文档介绍：逆向工程在产品形态改良设计中的应用研究
郭南初作者简介:郭南初(1964-),男,湖南岳阳人,副教授,主要研究方向:计算机图形学、计算机辅助教学、逆向工程技术。
摘要:产品形态的改良设计涉及到自由曲面处理,但利用产品形态点云数据获得满意的曲面重构是困难的。利用NURBS曲面拟合技术,将产品外观按形态先进行分类,再据此对产品外形进行重构,就容易得多。事实证明,在不需要较高精度的条件下,利用NURBS曲面拟合技术对自由曲面进行重构,能够获得令人满意的产品形态。这一技术对产品形态的改良设计具有良好的实用性。
关键词:逆向工程;产品形态;改良设计;NURBS
1 引言
所谓逆向工程,就是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术,几何模型重建技术和产品制造技术的总称。其逆向过程是根据产品进行三维测量,利用测量数据生成数字化产品。
产品形态改良设计就是对原有产品形态的缺陷与不足进行进行创新或局部修改,增加产品美感,提升产品档次[1]。
改良性产品开发设计是基于现有产品基础上的整体优化和局部改进设计,使产品更趋完善,更适合于人与市场的需求,以及环境的需求,或者更适应新的制造工艺和新的材料。利用逆向工程技术对产品形态进行改良设计是一种高效而可行的设计方法。
改良性产品开发设计,首先要分析产品的“不良”之处,即存在的缺点,通常是有针对性的作部位部件的效果分析,在材料、工艺、结构上加以改进,但这些不是本文研究的重点,本文研究重点是基于特征的几何模型重建技术。在进行产品形态的设计研究中,对产品的精度要求不高,因此在产品逆向建模的过程中对误差没有太多的要求。在我国,目前主要的产品形态改良设计还是处于传统的手工状态,基于逆向工程的产品形态改良设计还处于起步阶段。其实形态改良是最适合采用逆向工程技术的。
逆向工程的出现极大地缩短了产品的开发周期,当今,世界各国在其经济技术发展领域中,大量应用逆向工程消化吸收先进技术经验,并提出一定的创新思想。逆向工程技术现已广泛地应用于产品改进、创新设计,特别是具有复杂曲面外形的产品,它极大地缩短了产品的开发周期,提高了产品精度,是消化、吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段。
2 产品模型曲面重构
产品形态,这里指形状信息,其核心问题是计算机表示,即解决适合计算机处理,且有效地满足形状表示与几何设计的要求,又便于形状信息传递的数学方法。在逆向工程中,产品CAD模型的重构是利用产品表面的散乱点数据,通过对这些数据进行拟合,生成曲面或曲面片,最后通过曲面片的拼接和裁剪等曲面编辑操作,完成曲面模型的构建。这里最重要的是自由曲面的特征重建。
由点云拟合成曲面的算法目前总共有三类:四边域的参数曲面拟合、三边域的曲面拟合方法、基于多面体的曲面拟合技术。以NURBS曲面为代表的四边域参数曲面拟合具有数据通用性好、算法稳定、曲面编修能力强、曲面质量好的特点,已经成为曲面拟合方式的主流。
对于自由曲面的描述,目前国际上多采用NURBS方法,为统一数学描述方法。其数学表达式为[2]:
为呈拓扑矩形阵列的控制顶点网格
是双变量有理基函数(C2连续):
是与顶点联系的权重因子,初始状态取=1;在调整阶段适当选取值,越大,曲面越靠近控制顶点。四角顶点处权重因子为非负;曲面拟合的第一步是确定插值曲面的节点矢量。设两向量分别获得个数据