CN103400000B - 一种cad数模的变形生成方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CAD数模的变形生成方法和系统。它通过对已有CAD数模的离散化处理，形成空间点云数据；根据机械零部件设计变形的要求生成由六面体网格单元组成的控制模块；再将控制模块与空间点云数据相联接，形成联动关系；然后对控制模块按照设计要求进行空间投影，拉伸，缩放，扭转变换等变化，而联动的初始空间离散化点云数据也随着进行相应的变形，从而得到变形后的空间点云数据；最后对变形后的离散的空间点云数据进行拟合处理，重新生成变形后的连续点线面，使变形后重新拟合的点线面数据具有与原始CAD数模同样的连续函数关系。它能够快速高效的根据设计目标要求对原始CAD数模数据进行变形生成而得到目标CAD数模数据，从而节省设计周期和设计成本。

Description

一种CAD数模的变形生成方法和系统

技术领域

本发明涉及机械工程图形的变形生成方法和系统，特别是一种CAD数模的变形生成方法和系统。

背景技术

为发展汽车，宇航，航空，船舶，重工机械等工程项目前期工程的同步研发能力，需要一种可以在已有机械零部件CAD数据（CAD数据用于描述设计产品的几何特性）基础上进行直接修改变形从而快速获得可用于研发或生产所需的目标CAD设计数据。

传统的设计方法是在参考数据的基础上做重新设计，即对空间形状有变化的CAD数模部分，需靠CAD设计工程师手工重新生成点线面等空间几何关系而形成新的CAD数据。传统的设计方法既费时又低效，需要经过多次修改循环方能达标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CAD数模的变形生成方法和系统，它主要解决传统的设计方法既费时又低效，需要经过多次修改循环方能达标的缺陷，它能够快速高效的根据设计目标要求对原始CAD数模数据进行变形生成而得到目标CAD数模数据，从而节省设计周期和设计成本。

为实现上述目的，本发明是这样实现的。

一种CAD数模的变形生成方法，其特征在于：它通过对已有CAD数模的离散化处理，形成空间点云数据；根据机械零部件设计变形的要求生成由六面体网格单元组成的控制模块；再将控制模块与空间点云数据相联接，形成联动关系；然后对控制模块按照设计要求进行空间投影，拉伸，缩放，扭转变换等变化，而联动的初始空间离散化点云数据也随着进行相应的变形，从而得到变形后的空间点云数据；最后对变形后的离散的空间点云数据进行拟合处理，重新生成变形后的连续点线面，使变形后重新拟合的点线面数据具有与原始CAD数模同样的连续函数关系。

所述的CAD数模的变形生成方法，其特征在于：它包括如下步骤：

第一步，读入零部件原始CAD数模数据，具有点线面构成性质；CAD文件输入模块通过局域网从客户端服务器PDM系统读入数据，并输送到显示操作系统的数据存储模块中；

第二步，利用显示操作系统的离散化模块完成对读入的连续点线面数据进行离散化处理；处理后形成的空间点云数据；

第三步，利用显示操作系统的变形区域捕捉模块，根据变化要求进行变形控制模块的建立；

第四步，利用变形控制模块，根据变形要求联接变形控制模块和变形前的离散化数据，即确定变形区和缓冲区，使变形前的离散数据和控制模块之间形成互相联动的关系；所述变形区是指在后续步骤中需要根据目标数据直接进行变化的区域，非变形区是指在后续步骤中不需要根据目标数据进行变化的区域，所述缓冲区是指连结变形区和非变形区，在变形区和非变形区之间过渡的区域；

第五步，根据变形要求进行变形控制模块，生成了符合目标要求的空间离散点数据；

第六步，将变形后的离散化数据通过局域网提交给后台处理服务器的拟合处理模块进行数据拟合运算，重新生成连续点线面；即离散化处理的逆变换，对离散空间点数据进行拟合处理，重新生成连续的点线面，得到具有和原始CAD数模数据一样性质的目标CAD数模数据，这些空间曲线及曲面具有连续函数关系；

第七步，在第六步工作结束后，将重新生成的CAD数据调回到显示操作系统的数据存储模块中，并通过CAD文件输出模块通过局域网输出。

所述的CAD数模的变形生成方法，其特征在于：所述的第二步中根据预先设定的空间点密度，对空间曲面或曲线进行划分与分割，得到按设定密度分布在空间曲面或曲线上一系列不连续的空间点。

所述的CAD数模的变形生成方法，其特征在于：所述的第三步中根据变形要求，在视图平面内通过扫描、拖伸或手工定义形成面网格，再将面网格向垂直于视图平面方向扫描或拖伸来生成一组套在现有CAD三维数模上的体网格单元，这组体网格单元就是控制模块。

