CN102622479B - 一种基于三维草图的逆向工程cad建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法。该方法的实现流程的为：首先对实物原型进行测量，获取数据，进行逆向工程CAD模型重建为绘制三维草图，然后进行基于三维草图的逆向工程CAD模型重建，获得实物原型的数字化模型，接着以该数字化模型为基础进行创新设计，最后形成新产品模型。本发为结构实体零件提供精简而完整的测量要素及其测量路径规划，使结构实体零件的接触式逆向测量过程有明确的测量路径指导；无需设计复杂的海量数据处理算法，避开特征识别、设计参数还原等难以实时、正确、完整实现的环节，提高结构实体零件逆向工程CAD模型重建的稳定性与可靠性；本发明建模方法简便，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种逆向工程CAD建模方法，尤其是涉及一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法。
背景技术
逆向工程是将产品实物原型转化为数字化模型的相关计算机辅助技术、数字化测量技术和几何模型重建技术的总称，是消化、吸收先进技术，实现新产品快速开发的重要技术手段。逆向工程技术在工业生产、科学研究和社会生活等诸多领域中有广泛的应用，其实现流程如图1所示。
在工业生产中存在这样一批零件：其几何模型可以使用一组有限的实体基元，一组几何变换操作和一组布尔集合操作来表达，其中实体基元有球、直角六面体、圆柱体、圆锥体、正锥体等，几何变换操作为平移、比例、旋转，布尔几何操作包括交、并、差。这类零件称为结构实体零件。
对结构实体零件实行逆向工程技术，若直接运用现有的流程，首先要获取零件的形貌数据，若使用激光传感器，则可以快速获取零件的形貌数据，但可能存在以下问题：（1）激光传感器获得的一般是海量的散乱点云数据，不易实现实时、准确、快速的数据处理；（2）激光传感器的测量精度不高，且测量结果容易受到机械振动、系统噪声、光照和待测量零件表面粗糙度等因素的影响，可能因测量数据精度不足导致重建模型不合格；（3）激光传感器不能获取深孔、凹槽等内部特征的形貌数据，可能因测量数据不完整导致重建模型部分特征的丢失。
若使用接触式传感器采集零件的形貌数据，则测量数据的精度很高，但可能存在以下问题：（1）接触式测量速度慢，测量效率低下，若要获得较密集的测量数据则非常耗时；（2）接触式测量过程没有明确测量要素的指导，数据采集过程存在一定的盲目性，若采集数据稀疏则容易遗漏恢复设计参数所必要的测量数据。
为了充分融合接触式、非接触式测量传感器各自的优势，国内外相继对复合传感器、多传感器集成测量方法进行研究，该类研究融合了接触式、非接触式测量测量的优势，但同时增加了硬件装置的复杂性，降低了传感器的可操作
性，且每次测量前需要进行多传感器坐标统一，操作过程繁琐。
发明内容
针对用现有逆向工程CAD建模方法对结构实体零件进行模型重建时存在的问题与不足，本发明的目的在于提供一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法。该方法将充分利用结构实体零件的特殊性，通过绘制三维草图为接触式测量过程提供明确的测量要素与测量路径，获得精简而完整的测量数据，然后以实际测量数据修正三维草图，实现被测零件的逆向工程CAD模型重建。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的实现流程的为：首先对实物原型进行测量，获取数据，然后进行逆向工程CAD模型重建，获得实物原型的数字化模型，接着以该数字化模型为基础进行创新设计，最后形成新产品模型；其特征在于：所述的获取数据，然后进行逆向工程CAD模型重建为绘制三维草图，然后进行基于三维草图的逆向工程CAD模型重建，该方法的步骤如下：
1)根据实物零件的几何特征，以交互设计的方式选取一组实体基元，通过几何变换操作和布尔运算操作构造出实体零件的三维草图模型；
2)以三维草图模型为基础，求解建立三维模型所需要的几何约束，然后将所需几何约束转化为测量要素，并完成测量要素的测量步骤规划与测量路径规划；
