支持产品创新设计的重建模型表达及建模方法研究

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1、支持产品创新设计的重建模型表达及建模方法研究*金涛 童水光（浙江大学化工机械研究所，浙江 杭州 310027）摘 要：本本文提出出了一种种支持模模型再设设计的基基于几何何特征变变量化的的重建模模型表达达和重建建方法。因因为传统统的采用用参数曲曲面表达达和曲面面直接拟拟合的造造型方法法得到的的三维重重建模型型，不便便于模型型的修改改和再设设计，而而基于特特征变量量化表达达重建模模型，能能方便地地对模型型特征进进行修改改，最终终达到改改变整个个模型即即产品外外形结构构的目的的。实现现上述表表达的重重建方法法是基于于几何特特征及约约束进行行模型重重建，首首先根据据几何特特征类型型，在对对测量数数据进

2、行行特征及及约束识识别的基基础上，进进行特征征数据分分割；然然后建立立特征约约束模型型，通过过求解模模型得到到满足约约束关系系的对数数据点的的最佳逼逼近特征征，实现现对原形形及原设设计意图图的还原原；最后后再建立立不同几几何特征征的协同同变形关关系，使使修改局局部或单单个特征征时模型型整体协协同变形形，达到到对重建建模型进进行再设设计乃至至创新设设计的目目的。关键词：逆逆向工程程 模型型重建 创新设设计 基基于特征征 约束束拟合1.引言运用计算机机辅助技技术进行行实物零零件乃至至整个实实物的复复制过程程通常被被称为逆逆向工程程(Reveersee ennginneerringg)，逆逆向工程程

3、的思想想最初是是来自从从油泥模模型到产产品实物物的设计计过程，目目前逆向向工程技技术已成成为消化化吸收先先进技术术进行产产品快速速开发的的重要手手段。但但在国内内，基于于实物的的逆向工工程应用用最广的的还是进进行产品品复制和和仿制，尤尤其是外外观设计计产品，因因为不涉涉及到复复杂的动动力学分分析、材材料、加加工热处处理等技技术反求求难题，相相对容易易实现。工工作流程程一般为为：基于于CADD/CAAM系统统，在进进行数字字化扫描描、完成成实物的的3D重重建后，通通过NCC加工或或快速成成型快速速地制造造出模具具，最终终注塑得得到所需需的产品品。这个个过程已已成为我我国沿海海地区许许多家用用电器

4、、玩玩具、摩摩托车等等产品企企业的产产品开发发及生产产模式，但但在这些些产品中中鲜有自自己的技技术，多多数是复复制（ccopyy）和仿仿制国外外的产品品。尽管管许多企企业不具具备创新新设计能能力，更更多的是是学习和和模仿，但但如果产产品设计计一昧的的停留在在模仿和和仿制上上，是没没有任何何出路的的，如果果对方的的产品是是受专利利保护的的，则这这种仿制制还是一一种侵权权的行为为。战后日本通通过先仿仿制美国国及欧洲洲的产品品，在采采取各种种手段获获取先进进的技术术和引进进技术的的消化、吸吸收的基基础上，建建立了自自己的产产品创新新设计体体系，使使经济迅迅速崛起起，成为为仅次于于美国的的制造大大国。

5、德德国在119988年提出出：“德国不不能采用用产品降降价的办办法来提提高竞争争力，而而是要通通过持续续地创新新出其他他国家没没有的产产品来提提高竞争争力”。实际上任何何产品问问世，不不管是创创新、改改进还是是仿制，都都蕴涵着着对已有有科学、技技术的继继承和应应用借鉴鉴，逆向向工程通通过重构构产品零零件的CCAD模模型，可可对原型型进行修修改和再再设计，这这为产品品的再设设计以及及创新设设计提供供了数字字原型，各各种先进进的计算算机辅助助技术手手段也为为此提供供了强有有力的支支持。因因此，通通过逆向向工程，在在消化、吸吸收先进进技术的的基础上上，建立立和掌握握自己的的产品开开发设计计技术，进进