一种上所述方法的系统，其特征在于：它包括，

客户端服务器PDM系统，用于原始CAD数模数据；

CAD文件输入模块，用于通过局域网从客户端服务器PDM系统读入数据，并输送到显示操作系统的数据存储模块中；

显示操作系统，包括数据存储模块、离散化模块、变形区域捕捉模块和变形控制模块；

离散化模块，用于对从CAD文件输入模块读入的连续点线面数据进行离散化处理；处理后形成的空间点云数据；

变形区域捕捉模块，用于根据变化要求进行变形控制模块的建立；

变形控制模块，用于根据变形要求联接变形控制模块和变形前的离散化数据，即确定变形区和缓冲区，使变形前的离散数据和控制模块之间形成互相联动的关系；

后台处理服务器的拟合处理模块，用于将变形后的离散化数据进行数据拟合运算，重新生成连续点线面；即离散化处理的逆变换，对离散空间点数据进行拟合处理，重新生成连续的点线面，得到具有和原始CAD数模数据一样性质的目标CAD数模数据，这些空间曲线及曲面具有连续函数关系；

数据存储模块，用于存储离散化模块处理中和存储离散化模块、变形区域捕捉模块、变形控制模块、拟合处理模块处理后的图形数据；

CAD文件输出模块，用于进行重新生成的CAD数据的输出。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2-1、2-2是本发明方法实施例中第一步中输入的图形示意图。

图3-1、3-2是本发明方法实施例中第二步中处理后的图形示意图。

图4-1、4-2是本发明方法实施例中第三步中处理后的图形示意图。

图5是本发明方法实施例中第四步中处理后的图形示意图。

图6-1、6-2是本发明方法实施例中第五步中处理前、后的图形示意图。

图7-1、7-2、8-1、8-2是本发明方法实施例中第六步中处理前、后的图形示意图。

图9是本发明实施例中的系统结构框图。

具体实施方式

本发明公开了一种CAD数模的变形生成方法。如图1所示：它通过对已有CAD数模的离散化处理，形成空间点云数据；根据机械零部件设计变形的要求生成由六面体网格单元组成的控制模块；再将控制模块与空间点云数据相联接，形成联动关系；然后对控制模块按照设计要求进行空间投影，拉伸，缩放，扭转变换等变化，而联动的初始空间离散化点云数据也随着进行相应的变形，从而得到变形后的空间点云数据；最后对变形后的离散的空间点云数据进行拟合处理，重新生成变形后的连续点线面，使变形后重新拟合的点线面数据具有与原始CAD数模同样的连续函数关系。

以下结合附图与一较佳实施例来进一步介绍本发明方法和用于实施该方法的系统。

本实施例中的一种CAD数模的变形生成方法包括如下步骤：

第一步，读入零部件原始CAD数模数据，具有点线面构成性质，如图2-1、2-2所示。读入数据的步骤可通过局域网，根据客户端服务器PDM系统1（例如西门子公司的TeamCenter）导入数据，该数据由CAD文件输入模块2通过局域网3从客户端服务器PDM系统1读入数据后输送到显示操作系统4的数据存储模块41中。该显示操作系统4可采用高性能PC机，例如DELL公司的PrecisionM600导入如下格式的CAD设计三维CAD数模：CATIAV4，CATIAV5，UG，IGS，PARASOLID，STEP，JT等格式。

第二步，利用本发明中的显示操作系统4中CAD变形软件中的离散化模块42，完成对读入的连续点线面数据进行离散化处理；该零件进行离散化处理,处理后形成的空间点云数据如图3-1、3-2所示。具体说明如下：根据预先设定的空间点密度(通常为相邻点的间隔距离)，对空间曲面或曲线进行划分与分割，得到按设定密度分布在空间曲面或曲线上一系列不连续的空间点。

第三步，利用本发明中显示操作系统4中的CAD变形软件的变形区域捕捉模块43，根据变化要求进行变形控制模块44的建立，本例中要求零件的连接安装孔位置进行图示新安装点的调整。根据变形要求，在视图平面内通过扫描，拖伸或手工定义形成面网格，再将面网格向垂直于视图平面方向扫描或拖伸来生成一组套在现有CAD三维数模上的体网格单元，这组体网格单元就是控制模块；生成的控制模块从立体角度看如图4-1、4-2所示。