3)用便携式坐标测量机，按求解获得的测量步骤与测量路径对实体零件进行测量；
4)根据实际测量获得的数据修正三维草图的几何约束，测量完成后即获得实物零件的CAD模型。
所述的实体基元包括球、直角六面体、圆柱体、圆锥体或正锥体。
所述的几何变换包括平移、比例或旋转。
所述的布尔运算包括交、并或差运算。
所述的几何约束包括结构约束和尺寸约束。
所述的便携式坐标测量机为关节臂式坐标测量机或光笔式坐标测量机。
本发明具有的有益效果是：
1）为结构实体零件提供精简而完整的测量要素及其测量路径规划，使结构实体零件的接触式逆向测量过程有明确的测量路径指导。
2）无需设计复杂的海量数据处理算法，避开特征识别、设计参数还原等难以实时、正确、完整实现的环节，提高结构实体零件逆向工程CAD模型重建的稳定性与可靠性。
3）所述方法算法简便，易于实现。
附图说明
图1是现有的逆向工程CAD建模流程示意图。
图2是基于三维草图的逆向工程CAD建模方法流程示意图。
图3是被测零件三维模型示意图。
图4是三维草图形成过程示意图。
图5是测量要素求解过程示意图。
图6是测量步骤规划过程示意图。
图7是测量路径规划过程示意图。
图8是三维草图修正过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，首先对实物原型进行测量，获取数据，然后进行逆向工程CAD模型重建，获得实物原型的数字化模型，接着以该数字化模型为基础进行创新设计，最后形成新产品模型。所述的获取数据，然后进行逆向工程CAD模型重建为绘制三维草图，然后进行基于三维草图的逆向工程CAD模型重建，该方法的步骤如下：
1)根据实物零件的几何特征，以交互设计的方式选取一组实体基元，通过几何变换操作和布尔运算操作构造出实体零件的三维草图模型；
2)以三维草图模型为基础，求解建立三维模型所需要的几何约束，然后将所需几何约束转化为测量要素，并完成测量要素的测量步骤规划与测量路径规划；
3)用便携式坐标测量机，按求解获得的测量步骤与测量路径对实体零件进行测量；
4)根据实际测量获得的数据修正三维草图的几何约束，测量完成后即获得实物零件的CAD模型。
所述的实体基元包括球、直角六面体、圆柱体、圆锥体或正锥体。
所述的几何变换包括平移、比例或旋转。
所述的布尔运算包括交、并或差运算。
所述的几何约束包括结构约束和尺寸约束。
所述的便携式坐标测量机为关节臂式坐标测量机或光笔式坐标测量机。
基于三维草图的逆向工程CAD建模方法针对结构实体零件，该方法的实现主要包括四个步骤，下面以如图3所示的结构实体零件为例说明该方法的具体实施过程。
（1）结构实体零件三维草图模型构建：
首先在测量平台上放置一个标准球，以该标准球球心为原点建立测量基准坐标系。然后将被测结构实体零件放置在测量平台上，通过观察或与客户交流的方式分析、理解结构实体零件的实体基元组成及其拓扑关系，然后在设计软件界面上以交互设计的方式选取相应的实体基元，然后对实体基元进行几何变换操作和布尔运算操作，构造出实体零件的三维草图模型。
如图3所示，该被测零件由一个长方体和圆柱体两个实体基元组成。如图4(a)所示，在软件界面上以人机交互的方式选取一个长方体和一个圆柱体，其中长方体的长和宽都大于圆柱体的直径，然后以长方体为主体，对长方体和圆柱体实施布尔差运算，获得如图4(b)所示的三维草图模型。
（2）求解测量要素，规划测量路径：
三维草图模型定义了实体基元间的几何拓扑结构，但没有限定实体基元的尺寸约束和位置约束。系统可以根据三维草图模型求解出建立精确三维模型所需要的尺寸约束和位置约束，然后将所需的尺寸约束和位置转化为测量要素，即转化为测点集及测点的空间分布，接着系统根据测点的空间分布情况规划测量步骤并为测点规划出测量路径。
如图4(b)所示，三维草图模型只表示了长方体和圆柱体之间的几何拓扑关系，而没有对长方体、圆柱体的尺寸及长方体和圆柱体之间的位置关系进行限
