自由曲面逆向工程系统的设计.pdf

第 22卷第 3期2010年 6月军械工程学院学报JournalofOrdnance Engineering CollegeVol 122 No 13Jun.2010 文章编号:1008-2956(2010)03-0059-04自由曲面逆向工程系统的设计朱海花,李宝峰,郭朝勇(军械工程学院基础部,河北 石家庄 050003)摘要:以通用 CAD软件 AutoCAD为平台,设计开发了自由曲面逆向工程系统,给出了系统总体方案和组成结构,并阐述了系统关键技术及具体实现方法。该设计对基于通用软件平台的曲面 CAD系统的开发具有较好的参考意义。关键词:自由曲面;逆向工程系统;AutoCAD中图分类号:TH122 文献标识码:ADesign ofReverse Engineering Syste m for Free2form SurfacesZ HU H ai2 hua,LI Bao2feng,GUO Chao2yong(Department ofBasic Courses,Ordnance EngineeringCollege,Shijiazhuang 050003,China)Abstract:A reverse engineering syste m for free2form surfaces is developed under AutoCAD,which willaccord with actual de mand and habit of the user.The overall scheme and structure of system is presented,and the solvability of key technology is expatiated.The syste m will benefit further development of generalCAD system.K ey words:free2fro m surface;reverse engineering system;AutoCAD 自由曲面是指那些不能用规则的解析式表达的曲面,武器装备中的战斗机、舰艇、导弹、车辆、雷达等的外形大多为自由曲面,轻工产品、人体等的外形亦多为自由曲面。在工程领域中,经常需要利用对各类自由曲面的逆向工程技术来为产品改型或创新设计提供依据 1。目前,可用于自由曲面逆向工程的专用软件系统主要有 EDS公司的 I mageware、PTC公司的 ICEMSurf、DELCAM 公司的 CopyCAD以及 Innove Metric公司的 Polyworks等,但这些软件系统一般较为庞大,价格昂贵,并且多为封闭环境,二次开发较困难。文献 2-4中将专用逆向工程软件和通用 CAD应用软件相结合,完成曲面逆向工程,以满足实际需要。笔者以目前国内外使用最为广泛的微机 CAD应用软件)AutoCAD为平台,研究开发了自由曲面逆向工程系统。系统实现了从曲面三维数据采集、收稿日期:2009209221;修回日期:2009211224项目来源:军队科研计划项目作者简介:朱海花(1978),女,硕士,讲师.曲面三维模型重构、重构曲面空间显示到曲面特征线绘制的全过程,其主要功能通过对 AutoCAD图形数据库的操作来完成,创建的图形在本质上与 Auto2CAD图形编辑器中生成的图形也一致。1 系统设计111 总体方案系统总体设计包括曲面数据采集系统设计和曲面逆向工程软件系统设计。曲面数据采集系统主要完成曲面三维离散数据的提取,根据提取的离散数据,曲面逆向工程软件系统进行曲面三维模型的重构及显示,从而实现曲面实物到曲面数字模型的转换。系统总体方案如图 1所示。112 系统组成11211 硬件配置系统硬件主要由计算机、光栅投影系统5和图像采集装置 3个部分组成。计算机模拟生成光强呈正弦分布的一组栅线,并通过投影系统将栅线投射到被测曲面,被测曲面的形貌对光条纹进行调制,使其相位发生变化。图像采集装置采集被调制的栅线条纹图后,利用图像处理软件进行处理,将包含在采集图像中的被测曲面高度信息进行解调,从而获得曲面的三维离散数据。系统硬件配置如图 2所示。11212 软件设计根据采集到的曲面三维离散数据,利用自由曲面逆向工程软件实现曲面模型的三维重构6。