6、行产品品的创新新设计，即即在coopy的的基础上上进行改改进进而而创新，这这是提升升我国制制造业的的必由之之路。本文先对模模型重建建、参数数化和变变量化设设计技术术有关研研究进行行了回顾顾，提出出了重建建模型的的表达和和重建方方法。2 有关研研究的回回顾当前应用于于产品外外形设计计的逆向向工程方方法主要要有两种种方式：一是由由设计师师、美工工师事先先设计好好产品的的油泥或或木制模模型，由由坐标测测量机将将模型的的数据扫扫入，再再建立计计算机模模型；另另一种是是针对已已有的产产品实物物零件，经经过数字字化测量量和模型型重建，获获得产品品的数字字模型，然然后对这这个数字字模型进进行修改改、再设设计

7、，以以获得一一个与前前面产品品对象不不同甚至至完全不不同的新新的结构构外形，最最终达到到产品设设计创新新之目的的，基于于逆向工工程的产产品创新新设计的的过程见见图1。数字化模型重建再设计（创新设计）下游过程图1 产品品逆向创创新设计计过程逆向工程的的基本过过程包括括：数字字化、数数据处理理及整合合、数据据分割、曲曲面拟合合或插值值、曲面面片缝合合成整体体。实物的数字字化是通通过特定定的测量量设备和和测量方方法获取取零件表表面离散散点的几几何坐标标数据，目前的三维数字化方法，根据测量探头或传感器是否和实物接触，可分为接触式和非接触式两大类1。CAD模型型重建之之前应进进行数据据预处理理，过程程工

8、作包包括数据据平滑、排排除噪声声数据和和异常数数据、压压缩和归归并冗余余数据、遗遗失点补补齐、数数据分割割、多次次测量数数据及图图象的数数据定位位对齐和和对称零零件的对对称基准准重建1.22。物体表面测测量数据据的分割割方法一一般分为为两类，一一是基于于边界分分割法，二二是基于于区域分分割法。其其中基于于边界的的分割法法首先估估计出测测量点的的法向矢矢量或曲曲率，然然后根据据将法向向矢量或或曲率的的突变处处判定为为边界的的位置，基基于区域域的分割割法是将将具有相相似几何何特征的的空间点点划为同同一区域域1.2。CAD模型型重建是是逆向工工程的关关键，根根据实物物外形的的数字化化信息，可可以将测

9、测量得到到的数据据点分成成两类：有序点点和无序序点（散散乱点），由由不同的的数据类类型，形形成了不不同的的的模型重重建技术术。目前前较成熟熟的方法法是通过过重构外外形曲面面来实现现实物重重建，常常用的曲曲面模型型有Beezieer、BB-Spplinne、NNURBBS和三三角Beeizeer曲面面，采用用的方法法是对测测量数据据点拟合合得到实实物的外外形曲面面。曲面拟合可可以分为为插值和和逼近两两种方式式。使用用插值方方法拟合合曲面通通过所有有数据点点，适合合于测量量设备精精度高，数数据点坐坐标比较较精确的的场合；使用逼逼近的方方法所拟拟合的曲曲面不一一定通过过所有的的数据点点，适用用于测量

10、量数据较较多，测测量数据据含噪声声较高的的情况。国国内外的的研究大大多都集集中于孤孤立曲面面片拟合合方法的的选择和和算法的的优化上上1-6 。上述的模型型表达和和曲面拟拟合方法法已成为为当前模模型重建建的主要要技术方方法，并并已应用用于商用用逆向软软件，但但这种技技术方法法在机械械产品逆逆向工程程的应用用上却受受到一定定限制，在在模型表表达上，如如果曲面面是多个个曲面片片组成的的复合曲曲面，采采用自由由形状曲曲面表示示时（如如标准的的B-样样条曲面面），难难以找到到保证CC0或更更高阶连连续的分分割曲线线，而且且用一简简单的BB-样条条曲面拟拟合整个个曲面不不能反映映曲面的的分段特特性。为为解

11、决这这个问题题，Paal BBenkko77提出出了用BB-Reep来表表达重建建模型，它它根据零零件外形形曲面的的特征，按按照组成成曲面的的类型（如如平面、SSweeep曲面面、Bllendd曲面等等）分别别进行拟拟合，最最终的模模型还必必须保证证曲面之之间的约约束如连连续、相相切等关关系。这这B-RRep表表达为基基于特征征和约束束的模型型重建方方法提供供了理论论基础。因为使用参参数曲面面片的方方式表达达零件的的几何形形状，不不能表达达零件对对象更高高层次的的结构特特征信息息，同时时由于在在曲面拟拟合过程程中没有有考虑特特征间的的约束关关系和模模型的整整体信息息，重建建得到的的数据模模型没

