果通过过激光测测量设备备对自由由曲面进进行密集集扫描,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地称为“点云”,这种种数据类类型是目目前的CCAD/CAMM系统无无法接受受和处理理的.因因此,如如何有效效地解决决测量“点云”对象的的造型问问题成为为研究重重点.在在这方面面的研究究美国华华盛顿大大学起步步较早,解决了了数据预预处理并并提出了了多视区区测量数数据的处处理问题题,但由由于采用用的曲面面造型方方法未能能突破四四边形曲曲面的条条件,开开发的原原型系统统没能进进一步深深入.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则更多多地注意意了指定定区域内内的动态态测量点点计算,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,还没有有开发出出原型系系统.国国内的浙浙江大学学、西北北工业大大学、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CADD问题的的研究,虽然有有的单位位起步较较早,但但大多数数单位是是近年才才开始研研究的,重点是是对反求求工程CCAD研研究中的的个别数数据预处处理算法法的效率率进行改改进与可可靠性分分析,还还未形成成系统的的研究.浙江大大学是国国内较早早研究散散乱点三三角Béézieer曲面面插值理理论,并并将这种种理论应应用于解解决反求求工程CCAD建建模问题题的单位位之一.作者在在19888年开开始的博博士学位位论文工工作中,就确定定了采用用三角曲曲面模型型来解决决反求工工程CAAD建模模问题的的研究方方向,并并由于选选用了有有特色的的数学理理论和方方法,为为后来进进一步深深入、系系统地研研究解决决任意复复杂对象象的反求求工程CCAD建建模问题题打下了了坚实的的理论基基础.与与国外开开展此类类问题研研究的美美国华盛盛顿大学学、南澳澳大利亚亚大学、新新加坡国国立大学学和英国国曼彻斯斯特大学学等相比比,国内内在正确确选择“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,提提出了以以三角曲曲面为过过渡模型型的NUURBSS曲面光光滑重构构理论和和方法.比较而而言,国国外目前前最先进进的反求求工程CCAD建建模系统统,仍然然采用基基于“点云”和特征征的交互互雕刻NNURBBS曲面面的造型型方法,在实现现相邻NNURBBS曲面面光滑拼拼接时,缺乏足足够的跨跨边界的的连续条条件的支支持,使使重构曲曲面块之之间的光光滑连续续以及邻邻近边界界处的曲曲面保形形性能难难以达到到预定的的精度要要求.因因此,取取代从“点云”中直接接取样,而采用用从全局局达到GG1连续续的三角角曲面过过渡模型型上取样样(多半半可以采采用基于于特征的的交互定定义)以以及分区区重构,是解决决复杂型型面产品品反求工工程CAAD建模模问题的的最新途途径和方方法之一一37.对于实实物断层层扫描数数据的反反求CAAD建模模问题,无论数数据是来来源于工工业CTT扫描、医医学CTT、MRRI扫描描,还是是层析扫扫描,目目前都需需要进一一步研究究解决下下列关键键技术和和算法:(1)层面数数据分析析,包括括特征提提取、特特征组织织、特征征运算;(2)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)有效效处理“内外表表面”正则拓拓扑关系系的生成成算法;(4)完备建建立三维维实体结结构和运运算规则则;(55)实体体几何的的局部变变形、修修改和求求精;(6)形形体的内内表面质质量的窥窥镜式三三维导航航显示与与局部缺缺陷修复复等.有有关这些些方面的的研究,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,每每年都有有不少研研究论文文和成果果发表.美国和和法国的的学者不不断提出出新的思思想,其其中的关关键内容容是如何何有效地地分离相相邻层轮轮廓的相相似和不不相似部部分,并并分别实实现三角角化.法法国学者者Geiigerr按照33D DDelaaunaay三角角化在断断层二维维轮廓约约束下实实现体的的重构,在医学学上开发发了应用用软件NNaugges;然而,这种算算法需要要去掉非非法的四四面体结结构,同同时难以以处理分分叉连通通问题.Marrchiing Cubbe方法法在医学学图像可可视化方方面应用用比较多多,但是是,这种种方法容容易导致致表面裂裂纹,难难以生成成面向可可制造的的实体模模型.国国内西北北工业大大学、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、华华中科技技大学、浙浙江大学学CADD &CCG国家家重点实实验室等等也先后后开展了了这方面面的研究究,并取取得了一一定的成成果.