以AutoCAD软件为支撑平台,笔者采用面向对象的ObjectARX技术,在 V isual C+610的可视化编译环境下编程。编制的 ObjectARX应用程序直接深入AutoCAD系统内部,通过对其图形数据库及可直接访问数据库结构的类进行操作,实现系统的各项功能 7-8。各功能模块包括数据输入模块、曲面重构模块、曲面空间显示模块、曲面特征线绘制模块和渲染模块。数据输入模块主要进行曲面三维采集数据的读取和预处理,以获得满意的数据,为曲面重构过程做好准备。曲面重构模块完成曲面的三维离散数据到曲面三维网格模型的建立,根据处理好的曲面离散数据采用三次 B样条曲面拟合的方式进行曲面三维实体的创建,并将创建的曲面实体添加到数据库中。曲面空间显示模块进行重构曲面三维模型的空间显示,利用显示模块可以从不同的视点和方向观察三维模型,将三维模型转化为标准的多视图,并将模型进行不同角度的空间同步显示。曲面特征线绘制模块根据曲面特征及设计需要,采用人机交互的方式实现曲面各类特征线的绘制及其显示或隐藏控制。渲染模块为重构曲面添加适合的材质,并进行背景和光源的设置,创建曲面的真实感效果图。2 关键技术211 三维数据采集三维数据采集是指通过特定的测量设备和测量方法,将物体的表面形状转换成反映其形体特征的一系列离散数据,在此基础上进行曲面的建模、改进和制造。笔者利用投影栅相位法对曲面进行数字化处理,获得其离散的三维数据点。投影珊相位法的基本原理是:将被测物体的高度信息调制在载波信号的相位变化中,并通过数学方法将相位信息提取出来,再与系统几何参数结合,从而获得被测物体的三维信息。该方法测量速度快,精度高,测量范围大,成本低,易于实现。曲面数据采集原理如图 3所示。投影系统将光线投射到参考平面上的 A点,放入被测物体后,光线照射到被测物体上的 H 点,从摄像装置的角度进行观测,A点移到了新的位置 B点,其相位值由 5A60军械工程学院学报 2010 变为 5B,产生相位差$5h=5B-5A。结合系统几何参数,可得被测物体上的任一点H 的高度为h(x,y)=l$5(x,y)$5(x,y)+2Pdp,(1)式中:l为摄像装置光心到参考平面 R的距离;d为投影系统光心与摄像装置光心的距离;p为参考平面上的栅线节距;$5(x,y)为放入被测物前后所拍摄的 2幅图像上同像点的相位差。利用该采集方法可得到密集网格点的三维数据,通常每幅图像上可均匀分布 512 512个像素点,1个像素点对应 1个数据。被测曲面每个点的坐标值 x与 y由图像上像素点的位置确定,坐标值 z可由式(1)得到。212 三维模型重构在自由曲面逆向工程系统中,根据采集的数据,通过对 Auto CAD图形数据库的操作实现三维模型的重构 9。具体步骤包括创建三维曲面实体与添加曲面实体到数据库。当系统创建新的曲面三维图形时,AutoCAD将创建相关曲面实体,并将其存储在模型空间的块表记录中。在激活 AutoCAD并且数据库处于默认状态时,曲面实体被添加到 AutoCAD的主空间。图 4为在模型空间中创建曲面实体时的数据库。通过访问 AutoCAD 图形数据库的 Object ARX类库可实现曲面实体的创建。编制 ObjectARX应用程序动态分享 AutoCAD的地址空间,通过对其类库中 AcDbPolygon Mesh类的操作完成曲面实体的创建。AcDbPolygonMesh类代表了 AutoCAD中的多边形网格实体,其构造函数为:AcDbPolygon Mesh:Ac2DbPolygon Mesh,原型如下:AcDbPolygonMesh(AcDb:Poly MeshType pType,Adesk:Int16 mSize,Adesk:Int16 nSize,constAcGePoint3dArray&vertices,Adesk:BooleanmClosed=Adesk:kTrue,Adesk:Boolean nClosed=Adesk:kTrue);其中,pType为所建多边形网格的类型,可选值及含义如表 1所示;mSize与 nSize为M与 N 方向的网格顶点数目,其值为 2 256;vertices为表示网格顶点的点阵;mClosed为网格在 M 方向是否闭合的布尔标志,当 mClosed为 Adesk:kTrue时,网格在 M 方向为闭合状态,当 mClosed为 Adesk:kFalse时,网格在 M方向为打开状态;nClosed为网格在 N 方向是否闭合的布尔标志。