12、有有还原原原形的几几何特征征，这种种表达对对只要求求提供零零件的位位置信息息的下游游应用，如如零件数数控仿形形、直接接生成模模具等，是是基本合合适的，但但涉及到到产品改改型、创创新设计计等，特特别是自自由曲面面组成的的外形，就就存在编编辑、修修改的困困难。因为大多数数机械零零件产品品都是按按一定特特征设计计制造的的，同时时特征之之间还具具有确定定的几何何约束关关系，在在产品的的模型重重建过程程中，仅仅还原特特征而忽忽略几何何约束，得得到的产产品模型型是没有有意义或或是不准准确的8-112。因因此基于于特征及及约束的的模型重重建方法法就随之之而提出出，可以以这么认认为在机机械领域域，基于于特征及

13、及约束的的三维模模型重建建技术是是逆向造造型的一一个发展展方向。其其关键技技术有两两点：一一是特征征识别和和抽取，二二是在特特征恢复复时考虑虑特征间间的约束束关系。目目前面向向逆向工工程的特特征建模模研究刚刚刚展开开，已进进行的研研究多集集中在应应用于数数据分割割的表面面棱线、区区域边界界和部分分规则表表面（平平面、柱柱面）特特征的识识别上9.110，对对自由曲曲面的重重建，只只是从曲曲面拟合合的角度度研究了了旋转15、扫成成133.144、放放样116 曲面的的重建问问题，尚尚无完整整的特征征建模方方法，对对面向逆逆向工程程的特征征定义、分分类、特特征数据据模型定定义、基基于特征征的模型型测

14、量规规划等则则少有研研究涉及及。部分分研究考考虑了特特征间的的约束关关系，提提出了处处理简单单约束关关系，主主要是规规则几何何特征的的位置约约束的约约束拟合合方法11.17。基于特征及及约束的的模型重重建具有有能捕捉捉和还原原原设计计意图、准准确表述述零件的的几何关关系，CCAD模模型包含含的几何何特征信信息有利利于后续续的CAAPP/CAMM过程的的特征识识别、易易于实现现测量数数据和零零件的定定位和装装配等优优点。但但目前的的基于几几何特征征及约束束的模型型重建技技术仍是是以恢复复和还原原原形为为目标，目目前模型型重建的的主要方方式还是是先拟合合曲面片片，然后后再建立立产品的的曲面整整体模

15、型型以及实实体模型型，这样样的建模模方法对对恢复原原形是有有效的，但但如果我我们要对对CADD模型进进行修改改或再设设计，操操作起来来就显得得十分困困难，这这种模型型孤立的的曲面片片表示及及拟合就就成为模模型修改改的瓶颈颈，因此此，这样样的建模模方法和和模型表表示对创创新设计计是不适适宜的，应应寻求新新的模型型表达及及建模方方法。3 支持创创新设计计的重建建模型表表达3.1 CCAD造造型技术术回顾从20世纪纪60年年代开始始，CAAD造型型技术由由线框、自自由曲面面，发展展到目前前仍占据据主流的的基于约约束的实实体造型型技术，主主要有以以PTCC 公司司的Prro/EE软件为为代表的的参数化

16、化造型理理论和以以EDSS公司的的I-DDEASS软件为为代表的的变量化化造型理理论两大大技术流流派。参数化造型型是由编编程者预预先设置置一些几几何图形形约束，然然后供设设计者在在造型时时使用，与与一个几几何相关关联的所所有尺寸寸参数可可以用来来产生其其它几何何。采用用参数化化技术可可以克服服自由建建模的无无约束状状态，几几何形状状均可通通过尺寸寸的形式式来控制制。如零零件形状状需要修修改时，只只需改变变尺寸的的数值即即可实现现形状上上的改变变，尺寸寸驱动已已经成为为当今造造型系统统的基本本功能。变量化技术术或称变变量化设设计（VVariiatiionaal DDesiign），它它保留了了参