然然而,应应当指出出,面向向可制造造的复杂杂实体反反求工程程CADD建模问问题的研研究,不不完全等等同于医医学图像像可视化化问题,反求工工程CAAD首先先要求建建立实物物的三维维模型,涉及三三维求值值计算、设设计修改改等非常常复杂的的计算几几何问题题.同时时,作为为一个面面向应用用的特色色CADD软件,还需要要解决与与其它系系统的标标准化和和规范化化交换等等实际应应用的关关键技术术,是一一个涉及及多学科科和领域域、深入入交叉的的、复杂杂的系统统研究工工程.在在研究层层次和水水平上,中国和和发达国国家基本本上没有有差距,各有其其特色.综合国国内外反反求工程程CADD领域的的研究和和应用现现状,可可以看出出,目前前非常适适用的、功功能强大大的系统统还没有有.因此此,随着着RP/RT技技术的不不断发展展和人们们对产品品创新设设计的渴渴望,有有关反求求工程CCAD系系统的产产业化研研究存在在着巨大大的商业业机遇,是我国国高新技技术产业业,尤其其是软件件产业的的重要发发展方向向之一.3 反求工工程CAAD建模模关键性性研究内内容的分分析回顾国内外外在反求求工程CCAD建建模领域域的研究究现状,存在的的问题还还很多:一方面面,有关关“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;另一一方面,已有的的商业CCAD系系统不能能接受这这类“点云”,或本本身功能能不全面面,难以以顺利解解决复杂杂反求工工程CAAD建模模问题.总的来来说,遇遇到的主主要问题题包括: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,缺缺乏对曲曲面尤其其是特征征曲面或或实体的的直接运运算;分分块NUURBSS曲面构构造过程程中,相相邻曲面面之间的的光滑拼拼接和保保形条件件难以达达到或根根本达不不到要求求;在NNURBBS曲面面重构中中,缺乏乏对曲面面的特征征识别,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;缺缺乏变形形设计和和修改等等重要的的修形设设计理论论和功能能813.针对对曲面反反求重建建中的这这些问题题,本文文总结并并归纳出出下列需需要进一一步探讨讨的内容容.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CADD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:非非接触式式激光扫扫描测量量(线扫扫描或点点扫描),基于于照相原原理的局局部快速速拍照测测量,以以及接触触式扫描描测量等等.由这这些测量量方法提提供的数数据多半半是大规规模而且且密集的的“点云”,一般般的CAAD系统统难以直直接对其其进行处处理,因因此,在在进行三三维CAAD建模模之前,需要对对“点云”数据进进行相应应的预处处理,主主要预处处理内容容包括:·针对不不同的数数据来源源,根据据数字信信号处理理理论和和方法,研究解解决噪声声点的局局部快速速过滤和和平滑技技术;··解决不不同方向向多视数数据的拼拼合,以以及漏测测区域的的辅助补补全和局局部二次次采样;·基于多多分辨率率模型以以及高斯斯球的概概念,研研究解决决重要几几何特征征的识别别、提取取、表达达和特征征重构技技术;··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CCAD建建模问题题的策略略,除了了已经受受到人们们重视的的三角曲曲面G11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,变形形问题的的数学理理论、力力学背景景以及高高效率的的人机交交互技术术等);·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NNURBBS曲面面重构将将三角曲曲面插值值模型作作为过渡渡性操作作模型或或对象,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,通过区区域分治治重构NNURBBS曲面面模型的的方法,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CADD建模问问题的策策略,其其中涉及及到的关关键技术术主要包包括:··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(主要要是自动动提取和和分离二二次曲面面,如平平面、柱柱面、球球面、锥锥面等特特征);·自由曲曲面分区区重构技技术,重重点是自自动求解解和协调调曲面块块之间的的光滑拼拼接问题题;·重构曲曲面的可可视化误误差分析析,包括括相邻曲曲面间的的夹角、距距离误差差,任意意截面轮轮廓误差差、曲面面轮廓误误差等;·重构NNURBBS曲面面块的全全局协调调光顺理理论和方方法;··NURRBS曲曲面的IIGESS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CADD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,不不能反映映这一领领域研究究的全部部.