反求⼯程建模中点云切⽚技术研究
摘要：本⽂阐明了反求⼯程和点云的基本概念、作⽤；给出了反求⼯程建模及点云重构CAD模型的基本步骤：论述了反求⼯程涉及的关键技术点云
切⽚并给出点云切⽚原理；提出了⽤⼀组平⾏平⾯去剖切点云的切⽚
⽅法；研究了基于点云切⽚的蒙⽪曲⾯重构的理论和⽅法并⽤实例证
明了这种⽅法的可⾏性。
关键词：反求⼯程；点云切⽚；截⾯形状特征；⾃由曲⾯；曲⾯重构 1 引⾔
反求⼯程是指针对已有产品原型，消化、吸收和挖掘蕴含在其中的涉及产品设计、制造和管理等各个⽅⾯的原理和知识的⼀系列分析⽅法、⼿段和技术的综合。反求⼯程是现代设计制造及新产品开发的重要技术⼿段，是从⼀个已有的物理模型产⽣相应的CAD⼏何模型或实体模型的反求建模过程。
VaradyT等⼈认为，反求建模不仅仅是为了实现对实物样件的外形反求即实物的原样拷贝，更重要的是应当反求出产品的设计意图，得到实物的原始设计信息，他们将反求⼯程建模分为四个主要步骤：数据获取、数据预处理、数据分块与曲⾯重构、CAD模型重建。 2 点云
2.1 点云
反求⼯程中数据获取的途径是数据测量，数据测量中测量系统可以得到测量⾯上⼤量密集点的原始测量数据，称为“点云”。点云是呈⾮连续状态的离散数据点，是离散表达零件表⾯形状特征信息的空间散乱点的集合。 2.2 点云分类及特点
按照点云中点的排列⽅式不同，点云分为：扫描线点云、散乱点云、⽹格化点云、多边形点云。对于点云来说，若单独观察点云中每⼀个点都没有特别之处，⽽将所有点⼀起观察时，就体现出⾮常强的稳定性和规律性，如平⾯、柱⾯、拉丝⾯等。⾃由曲⾯特征的参数都是以曲线形式表⽰的，这些作为特征参数的曲线都需从测量数据即点云中产⽣。当点云数据分布⽐较有规律，如沿某个⽅向成⾏(列)分布时，所得曲线⼀般⽐较光顺；当数据完全散乱时，所得到的曲线在空间
可能会发⽣扭曲，有较多的拐点，所⽣成的曲⾯会受较⼤的影响。由点云重构CAD 模型的核⼼是截⾯线处理。
2.3点云重构CAD模型的基本步骤
由点云重构CAD模型的基本步骤：分块点
云、点云切⽚、曲⾯重构、CAD模型。（图1）
具体操作时要根据⾃由曲⾯的特点，设计切⽚
位置和数量，对点云进⾏切⽚，获得⼆维截⾯自制自慰器
数据，对截⾯数据进⾏处理。获得截⾯线。点包装内托
云切⽚时，可阻根据⾃由曲⾯的特点．参照⼀
定的切⽚规则进⾏点云切⽚，使截⾯线尽量贴
近原始设计曲线。
图1 基于点云的建模模型
3 点云切⽚
3.1分块点云
混凝土泵送剂
点云分块是将整个点云模型分割成包含单⼀曲⾯特征的点云数据⼦集。点云分块技术主要有两种⽅法：基于边的⽅法和基于⾯的⽅法和基于边的⽅法⾸先进⾏敞乱点三⾓化。进⽽识别棱边井进⾏区域分割。基于⾯的⽅法是将具有相似⼏何特征的空间点划分为同⼀区域。根据分割原理不同，基于⾯的⽅法⼜可细分为基于同⼀曲⾯曲率或法⽮相似性的⽅法和曲⾯拟合误差控制的⽅法。
在反求⼯程建模时，将特征与测量数据进⾏匹配，按匹配结果对点云数据进⾏分块，对于特征提取⽽⾔，点云分块是⾮常重要的前提条件。
3．2点云切⽚
3．2．1点云切⽚
点云切⽚可描述为：给定⼀个平⾯E，⼀块点云P，求出P位于E上的截⾯曲线，园为点云的密度总是有限的。不可能使点云在E 上的点构造⼀条完整的截⾯曲线，要严格求出P位于E上的截⾯曲线⼏乎是
不可能的，可以采⽤给定⼀个合适的带宽，将E沿法⽮⽅向左右各等距带宽的⼀半⽣成平⾯EI和ER．⽤位于之间的带状数据PCi来计算切⽚数据．并由切⽚数据构造截⾯曲线。给定的带宽称为切⽚厚度δ．实际切⽚厚度取δ=kP，p为点云的估算分布密度．k为系数，取1-4可以得
小型振动器到理想的效果。对切⽚数据排序后，就可以将有序的切⽚数据拟合为样条曲线，即重构边界。
3．2．2反求⼯程中点云切⽚
