支持创新设计的模型重建方法

在CAD造型技术中，实现参数化设计的方法主要有：编程参数化、交互参数化、离线参数化和三维参数化等。 

编程参数化通过编程来进行参数化设计。交互参数化是通过交互的方法来进行参数化设计，其生成方法又包括多种：变动几何法、作图规则匹配、几何作图局部求解法、辅助线作图法、变量流技术和交互生成参数绘图命令等。离线参数化是将几何模型向参数化模型转换，它分成两个步骤：其一：在已有图形基础上通过标注尺寸建立约束关系，其二，在已有图形和尺寸的基础上，通过尺寸框架的识别搜索建立约束关系。三维参数化的实现有两种途径：一是由二维参数化图形通过拉伸、旋转、扫掠等操作得到三维参数化图形，二维图形改变，三绍图形随之变化；二即是建立基于特征的三维参数化模型，特征模型中包含特征定位和特征间的关联信息，因而可以实现参数化。 

根据逆向造型的特点和CAD造型实现参数化的几种方法，我们可以得出适合于逆向建模的参数化实现方法，即离线参数化和三维参数化。如图8.13所示，其处理过程为数据分割、特征约束识别、确定特征造型过程、特征的参数化建立。这里我们主要对特征约束识别和特征参数化方法展开讨论。 

4.1几何特征识别 

实现图1过程的关键技术首先为为特征约束识别，如果能将模型分解为不同特征的组合和确定特征间的约束关系，将为几何特征转换为参数化表示提供实现的基础。另外，为实现参数化需完整地给出特征的约束关系，不仅仅是用尺寸来建立图形元素约束的位置关系，因为无法通过尺寸标注来确定两图形元素相切的关系，尽管变量化方法不需要建立全约束关系，但对产品修改来说，如果产品具有装配关系，模型的变化是相互关联的，这时零部件之间整体协同变形的约束关系是必需的。约束关系建立或确定的难点在于模型数字化后，测量数据点几乎不包含几何特征的约束关系，应通过原形分析来判断推理，但这样获得约束关系不可避免地带有不完整性和不确定性。 

1.特征分类 

对模型重建我们仅需考虑与造型相关的形状几何特征，而且主要是构成模型的低层几何体素及其构造特征，如点、线、面等。为方便后续的特征识别，根据几何特征的特点和识别方法的不同，我们将几何特征分成规则几何特征和造型特征，两类特征的组成见表1、2。 

造型特征实际上是自由曲面特征，在几何造型时，组成零件外形的复杂曲面都是基于上述造型手段由曲面片组合而成，在模型重建时，如果能识别原形的造型方法，就为曲面还原提供了几何基础。 

2. 特征模型 

根据零件外形组成、特征表达及特征间的约束关系，零件的特征模型被定义为一个三层结构，见图3。第一层是零件几何外形层，包含零件实体和特征的几何尺寸参数；第二层是几何特征层，包含特征构造图和特征间的约束关系；第三层是几何信息层，包含构成特征的参数曲面片或Bezier、NURBS曲面片。 

3.特征识别

（1）规则几何特征的识别 

规则几何特征是构成零件外形的基本几何特征，对机械零件产品，在外形测量时即可由坐标测量机完成部分特征的识别和测量，如平面、直线、圆（弧）等。但对于一些具有复杂外形的产品覆盖件，一方面组成特征不明显，另外，由于曲面形状变化，使孔槽特征的轮廓线没有位于一个平面内，更由于制造误差使轮廓外形产生变形，特征识别就变得重要。 

针对规则特征的特征匹配识别方法的步骤包括： 

Step1:建立匹配特征库； 

Step2: 初步判定特征类型；

Step4: 进行特征匹配； 

Step5: 完成特征识别，提取已识别特征的几何参数，实施特征参数化。 

特征类型的初步确定主要通过数据几何特征由人工判定。

特征的匹配定位点根据特征的不同，其定位方式主要分为点定位和点-轴定位。点定位主要用于圆、圆弧及球体的定位，可以通过计算测量数据点的重心得到；点-轴定位主要用于椭圆、抛物线（面）等二次曲线、面的定位，轴主要是特征的对称轴，对称轴的建立可由边界轮廓的相互镜像求出。 

特征匹配过程需要处理待识别的特征轮廓线不处于一个平面内时，如曲面表面的孔槽、斜孔和由于测量误差使扫描截面线成为一空间曲线的情况，在匹配之前应将其对应的离散数据点投影在一个平面内。孔槽、斜孔的投影平面即为其草绘平面，可先重建轴线，再构建投影平面；扫描截面线的投影平面的建立较容易，即为测量时固定的坐标轴平面。 

特征识别主要由选择的特征判据确定，特征技术中特征匹配识别采取的判据是特征线的重合率[16]，方法是先从特征库中选取不同尺寸的一匹配特征，然后减小它们之间的距离，这样可以得到一最小距离内的最大数据包容量，最终特征可取二者的平均得到。这种方法不必进行曲线（面）拟合计算，在匹配识别的同时即可完成特征的重建，可有效用于大部分规则特征的识别，如直线、平面、圆（球）、椭圆、抛物线面等。