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支持创新设计的模型重建方法
在CAD造型技术中,实现参数化设计的方法主要有:编程参数化、交互参数化、离线参数化和三维参数化等。
编程参数化通过编程来进行参数化设计。交互参数化是通过交互的方法来进行参数化设计,其生成方法又包括多种:变动几何法、作图规则匹配、几何作图局部求解法、辅助线作图法、变量流技术和交互生成参数绘图命令等。离线参数化是将几何模型向参数化模型转换,它分成两个步骤:其一:在已有图形基础上通过标注尺寸建立约束关系,其二,在已有图形和尺寸的基础上,通过尺寸框架的识别搜索建立约束关系。三维参数化的实现有两种途径:一是由二维参数化图形通过拉伸、旋转、扫掠等操作得到三维参数化图形,二维图形改变,三绍图形随之变化;二即是建立基于特征的三维参数化模型,特征模型中包含特征定位和特征间的关联信息,因而可以实现参数化。
根据逆向造型的特点和CAD造型实现参数化的几种方法,我们可以得出适合于逆向建模的参数化实现方法,即离线参数化和三维参数化。如图8.13所示,其处理过程为数据分割、特征约束识别、确定特征造型过程、特征的参数化建立。这里我们主要对特征约束识别和特征参数化方法展开讨论。
4.1几何特征识别
实现图1过程的关键技术首先为为特征约束识别,如果能将模型分解为不同特征的组合和确定特征间的约束关系,将为几何特征转换为参数化表示提供实现的基础。另外,为实现参数化需完整地给出特征的约束关系,不仅仅是用尺寸来建立图形元素约束的位置关系,因为无法通过尺寸标注来确定两图形元素相切的关系,尽管变量化方法不需要建立全约束关系,但对产品修改来说,如果产品具有装配关系,模型的变化是相互关联的,这时零部件之间整体协同变形的约束关系是必需的。约束关系建立或确定的难点在于模型数字化后,测量数据点几乎不包含几何特征的约束关系,应通过原形分析来判断推理,但这样获得约束关系不可避免地带有不完整性和不确定性。
1.特征分类
对模型重建我们仅需考虑与造型相关的形状几何特征,而且主要是构成模型的低层几何体素及其构造特征,如点、线、面等。为方便后续的特征识别,根据几何特征的特点和识别方法的不同,我们将几何特征分成规则几何特征和造型特征,两类特征的组成见表1、2。
造型特征实际上是自由曲面特征,在几何造型时,组成零件外形的复杂曲面都是基于上述造型手段由曲面片组合而成,在模型重建时,如果能识别原形的造型方法,就为曲面还原提供了几何基础。
2. 特征模型
根据零件外形组成、特征表达及特征间的约束关系,零件的特征模型被定义为一个三层结构,见图3。第一层是零件几何外形层,包含零件实体和特征的几何尺寸参数;第二层是几何特征层,包含特征构造图和特征间的约束关系;第三层是几何信息层,包含构成特征的参数曲面片或Bezier、NURBS曲面片。
3.特征识别
(1)规则几何特征的识别
规则几何特征是构成零件外形的基本几何特征,对机械零件产品,在外形测量时即可由坐标测量机完成部分特征的识别和测量,如平面、直线、圆(弧)等。但对于一些具有复杂外形的产品覆盖件,一方面组成特征不明显,另外,由于曲面形状变化,使孔槽特征的轮廓线没有位于一个平面内,更由于制造误差使轮廓外形产生变形,特征识别就变得重要。
针对规则特征的特征匹配识别方法的步骤包括:
Step1:建立匹配特征库;
Step2: 初步判定特征类型;
Step4: 进行特征匹配;
Step5: 完成特征识别,提取已识别特征的几何参数,实施特征参数化。
特征类型的初步确定主要通过数据几何特征由人工判定。
特征的匹配定位点根据特征的不同,其定位方式主要分为点定位和点-轴定位。点定位主要用于圆、圆弧及球体的定位,可以通过计算测量数据点的重心得到;点-轴定位主要用于椭圆、抛物线(面)等二次曲线、面的定位,轴主要是特征的对称轴,对称轴的建立可由边界轮廓的相互镜像求出。
特征匹配过程需要处理待识别的特征轮廓线不处于一个平面内时,如曲面表面的孔槽、斜孔和由于测量误差使扫描截面线成为一空间曲线的情况,在匹配之前应将其对应的离散数据点投影在一个平面内。孔槽、斜孔的投影平面即为其草绘平面,可先重建轴线,再构建投影平面;扫描截面线的投影平面的建立较容易,即为测量时固定的坐标轴平面。
特征识别主要由选择的特征判据确定,特征技术中特征匹配识别采取的判据是特征线的重合率[16],方法是先从特征库中选取不同尺寸的一匹配特征,然后减小它们之间的距离,这样可以得到一最小距离内的最大数据包容量,最终特征可取二者的平均得到。这种方法不必进行曲线(面)拟合计算,在匹配识别的同时即可完成特征的重建,可有效用于大部分规则特征的识别,如直线、平面、圆(球)、椭圆、抛物线面等。
更多相关知识:周佚http://www.spointdesign.com/about.shtml
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