17、数化化技术基基于持征征、全数数据相关关、尺寸寸驱动设设计修改改的优点点，但在在约束定定义方面面做了根根本性改改变，它它将参数数化技术术中所需需定义的的尺寸“参数”进一步步区分为为形状约约束和尺尺寸约束束，而不不是象参参数化技技术那样样只用尺尺寸来约约束全部部几何，这这样就赋赋予了设设计修改改更大的的自由度度。两种技术的的根本区区别在于于是否要要全约束束以及以以什么形形式来施施加约束束。从应应用上来来说，参参数化系系统特别别适用于于那些技技术已相相当稳定定成熟的的零配件件行业。这这样的行行业，零零件的形形状改变变很少，经经常只需需采用类类比设计计，即形形状基本本固定，只只需改变变一些关关键尺寸寸

18、就可以以得到新新的系列列化设计计结果。再再者就是是由二维维到三维维的抄图图式设计计，图纸纸往往是是绝对符符合全约约束条件件的。而而变量化化系统除除了一般般的系列列化零件件设计，比比较适用用于新产产品开发发、老产产品改形形设计这这类创新新式设计计。逆向工程的的模型重重建技术术离不开开现有的的CADD基础理理论，从从上面的的分析可可以看出出，如果果重建模模型选择择参数化化或变量量化表示示，根据据参数化化和变量量化技术术的特点点，它们们都在一一定程度度上支持持模型的的修改设设计，而而且都具具有方便便的可操操作性，满满足支持持创新设设计的模模型表达达的要求求。3.2 基于参数化化的重建建模型表表示模型

19、的外形形几何表表示为参参数化形形式，这这样可以以通过修修改尺寸寸实现模模型的修修改，根根据实物物的外形形几何特特点，我我们将模模型分成成两种类类型，一一是具有有规则几几何特征征的外形形，二是是由自由由曲面组组成的复复杂外形形。对前前者来说说，较适适宜采用用参数化化表示，而而且也容容易实现现；对后后者来说说，由于于自由曲曲面（曲曲线）从从整体来来说，较较难表示示为某种种几何及及尺寸约约束，但但对一些些具有确确定的解解析计算算公式表表示的曲曲线或曲曲面，仍仍可选择择参数化化表示。因为直接对对三维模模型建立立参数化化仍然存存在困难难，因此此，目前前的参数数化造型型都是先先建立全全尺寸约约束二维维草图

20、，经经过拉伸伸、旋转转、扫掠掠等几何何造型形形成三维维模型的的。为将将重建模模型表现现为参数数化模型型，可将将模型分分解为由由一系列列特征和和操作组组合而成成的三维维形体，由由于重建建模型多多选择曲曲面表示示，因此此参数化化也主要要针对曲曲面进行行。图22给出了了重建模模型的参参数化结结构。重建的曲面模型几何特征几何特征几何特征二维约束图二维约束图二维约束图特征操作：求交、剪裁、过渡等拉伸特征库平面、球、椭圆、二次曲面等旋转扫掠图2 重建建模型的的参数化化表示从图1 看看出，模模型实现现参数化化表示的的关键是是特征分分解和约约束施加加，即将将组成模模型的所所有几何何特征分分解成二二维特征征约束

21、图图+特征征操作，这这样整个个模型即即实现尺尺寸驱动动。3.3 基于变量化化的重建建模型表表示变量化技术术赋予了了模型表表示和修修改更大大的自由由度，因因此变量量化表示示既适合合于规则则外形和和自由曲曲面组成成的外形形。基于于变量化化的逆向向模型结结构基本本和参数数化结构构相同，只只是二维维几何图图可以是是欠约束束的。下面我们仅仅讨论基基于特征征参数化化的支持持创新设设计的模模型重建建方法。4.支持创创新的模模型重建建方法在CAD造造型技术术中，实实现参数数化设计计的方法法主要有有：编程程参数化化、交互互参数化化、离线线参数化化和三维维参数化化等。编程参数化化通过编编程来进进行参数数化设计计。

22、交互互参数化化是通过过交互的的方法来来进行参参数化设设计，其其生成方方法又包包括多种种：变动动几何法法、作图图规则匹匹配、几几何作图图局部求求解法、辅辅助线作作图法、变变量流技技术和交交互生成成参数绘绘图命令令等。离离线参数数化是将将几何模模型向参参数化模模型转换换，它分分成两个个步骤：其一：在已有有图形基基础上通通过标注注尺寸建建立约束束关系，其其二，在在已有图图形和尺尺寸的基基础上，通通过尺寸寸框架的的识别搜搜索建立立约束关关系。三三维参数数化的实实现有两两种途径径：一是是由二维维参数化化图形通通过拉伸伸、旋转转、扫掠掠等操作作得到三三维参数数化图形形，二维维图形改改变，三三绍图形形随之变