反求⼯程中的点云切⽚是通过⼀组按⼀定规律分布的平⾯与点云数据进⾏求交运算，得到⼀组⼆维截⾯轮廓数据．这些截⾯数据主要⽤于拘建曲⾯重建的曲线。点云切⽚的实质是⽤某平⾯和点云进⾏求变得到切⽚曲线。理想状态下的切⽚曲线应当是平⾯与描述该点云数据的曲⾯相交得到的曲线，曲线是曲⾯构建的基础．拉伸、旋转、蒙⽪等各种曲⾯构建部需要⼀条或多条曲线，可能的空间曲线，但⼤部分是平⾯曲线。
⾃由曲⾯特征的参数都是以曲线形式
表⽰的，如扫掠曲⾯特征的导向曲线和截
⾯曲线，旋转曲⾯特征的截⾯曲⾯，蒙⽪
曲⾯特征的蒙⽪曲线等。这些作为特征参
数的曲线都需从⽬I 量数据中产⽣。例如：
对于扫描线测量数据可以通过插值或拟台
的⽅法由扫描线数据直接构造位于扫描平
椅子上有坐下去
⾯内的曲线。但由于测量噪声的影响，同
扫描线的点经常分布在扫描平⾯两侧，在
进⾏数据处理前需要先⽤扫描线上的数据
点拟合平⾯，然后将测量点投影到平⾯上取代原来测量数据点，如果扫描平⾯不是平⾯形状特征所在平⾯，则需要将扫描数据转换为散乱点云数据进⾏切⽚处理：对于离散测量数据(点云数据)，直接采⽤点云切⽚提取曲线。点云切⽚是从点云数据中获得截⾯线数据的重要⽅式，通过切⽚获得的截⾯线数据是⼀种⼆维截⾯数据，这给曲线拟合、特征分段、约束优化带来很⼤⽅便。
4 基于点云切⽚的曲⾯重构
4.1基于点云切⽚的蒙⽪曲⾯重构
在反求⼯程中，基于特征曲线的建模策略是指⾸先通过特征诱导的点云切⽚产⽣截⾯线，肌截⾯线中提取⼆次曲线特征和⾃由曲线特征基元，
然后通过草图图2 点云切⽚⽰意图
的约柬优化获得参数化表达的曲线，最后通过扫成或特征对应的蒙⽪来设计⽣成曲⾯模型。
蒙⽪曲⾯为⾃由曲⾯设计中使⽤⽐较多的种曲⾯设计⽅法，该⽅法⾸先确定⽣成曲⾯的系列截⾯线，然后设计曲⾯通过这些截⾯线。在反求⼯程曲⾯重构中。蒙⽪曲⾯⽅法为⼀种重要和灵活的曲⾯重构⽅法。
对于蒙⽪曲⾯特征的提取，采⽤两平⾯问点云切⽚的⽅j 去提取其浆⽪曲线参数。在实际⼯程应⽤中，⼀般由交互⽅式确定⼀
切⽚平⾯，然后按照⼀定的间隔⽣成平⾏平⾯组，利⽤该平⾏平⾯组对点云进⾏切⽚，井将得到的切⽚曲线作为该蒙⽪曲⾯特征的蒙⽪曲线。
4.2应⽤实例
图3为某航空涡轮发动机叶⽚的叶⾝部分截⾯轮廓数据：叶⽚的叶⾝由间隔的⼆维叶形曲线⽣成，在点云数据上截取⼀系列截⾯随线如图4。
最后进⾏叶⾝蒙⽪曲⾯构造如图5
中所⽰，图中为采⽤平⾏平⾯组进⾏点
云切⽚得到的系列截⾯线12条，对截⾯
线融台后进⾏蒙⽪，⽣成B 样条曲⾯。
图3 截⾯轮廓数据
图4 截⾯线⽣成
图5 蒙⽪B 样条曲⾯
5 结语小麦草榨汁机
曲⾯重构中点云切⽚是⽤⼀组平⾯进⾏的，切⽚⽅向决定了切⽚曲线的⾛向。在不同的切⽚⽅向切⽚得到不同的切⽚曲线组，基于这些切⽚曲线组所构建的曲⾯其品质是不⼀样的。⼆次曲⾯的重建时只需要其参数即可，⽽⾃由曲⾯重建⼀般都是以截⾯线为基础的，因此对于⾃由曲⾯特征类型的点云数据，在切⽚时要对点云数据的相关特征进⾏分析，根据特征的变化选择合适的切⽚⽅向。在反求⼯程建模中，数据分块和曲⾯重构是重要⽽且⽐较困难的问题，曲⾯重建要求曲⾯间具有⼀定的连续性，利⽤平⾯进⾏点云数据分离，并不能满⾜所有的区域分割要求，也就是说平⾯切⽚并不能处理所有切⽚情况，有时要同时采⽤曲线切⽚才能得到较好的重构区域边界。曲线切⽚是指按照指定的曲线和⽅向⽣成⼴义柱⾯，并⽤该柱⾯对点云进⾏切⽚，应⽤曲线或多边形轮廓进⾏点云数据分离在⼯程中会有更⼴泛的应⽤。
6 展望
基于点云切⽚技术进⾏反求⼯程建模是⼀个复杂的系统⼯程。尚有诸多问题有待深⼊研究：
(1)模型重建所在的层次越⾼，重建的模型越能反映原始设计意图。蒙⽪曲⾯重建时位于不同截⾯上的曲线重建需要整体考虑及进⼀步研究。
(2)具有⼏何特征的曲⾯与⾃由曲⾯在带约束整体拟合时，还需要研究能更加精确地控制⾃由曲⾯边界曲线形状的⽅法。
(3)反求⼯程CAD建模中，需要研究基于曲⾯特征的建模⽅法和基于截⾯特征的建模⽅法的关系，提⾼反求⼯程建模的效率。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议