定。系统以图4(b)所示三维草图模型为基础，求解出所需的尺寸约束：长方体的长、宽、高；圆柱体的底面直径、高。求解出所需的位置约束：圆柱体的中轴线在长方体中的位置。然后系统将上述尺寸约束和位置约束转化为分布在各个实体基元上的测点，如图5所示，系统将长方体的长度约束转化为左侧面上的9个测点和长方体右侧面上的9个测点，因为将左侧面上的9个测点和右侧面上的9个测点拟合成两个平行平面后，两平面的平面距即为长方体的长度约束。同理，将长方体的宽度转化为正面和背面上的测点，将长方体的高度约束、圆柱体的高度约束转化为上底面和下底面上的测点，将圆柱体的底面直径转化为圆柱体内侧面上的测点。长方体和圆柱体之间的位置约束可以根据上述测点求出。
如图6是被测零件的测量步骤规划，测量步骤依次为：长方体下底面(图6(a))、长方体上底面(图6(b))、长方体正面(图6(c))、长方体右侧面(图6(d))、长方体背面(图6(e))、长方体左侧面(图6(f))、圆柱体内侧面(图6(g))。以长方体正面为例，正面上测点的测量路径规划如图7所示。
（3）三坐标测量：
本发明使用便携式三坐标测量机对被测零件进行测量，可以使用柔性臂式坐标测量机或光笔式坐标测量机。测量过程按照步骤（2）获得的测量步骤与测量路径逐点进行测量。由于三维草图的尺寸与被测零件的实际尺寸有所差别，所以这里所述的测量路径是给测量者一种直观上的测量指导，测点的数量和测量步骤应与提示的测量路径一致，测点的具体方位只需按大致按提示的位置在实际的零件上进行取点即可。
（4）三维草图修正：
系统获得实际的测量点后，及时对测量数据进行处理，将测量数据转化为实体基元的实际参数值，并根据实际参数值及时对三维草图进行修正。
如图8(a)所示是在长方体的下底面与上底面上取得的测量数据，系统首先对测量数据进行半径补偿处理，然后将两组数据分别拟合成两个平行平面，并求得这两平面的平面距，接着以该平面距作为三维草图中长方体高度的实际参数值对长方体基元进行修正，修正后的结果如图8(b)所示。以同样的方式修正长方体基元的长度和宽度，修正圆柱体底面的半径值。
测量完成后系统也完成了对三维草图的修正，即获得了被测量实体结构零件的精确CAD模型。如图8(c)是对三维草图8(b)完成全面修正后的结果。
Claims (6)
1.一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法，该方法的实现流程的为：首先对实物原型进行测量，获取数据，然后进行逆向工程CAD模型重建，获得实物原型的数字化模型，接着以该数字化模型为基础进行创新设计，最后形成新产品模型；其特征在于：所述的获取数据，然后进行逆向工程CAD模型重建为绘制三维草图，然后进行基于三维草图的逆向工程CAD模型重建，该方法的步骤如下：
1）将被测结构实体零件放置在测量平台上，通过观察或与客户交流的方式分析、理解结构实体零件的实体基元组成及其拓扑关系，然后在设计软件界面上以交互设计的方式选取相应的实体基元，然后对实体基元进行几何变换操作和布尔运算操作，构造出实体零件的三维草图模型；
2)以三维草图模型为基础，求解建立三维模型所需要的几何约束，然后将所需几何约束转化为测量要素，并完成测量要素的测量步骤规划与测量路径规划；
3)用便携式坐标测量机，按求解获得的测量步骤与测量路径对实体零件进行测量；
4)根据实际测量获得的数据修正三维草图的几何约束，测量完成后即获得实物零件的CAD模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法，其特征在于：所述的实体基元包括球、直角六面体、圆柱体、圆锥体或正锥体。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法，其特征在于：所述的几何变换包括平移、比例或旋转。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法，其特征在于：所述的布尔运算包括交、并或差运算。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法，其特征在于：所述的几何约束包括结构约束和尺寸约束。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维草图的逆向工程CAD建模方法，其特征在于：所述的便携式坐标测量机为关节臂式坐标测量机或光笔式坐标测量机。
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