第四步，利用本发明中的CAD变形软件中的变形控制模块44，根据变形要求，联接控制模块和变形前的离散化数据，即确定变形区和缓冲区，使变形前的离散数据和控制模块之间形成互相联动的关系，如图5所示，控制模块已经套在图2-1所示的变形前的离散数据中；其中，联接控制模块和原始CAD数模数据时，可以只联接控制模块和变形区，缓冲区的三维数据；所述变形区是指在后续步骤中需要根据目标数据直接进行变化的区域，非变形区是指在后续步骤中不需要根据目标数据进行变化的区域，所述缓冲区是指连结变形区和非变形区，在变形区和非变形区之间过渡的区域。

第五步，根据变形要求进行变形控制模块44变形，使得原来安装孔的位置变形过渡到新的目标位置，生成了符合目标要求的空间离散点数据，如图6-2所示。从第二步到第五步的操作均可通过安装在操作显示PC机里的本发明CAD变形软件环境中实现。

第六步，将变形后的离散化数据通过局域网提交给后台处理服务器5（例如DELLPoweredge R710）进行后台运算，通过本发明的CAD变形软件中的数据拟合模块6进行数据拟合运算，重新生成连续点线面；即离散化处理的逆变换，对离散空间点数据进行拟合处理，重新生成连续的点线面，这些空间曲线及曲面具有连续函数关系

通过如下多项式方程作为离散空间点数据拟合曲面函数方程

$P_m\left(x\right)=a_0+a_{1}x+a_2{x}^2+\·\·\·\·\·\·+a_m{x}^m=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{x}^j---\left(1\right)$

根据最小二乘法原理，用上述多项式去拟合一系列空间点数据的坐标（xi，yi），求出上述公式（1）中的多项式函数，经过计算机运算，使得如下偏差平方和公式（2）取得最小值即可得到符合要求的描述空间曲面或曲线的函数方程，这个求解过程也称之为离散点拟合处理

$Q=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[P_m\left(x_i\right)-y_i]}^2---\left(2\right)$

$=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{x}^j-y_j]}^2$

两者平方和误差越小表示拟合函数与拟合对象离散点之间越接近。通过计算求解出最小值即为符合要求的用于描述空间曲线或面的连续函数。

将符合目标要求的空间离散点数据进行逆变换,即在后台用CAD变形软件进行拟合处理,得到具有和原始CAD数模数据一样性质的目标CAD数模数据,其正视图与斜侧视图如图7-1、7-2及图8-1、8-2所示。

第七步，在第六步工作结束后，将重新生成的CAD数据调回到显示操作PC机中；对已重新拟合的数据通过本发明的CAD变形软件的输出模块进行检查和修正，之后返回到客户端服务器PDM系统1中。

用于实施本发明方法的系统结构框图如图9所示，它包括，

客户端服务器PDM系统1，用于原始CAD数模数据；

CAD文件输入模块2，用于通过局域网3从客户端服务器PDM系统1读入数据，并输送到显示操作系统4的数据存储模块41中；

显示操作系统4，包括数据存储模块41、离散化模块42、变形区域捕捉模块43和变形控制模块44；

离散化模块42，用于对从CAD文件输入模块2读入的连续点线面数据进行离散化处理；处理后形成的空间点云数据；

变形区域捕捉模块43，用于根据变化要求进行变形控制模块44的建立；

变形控制模块44，用于根据变形要求联接变形控制模块44和变形前的离散化数据，即确定变形区和缓冲区，使变形前的离散数据和控制模块之间形成互相联动的关系；

后台处理服务器5的拟合处理模块51，用于将变形后的离散化数据进行数据拟合运算，重新生成连续点线面；即离散化处理的逆变换，对离散空间点数据进行拟合处理，重新生成连续的点线面，得到具有和原始CAD数模数据一样性质的目标CAD数模数据，这些空间曲线及曲面具有连续函数关系；

数据存储模块41，用于存储离散化模块42处理中和存储离散化模块42、变形区域捕捉模块43、变形控制模块44、拟合处理模块51处理后的图形数据；

CAD文件输出模块6，用于进行重新生成的CAD数据的输出。

另外，后台处理服务器5还进一步连接一存储设备52。

本发明利用已有的CAD设计数据，在不需要重新画图设计的情况下，直接对参考CAD数模数据进行投影，拉伸，缩放，扭转等变换，使其直接生成新的CAD数模数据的方法。

本发明通过上述步骤，能够达到：

（1）大大加快工程项目设计研发速度，提升零部件研发能力。

（2）减少工程人员劳动强度,降低劳动成本。

（3）加速产品设计更换流程,提高产品更新换代能力,使产品具有更强的竞争力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种CAD数模的变形生成方法，其特征在于：它通过对已有CAD数模的离散化处理，形成空间点云数据；根据机械零部件设计变形的要求生成由六面体网格单元组成的控制模块；再将控制模块与空间点云数据相联接，形成联动关系；然后对控制模块按照设计要求进行空间投影，拉伸，缩放，扭转变换变化，而联动的初始空间离散化点云数据也随着进行相应的变形，从而得到变形后的空间点云数据；最后对变形后的离散的空间点云数据进行拟合处理，重新生成变形后的连续点线面，使变形后重新拟合的点线面数据具有与原始CAD数模同样的连续函数关系。