表 1 pType可选值及含义AcDb:kSi mp le MeshAcDb:k QuadSurface MeshAcDb:kCubicSurface MeshAcDb:kBezierSurfaceMesh无曲面拟合的简单曲面符合二次 B样条曲面拟合符合三次 B样条曲面拟合符合贝赛尔曲面拟合采用三次 B样条曲面拟合的方式进行曲面三维实体的创建,并将创建的曲面实体添加到数据库中合适的容器对象)块表记录中。具体步骤为:1)获得当前块表;2)获得当前的块表记录;3)关闭块表;4)添加实体到块表记录中;5)关闭块表记录;6)关闭实体。以人体模型的外形曲面为例,重构的曲面三维模型如图 5所示。213 三维特征线绘制在自由曲面逆向工程系统中,可根据曲面特征及设计需要,进行曲面特征线的绘制,这一过程通过对 AutoCAD图形数据库的操作实现。首先,为各类特征线建立相应的新图层,绘制完成的特征线位于该图层。根据需要,图层可随意打开或关闭,以实现对特征线的显示或隐藏控制。系统建立新层时,在 AutoCAD中将创建新的层表记录,而后将其添加到层表中,如图 6所示。具体步骤61 第 3期 朱海花等:自由曲面逆向工程系统的设计为:1)获得当前层表;2)创建新层表记录并为其命名;3)将新层表记录添加到层表中;4)关闭层表;5)关闭层表记录。采用新建图层默认线宽对系统的特征线进行绘制,其在曲面上表现为细线,而特征线的线宽应根据需要重新设置。通过 ObjectARX 类库中的 AcDb2Layer TableRecord:setLine W eight函数实现特征线的绘制,其原型如下:Acad:ErrorStatussetLine Weight(AcDb:Line W eightweight);其中,weight为设置的线宽。进行曲面特征线的绘制包括创建特征线实体、设置实体颜色及添加实体到数据库。通过对 ObjectARX 中 AcDb3dPolyline,AcDb2Line和 AcDbSpline类的操作来实现特征线实体的创建。其中 AcDb3dPolyline类代表了 AutoCAD中的三维多段线实体;AcDbLine类代表了 AutoCAD中的三维直线实体;AcDbSpline类代表了 AutoCAD中的样条曲线实体。不同特征线在系统中采用不同颜色绘制,在创建特征线实体后,所绘制特征线的颜色通过实体颜色设置实现,颜色索引值为 0 256。其中,1 7为标准颜色;8 255的颜色索引值由显示设备确定;0,256和 257分别为随块、随层和无颜色。当为实体指定某颜色值时,当前数据库的默认值被忽略。添加实体到数据库的方法同上。图 7为绘制完成的曲面上凸起区域的边界线和某测量示意线。3 结束语笔者采用投影栅相位法对曲面进行数字化处理,可获得按像素点均匀分布的三维数据点,从而避免了对散乱数据的排序、重组、分块、融合等一系列复杂预处理过程。以 AutoCAD为开发平台进行曲面三维模型的重构及特征线的绘制,可实现与其他CAD软件的连接,便于相互调用。参考文献:1 成思源,张湘伟,黄曼慧.逆向工程技术及其在模具设计制造中的应用 J.机械设计与制造,2009(6):2332234.2 朱湘宁,邱望标,李屹,等.逆向工程中复杂零件实体生成方法 J.设计与研究,2009(1):60262.3 葛茂忠,项建云,孙建英.基于逆向工程的快速模具设计与制造 J.模具技术,2009(1):39241.4 吴卫东.逆向工程中可重用模型构建技术研究 J.兰州理工大学学报,2005,31(6):40243.5 由志福,钟约先,许庆红,等.投影栅相位法曲面形体检测系统结构的分析 J.清华大学学报:自然科学版,2000,40(5):528.6 周文莲.物体形态的三维测量技术 J.人类学学报,2000,19(4):3252330.7 郭朝勇.AutoCAD 2002定制与开发 M.北京:清华大学出版社,2002.8 孙江宏.AutoCAD ObjectARX开发工具及应用 M.北京:清华大学出版社,1999.9 吴琼兴,阮锋,马凯,等.ObjectDBX机制在模具 CAD系统中的应用 J.机电工程技术,2004,33(5):22223.(责任编辑:韩红艳)62军械工程学院学报 2010