23、变化；二二即是建建立基于于特征的的三维参参数化模模型，特特征模型型中包含含特征定定位和特特征间的的关联信信息，因因而可以以实现参参数化。根据逆向造造型的特特点和CCAD造造型实现现参数化化的几种种方法，我我们可以以得出适适合于逆逆向建模模的参数数化实现现方法，即即离线参参数化和和三维参参数化。如如图8.13所所示，其其处理过过程为数数据分割割、特征征约束识识别、确确定特征征造型过过程、特特征的参参数化建建立。这这里我们们主要对对特征约约束识别别和特征征参数化化方法展展开讨论论。4.1几何何特征识识别实现图1过过程的关关键技术术首先为为为特征征约束识识别，如如果能将将模型分分解为不不同特征征的组

24、合合和确定定特征间间的约束束关系，将将为几何何特征转转换为参参数化表表示提供供实现的的基础。另另外，为为实现参参数化需需完整地地给出特特征的约约束关系系，不仅仅仅是用用尺寸来来建立图图形元素素约束的的位置关关系，因因为无法法通过尺尺寸标注注来确定定两图形形元素相相切的关关系，尽尽管变量量化方法法不需要要建立全全约束关关系，但但对产品品修改来来说，如如果产品品具有装装配关系系，模型型的变化化是相互互关联的的，这时时零部件件之间整整体协同同变形的的约束关关系是必必需的。约约束关系系建立或或确定的的难点在在于模型型数字化化后，测测量数据据点几乎乎不包含含几何特特征的约约束关系系，应通通过原形形分析来

25、来判断推推理，但但这样获获得约束束关系不不可避免免地带有有不完整整性和不不确定性性。1.特征分分类对模型重建建我们仅仅需考虑虑与造型型相关的的形状几几何特征征，而且且主要是是构成模模型的低低层几何何体素及及其构造造特征，如如点、线线、面等等。为方方便后续续的特征征识别，根根据几何何特征的的特点和和识别方方法的不不同，我我们将几几何特征征分成规规则几何何特征和和造型特特征，两两类特征征的组成成见表11、2。表1 规则则几何特特征reegullar 点线面测量点(基准准点)顶点圆心点抛物面的焦焦点等轮廓线表面棱线中心线等平面(基准准面)二次曲面表2 造型型特征拉伸曲面旋转曲面扫略曲面混合曲面放样曲

26、面四边曲面等截面扫略略变截面扫略略等截面放样样变截面放样样 造造型特征征实际上上是自由由曲面特特征，在在几何造造型时，组组成零件件外形的的复杂曲曲面都是是基于上上述造型型手段由由曲面片片组合而而成，在在模型重重建时，如如果能识识别原形形的造型型方法，就就为曲面面还原提提供了几几何基础础。2. 特征征模型零件几何外形几何层特征层零件实物层特征间约束关系零件外形与组成特征的关系特征与组成曲面片的关系曲面片几何特征图3 特征征模型分分层定义义根据零件外外形组成成、特征征表达及及特征间间的约束束关系，零零件的特特征模型型被定义义为一个个三层结结构，见见图3。第第一层是是零件几几何外形形层，包包含零件件

27、实体和和特征的的几何尺尺寸参数数；第二二层是几几何特征征层，包包含特征征构造图图和特征征间的约约束关系系；第三三层是几几何信息息层，包包含构成成特征的的参数曲曲面片或或Bezzierr、NUURBSS曲面片片。3.特征识识别（1）规则则几何特特征的识识别规则几何特特征是构构成零件件外形的的基本几几何特征征，对机机械零件件产品，在在外形测测量时即即可由坐坐标测量量机完成成部分特特征的识识别和测测量，如如平面、直直线、圆圆（弧）等等。但对对于一些些具有复复杂外形形的产品品覆盖件件，一方方面组成成特征不不明显，另另外，由由于曲面面形状变变化，使使孔槽特特征的轮轮廓线没没有位于于一个平平面内，更更由于