但值值得注意意的是,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CCAD系系统和算算法.如如何充分分利用三三角曲面面原型(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,利用用好这种种曲面重重构理论论和方法法,会进进一步提提高反求求工程CCAD建建模的精精度、效效率和质质量.其其中有些些想法已已经或者者正在自自行开发发的反求求工程CCAD软软件REE-SOOFT中中实现.此外,我们还还开展了了整个形形体的反反求CAAD建模模(基于于断层扫扫描数据据的实体体重构)技术的的研究,如:实实体重构构理论与与方法、基基于网格格的特征征提取与与特征修修正、数数据压缩缩、平滑滑等等.4 反反求工程程CADD应用实实例目前前,采用用通用型型应用软软件(如如Proo/Ennginneerr,UGGII,STRRIM1100等等)和专专用扫描描数据处处理软件件的结合合,解决决反求工工程CAAD建模模问题的的应用实实例非常常多.尽尽管这种种解决问问题的效效率和质质量都比比较低,但在先先进的反反求工程程CADD系统出出现以前前,这种种技术和和思路还还会继续续被工程程界普遍遍采用.近年来来,随着着高速扫扫描设备备和计算算机技术术的飞速速发展,特别是是反求工工程CAAD软件件的研究究和应用用水平的的不断提提高,能能够体现现反求工工程CAAD建模模问题特特点的软软件也在在不断推推出,比比较有实实力的系系统包括括:Suurfaacerr,ICCEM/Surrf和RRE-SSOFTT.这些些系统除除了能够够直接处处理“点云”数据外外,也具具备了一一定的完完成曲面面造型和和计算的的功能,是目前前反求工工程CAAD领域域中最有有前途的的软件系系统.本本文给出出了按照照这种技技术和思思路完成成的反求求工程CCAD若若干应用用实例.其中,应用实实例1由由ICEEM/SSurff和REE-SOOFT合合作解决决,处理理比较典典型的扫扫描测量量“点云”数据的的曲面造造型问题题,图11(a)图1(d)示示57336期柯柯映林等等:反求求工程CCAD建建模技术术研究意意了复杂杂曲面零零件反求求工程CCAD建建模的一一般过程程.图22所示应应用实例例2是由由RE-SOFFT与UUGIII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,经经过“散乱点点数据三三角Béézieer曲面面整体GG1连续续曲面插插值基于特特征保持持的NUURBSS曲面重重构利用UUG对输输出的NNURBBS曲面面进行二二次设计计”的过程程,最终终得到整整体光滑滑的NUURBSS曲面模模型.图图3,图图4所示示的应用用实例33和实例例4是由由RE-SOFFT与UUGIII软件经经过和实实例2相相似的反反求工程程设计过过程,共共同完成成的摩托托车轮轴轴盖板、某某型战机机整流罩罩模具型型面复杂杂曲面的的反求工工程的曲曲面模型型.值得得注意的的是,这这样获得得的反求求工程的的曲面模模型,可可以利用用商业CCAD/CAEE/CAAM软件件功能进进一步完完成CAAE、CCAM的的工作.5744计算机机辅助设设计与图图形学学学报20001年年致 谢谢 本文文工作是是在浙江江大学先先进制造造技术重重点实验验室CAAD/CCAM中中心的教教授及博博士研究究生的共共同支持持下完成成的.在在产品数数据测量量、处理理和分析析方面的的工作也也得到了了美国PParaamettricc Teechnnoloogy Corrp.SShannghaai OOffiice余余波先生生,成都都飞机工工业公司司张兵工工程师、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,在此此向他们们表示感感谢.特特别感谢谢国家“八六三三”高技术术研究发发展计划划和国家家教育部部博士点点专项基基金项目目对本文文工作的的支持.参考文献1 Varradyy T. 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