2.根据权利要求1所述的CAD数模的变形生成方法，其特征在于：它包括如下步骤：

第一步，读入零部件原始CAD数模数据，具有点线面构成性质；CAD文件输入模块(2)通过局域网(3)从客户端服务器PDM系统(1)读入数据，并输送到显示操作系统(4)的数据存储模块(41)中；

第二步，利用显示操作系统(4)的离散化模块(42)完成对读入的连续点线面数据进行离散化处理；处理后形成的空间点云数据；

第三步，利用显示操作系统(4)的变形区域捕捉模块(43)，根据变化要求进行变形控制模块(44)的建立；

第四步，利用变形控制模块(44)，根据变形要求联接变形控制模块(44)和变形前的离散化数据，即确定变形区和缓冲区，使变形前的离散数据和控制模块之间形成互相联动的关系；所述变形区是指在后续步骤中需要根据目标数据直接进行变化的区域，非变形区是指在后续步骤中不需要根据目标数据进行变化的区域，所述缓冲区是指连结变形区和非变形区，在变形区和非变形区之间过渡的区域；

第五步，根据变形要求进行变形控制模块(44)，生成了符合目标要求的空间离散点数据；

第六步，将变形后的离散化数据通过局域网(3)提交给后台处理服务器(5)的拟合处理模块(51)进行数据拟合运算，重新生成连续点线面；即离散化处理的逆变换，对离散空间点数据进行拟合处理，重新生成连续的点线面，得到具有和原始CAD数模数据一样性质的目标CAD数模数据，这些空间曲线及曲面具有连续函数关系；

第七步，在第六步工作结束后，将重新生成的CAD数据调回到显示操作系统(4)的数据存储模块(41)中，并通过CAD文件输出模块(6)通过局域网(3)输出。

3.根据权利要求2所述的CAD数模的变形生成方法，其特征在于：所述的第二步中还包括根据预先设定的空间点密度，对空间曲面或曲线进行划分与分割，得到按设定密度分布在空间曲面或曲线上一系列不连续的空间点。

4.根据权利要求2所述的CAD数模的变形生成方法，其特征在于：所述的第三步中还包括根据变形要求，在视图平面内通过扫描、拖伸或手工定义形成面网格，再将面网格向垂直于视图平面方向扫描或拖伸来生成一组套在现有CAD三维数模上的体网格单元，这组体网格单元就是控制模块。

5.一种用于实施如权利要求1或2或3或4所述方法的系统，其特征在于：它包括，

客户端服务器PDM系统(1)，用于原始CAD数模数据；

CAD文件输入模块(2)，用于通过局域网(3)从客户端服务器PDM系统(1)读入数据，并输送到显示操作系统(4)的数据存储模块(41)中；

显示操作系统(4)，包括数据存储模块(41)、离散化模块(42)、变形区域捕捉模块(43)和变形控制模块(44)；

离散化模块(42)，用于对从CAD文件输入模块(2)读入的连续点线面数据进行离散化处理；处理后形成的空间点云数据；

变形区域捕捉模块(43)，用于根据变化要求进行变形控制模块(44)的建立；

变形控制模块(44)，用于根据变形要求联接变形控制模块(44)和变形前的离散化数据，即确定变形区和缓冲区，使变形前的离散数据和控制模块之间形成互相联动的关系；

后台处理服务器(5)的拟合处理模块(51)，用于将变形后的离散化数据进行数据拟合运算，重新生成连续点线面；即离散化处理的逆变换，对离散空间点数据进行拟合处理，重新生成连续的点线面，得到具有和原始CAD数模数据一样性质的目标CAD数模数据，这些空间曲线及曲面具有连续函数关系；

数据存储模块(41)，用于存储离散化模块(42)处理中和存储离散化模块(42)、变形区域捕捉模块(43)、变形控制模块(44)、拟合处理模块(51)处理后的图形数据；

CAD文件输出模块(6)，用于进行重新生成的CAD数据的输出。