28、制制造误差差使轮廓廓外形产产生变形形，特征征识别就就变得重重要。针对规则特特征的特特征匹配配识别方方法的步步骤包括括：Step11:建立立匹配特特征库；Step22: 初初步判定定特征类类型；Step33: 确确定匹配配定位点点；Step44: 进进行特征征匹配；Step55: 完完成特征征识别，提提取已识识别特征征的几何何参数，实实施特征征参数化化。特征类型的的初步确确定主要要通过数数据几何何特征由由人工判判定。特征的匹配配定位点点根据特特征的不不同，其其定位方方式主要要分为点点定位和和点-轴轴定位。点点定位主主要用于于圆、圆圆弧及球球体的定定位，可可以通过过计算测测量数据据点的重重心得到到

29、；点-轴定位位主要用用于椭圆圆、抛物物线（面面）等二二次曲线线、面的的定位，轴轴主要是是特征的的对称轴轴，对称称轴的建建立可由由边界轮轮廓的相相互镜像像求出。特征匹配过过程需要要处理待待识别的的特征轮轮廓线不不处于一一个平面面内时，如如曲面表表面的孔孔槽、斜斜孔和由由于测量量误差使使扫描截截面线成成为一空空间曲线线的情况况，在匹匹配之前前应将其其对应的的离散数数据点投投影在一一个平面面内。孔孔槽、斜斜孔的投投影平面面即为其其草绘平平面，可可先重建建轴线，再再构建投投影平面面；扫描描截面线线的投影影平面的的建立较较容易，即即为测量量时固定定的坐标标轴平面面。特征识别主主要由选选择的特特征判据据确

30、定，特特征技术术中特征征匹配识识别采取取的判据据是特征征线的重重合率16，方法法是先从从特征库库中选取取不同尺尺寸的一一匹配特特征，然然后减小小它们之之间的距距离，这这样可以以得到一一最小距距离内的的最大数数据包容容量，最最终特征征可取二二者的平平均得到到。这种种方法不不必进行行曲线（面面）拟合合计算，在在匹配识识别的同同时即可可完成特特征的重重建，可可有效用用于大部部分规则则特征的的识别，如如直线、平平面、圆圆（球）、椭椭圆、抛抛物线面面等。图4给出几几种特征征的匹配配关系图图。定位点定位轴 （a） （bb） （c）图4匹配特特征及定定位示意意图(aa.圆 b.抛抛物线 c.椭椭圆) （2）

31、造型型特征识识别在本文中，我我们将自自由曲面面特征定定义为造造型特征征，因为为对绝大大多数设设计产品品来说，组组成其外外形的曲曲面都是是由设计计人员选选择一定定的造型型方式，形形成一简简单的特特征子曲曲面，再再由简单单子曲面面组成高高层次的的复合特特征曲面面。因此此我们可可以采取取和原曲曲面相同同的构造造方法来来还原曲曲面。主主要的曲曲面造型型方法包包括：拉拉伸、旋旋转、扫扫略、融融合和放放样等，对对上述造造型方法法，其已已知或要要求的造造型条件件（信息息）见表表3。但曲面造型型完成后后，上述述条件信信息部分分或全部部隐含在在曲面中中，人工工交互识识别也只只能测量量出一近近似的造造型信息息，这

32、点点和规则则特征有有所不同同，如对对于一个个旋转曲曲面，由由于其旋旋转轴不不能准确确建立，截截面扫描描测量得得到的截截面点以以及生成成的截面面曲线只只是原设设计截面面的一近近似截面面，用这这个截面面旋转得得到的模模型也是是一近似似模型，模模型不能能准确构构建。为解决上述述造型特特征问题题，我们们提出一一种曲面面特征识识别方法法，其原原理步骤骤为：Step11:人工工标识测测量路径径和采样样点，作作为初始始造型信信息和模模型匹配配检验参参考点；Step22:截面面拟合，产产生一光光滑参数数或样条条曲线，数数据计算算，得到到旋转基基准轴；Step33:根据据原形曲曲面外观观特征，选选择一匹匹配造型

33、型特征（造造型方法法）；Step44:特征征曲面造造型；Step55:曲面面匹配评评价，通通过计算算曲面到到参考点点的距离离；Step66:如精精度超出出要求，将将特征曲曲面对参参考点作作拟合；Step77:得到到一精度度要求下下的逼近近曲面，再再选择此此逼近曲曲面的网网格截面面线和基基准线（旋旋转轴、导导引线）作作为下一一次特征征曲面造造型的特特征信息息，进行行特征曲曲面造型型；Step88:重复复（5）-（8）步步骤，直直到得到到一最佳佳逼近曲曲面；Step99:组成成曲面的的特征曲曲线参数数化。其其流程图图见图55。截面数据拟合选择匹配特征（造型方式）曲面造型以拟合曲面网格为新的造型截面

34、线对参考点拟合重新选择匹配特征曲面匹配评价特征抽取特征参数化图5.曲面面匹配造造型流程程这样我们即即通过造造型方法法，获得得了测量量数据点点的一个个最佳匹匹配自由由曲面特特征，即即满足曲曲面的精精度要求求，也提提供了一一参数化化的曲面面特征，为为曲面修修改提供供了几何何基础。表3 曲面面造型信信息曲面类型拉伸曲面旋转曲面扫略曲面混合曲面放样曲面四边曲面已知信息初始截面线线初始截面线线旋转轴初始截面线线（中间截面面线）导引线初始截面线线中间截面线线导引线初始截面线线中间截面线线二边轮廓四边轮廓 需注意的的是，在在选择初初始匹配配特征时时，如果果曲面造造型的引引导线能能测量或或识别确确定，可可选S

35、wweepp或Bllendd方法，否否则选LLoftt方法；图6给给出一SSweeep曲面面产生示示意图。导引线参考点截面线图6.Swweepp曲面重重建4.2约束束识别几何特征间间的约束束关系类类型有：包容约约束、位位置约束束、距离离约束和和装配约约束等，由由于测量量点中没没有包含含约束信信息，约约束识别别主要通通过测量量进行，即即用人工工方式，通通过测量量机进行行约束关关系识别别，能识识别位置置约束、距离约束和装配约束。4.3 特特征重建建和特征征参数化化采用上述特特征识别别方法，在在识别的的同时也也完成了了特征的的构建，因因此特征征及模型型重建阶阶段的主主要工作作是组合合简单的的特征以以

36、构成高高层次的的复合特特征，组组合方式式包括延延伸、剪剪裁、求求交、倒倒角等，最最终形成成一完整整的几何何实体，提提供后续续的应用用。应指指出的是是特征以以及模型型重建时时应考虑虑特征的的几何约约束关系系，否则则最终的的原形是是不准确确的。对规则几何何特征，根根据前面面的分析析，可以以将特征征分解为为组成特特征的二二维约束束图，并并建立基基准绘图图平面，这这样可进进行截面面形状尺尺寸以及及实现方方式（如如拉伸距距离、旋旋转角）的的参数化化，实现现尺寸驱驱动图形形变化，达达到变形形设计的的目的。对造型特征征，主要要将组成成曲面的的截面几几何曲线线和实现现方式（如如sweeep导导引线等等）进行行

37、参数化化，这样样改变曲曲面形状状可以在在控制点点调控的的基础上上，增加加尺寸驱驱动的方方式。4.4 建建立特征征变形协协同关系系在完成特征征识别和和特征参参数化后后，即完完成的了了实物零零件的几几何特征征的重建建和约束束关系的的恢复，但但对一些些复杂产产品，其其组成产产品外形形的几何何特征有有时是跨跨零件的的，特征征间的变变形协同同关系，对对跨零件件曲面以以及整体体协同变变形曲面面建立边边界约束束关系根根据变形形区域、变变形方式式和变形形量确定定约束类类型和约约束参数数。对规则几何何特征，可可建立特特征造型型的历史史树，确确立特征征间的协协同变形形（父子子关系）关关系，以以保证父父特征改改变时

38、，子子特征也也发生相相应的变变化，如如不需要要协同变变形，也也可以取取消父子子关系。 对造型特征征（自由由曲面特特征），主主要建立立特征边边界的协协同变形形关系，如如一swweepp曲面和和一exxtruude曲曲面的边边界约束束关系，可可以考虑虑两种情情况，一一是边界界约束固固定的，及及边界不不发生改改变；另另一种是是边界自自由的，这这时一个个曲面改改变后，另另一与之之有边界界连结的的曲面也也应发生生相应的的变化。5.实例 图7-8给出出了一摩摩托车前前大板的的基于逆逆向工程程的改形形设计的的图例。 （aa） （bb）图7. 某某摩托车车前大板板三维模模型（aa.正视视图b.轴测图图） （a

39、a） （bb）图8. 基基于逆向向工程的的改形（创创新）设设计图（aa.正视视图b.轴测图图）6.总结本文提出支支持创新新设计的的概念、模模型表达达和实现现方法，在在现有CCAD造造型技术术条件下下，选择择基于特特征的参参数化或或变量化化表达来来描述重重建模型型，将便便于对模模型进行行修改和和再设计计操作，达达到改变变产品外外形，实实现形状状创新设设计的目目的。其其技术关关键在于于重建原原形的几几何特征征及约束束关系，在在此基础础上，根根据造型型方法将将几何特特征分解解为二维维截面约约束图，建建立造型型关系树树，实现现特征的的参数化化表达，最最终通过过尺寸驱驱动来改改变形状状。这种种方法可可以

40、有效效处理规规则几何何特征组组成的产产品零件件，难点点在于复复杂组合合特征的的识别和和重建，以以及自由由曲面特特征之间间的变形形约束关关系的构构建，上上述问题题是今后后的研究究重点。参 考 文文 献1. Tamass Vaaraddy, Rallph Marrtinn, JJorddan Coxx. RReveersee Ennginneerringg off Geeomeetriic MModeelsan inttrodducttionn, CCompputeer AAideed DDesiign, 19997, Vool.229:225325442. Leonaardiis AA. JJa

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51、sJIN TTao Toong Shuui-gguanng(Insttituute of Cheemiccal Macchinneryy, ZZhejjianng UUnivverssityy, HHanggzhoou, 31000277, CChinna)Abstrractt: IIn tthiss paaperr, ann appprooachh iss prropoosedd too soolvee thhe rrecoonsttrucctedd obbjeccts rredeesiggn pprobblemm inn reeverrse enggineeeriing, thhe cco

52、nvventtionnal appproaach is to adoopt simmplee annalyyticcal surrfacce, B-sspliiness suurfaace, orr NUURBSS diirecctlyy fiittiing to meaasurred poiintss too reeconnstrructt obbjecct, butt thhis reppressenttatiion is diffficcultty iif wwe aare goiing to chaangee obbjecct sshappe, in othher worrds to

53、makke rredeesiggn aand innnovaativve ddesiign worrk. Theerefforee itt iss immporrtannt tto ccorrrecttly reppressentt thhe rrecoonsttrucctinng ssoliid mmodeel iin wwhicch wwe ccan eassilyy reedessignn annd mmodiify. Ouur aapprroacch iis tto aadoppt pparaametteriizattionn feeatuuress too reepreesennt

54、rrecoonsttrucctinng mmodeel, recconsstruuctiion proocesssess iss coompoosedd off thhreee sttepss. IIn tthe firrst steep, geoomettricc feeatuuress arre rrecoogniizedd annd eextrractted bassed on a ffeatturees mmatcchinng aalgooritthm, siimulltanneouuslyy coonsttraiintss beetweeen theese feaaturres al

55、sso aare dettectted. Inn thhe ssecoond steep, theese feaaturres aree addjusstedd acccorddingg too coonsttraiintss reelattionnshiip bbetwweenn feeatuuress too obbtaiin aan opttimaal ffitttingg too meeasuuredd daata poiintss. FFinaallyy, tthe feaaturres aree apppliied varriattionnal reppressenttatiion

56、 andd a whoole shaape coooperratiive chaangee reelattionnshiip iis eestaabliisheed. Thuus tthe recconsstruuctiing moddel willl bbe ccompposeed oof ggeommetrric feaaturres, itt caan bbe rranddomlly cchanngedd byy chhangge ffeatturee siize (siize driive), tthiss moodell meeetss ouur rrequuireemennt oo

57、f mmakiing prooducct sshappe rredeesiggn aand innnovaativve ddesiign to thee exxtennt. Thee prropoosedd appprooachh iss illlusstraatedd byy meeanss off vaarioous exaamplles.Key wwordds: reveersee ennginneerringg; oobjeect recconsstruuctiion; innnovaativve ddesiign; baasedd onn feeatuuress; cconsstraaintts ffitttingg