[發明專利]一種面向飛機裝配的零件幾何特征表達模型及構建方法

有效

• 申請號: 201910054970.2
• 申請日: 2019-01-21
• 公開（公告）號: CN109726509B
• 公開（公告）日: 2023-05-19
• 發明（設計）人: 黃翔;李瀧杲;江一帆;曾琪
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

1.一種面向飛機裝配的零件幾何特征表達模型，其特征是在激光掃描設備獲取的零件外形掃描點云的基礎上，將零件外形按照邊界特征劃分為點、曲線、曲面三種基本元素，以離散點集的形式表示零件幾何特征；在給定公差帶的條件下，以盡量精簡的點集構建三種基本元素，從而實現零件幾何特征準確、結構化、輕量化的表達；所述的激光掃描設備獲取的零件外形掃描點云以三角網格的形式表示，三角形網格M表示為{V,E,F},其中V為網格頂點的集合，E為網格邊的集合，F為網格面的集合：

在三角網格模型M＝{V,E,F}的基礎上，將零件外形按照邊界特征劃分為點、曲線、曲面三種基本元素，從而建立零件幾何特征T的結構化表達模型：

其中Point表示特征點的集合，Line表示特征曲線的集合，Surface表示特征曲面的集合；所述的公差帶是一種基于最小包絡區域的零件幾何特征精度控制參數；以離散點集表示的幾何特征的最小包絡區域寬度越小，表示零件幾何特征表達形狀準確度越高；反之，隨著表示零件幾何特征的點集密度降低，最小包絡區域寬度會增加；在保證最小包絡區域寬度小于給定公差帶的條件下，盡量精簡點集，實現零件幾何特征表達模型的輕量化。

2.一種權利要求1所述的面向飛機裝配的零件幾何特征表達模型的構建方法，其特征在于它包括以下步驟：

首先，通過激光掃描設備獲取零件外形掃描點云；

其次，對零件掃描點云的尖銳邊界特征提取，根據提取的邊界特征將零件幾何外形數據劃分為點、曲線、曲面三種基本元素；

第三，給定公差帶的條件下，對特征數據進行精簡；

所述的尖銳邊界特征提取目的從輸入網格中提取尖銳特征的邊界線，由于激光掃描獲取的邊界特征并非絕對的尖銳，只能從特征區域近似估計的獲取一條邊界線；該邊界線是零件幾何特征表達模型中描述的曲線特征的原型，由原始輸入網格的邊構成的分段線性曲線{e_i}；與理論模型中提取的參考特征對應，提取的邊界線是連續的特征，并與相鄰特征具有一致的連通性；通過對獲取的近似估計的邊界線進行特征優化獲取目標曲線特征；

所述的零件幾何外形數據劃分目的是將完整的原始網格模型劃分為與零件幾何特征表達模型定義對應的角點、邊界曲線與曲面這三種基本特征元素；對于曲面特征劃分，采用一種鄰域搜索的方法，過程如下：

1)預設Open、Closed、Surface三個列表，其中Surface列表初始為空，Closed列表初始存放邊界線特征的頂點，Open列表初始放入一個“核”頂點Core_i，該核為曲面特征網格上任一一個非邊界點的網格頂點，人工選取或者根據理論數模中定義的點求取最近頂點；

2)對Open列表中第一個點V_first，將其鄰域網格并入Surface列表，并將V_first加入Closed；

3)對V_first所有鄰域頂點：若不在Closed或Open列表，則加入Open列表的最后；

4)重復2)與3)直到Open列表為空，Surface列表里的所有網格構成的曲面即為Core_i所對應的待提取曲面；

5)對所有Core_i執行1)至4)的操作實現所有曲面特征的劃分。

3.如權利要求2所述的構建方法，其特征在于所述的特征數據精簡采用一種半邊折疊方法，通過對能量函數的定義及邊界特征的處理，實現網格數據精簡；網格簡化的總體流程如以下偽代碼所述：

上述網格簡化過程包含半邊折疊、合法性判斷、能量計算及頂點位置重建核心操作；(1)半邊折疊；

采用半邊折疊作為網格簡化的單元操作；與其他邊折疊操作不同，半邊折疊中一條邊的刪除方式存在兩種操作，邊折向頂點1或點2，并不會引入新的頂點到網格中；考慮到網格簡化過程中特征的保留，根據待刪除邊與預提取特征的拓撲位置關系，約束邊折疊操作為2種；待刪除邊的操作方式如下：

1)不與特征連接：2種操作；

2)邊的一個頂點在特征上：操作限制為非特征點折向特征頂點；

3)邊屬于邊特征但不與角點連接：2種操作；

4)邊屬于邊特征并且一個頂點為角點：操作限制為非角點折向角點；

(2)半邊折疊合法性判斷；

采用高效的多選擇技術，從列表中選取n個候選半邊進行排序，能量函數最小的半邊作為目標折疊邊；這些待排序的邊從所有折疊的半邊中隨機選取，因此需要篩選出所有折疊的半邊；半邊折疊的合法性檢驗的主要依據包括半邊折疊后局部網格特征表達的準確性及新生成網格形狀合法性(如網格最小角)；其中局部網格特征表達的準確性表示為最小包絡空間測度量d_k與容差閾值ΔT的對比：

maxd_k≤ΔT??(3)

最小包絡空間測度量小于閾值則認為該半邊折疊合法；

(3)能量函數；

使用最小包絡模型來評估簡化網格相對于原始曲面的精度，為此基于最小包絡模型構建能量函數f_Tzone(M)，包含最小包絡空間測度量與方差：

其中d_k為最小包絡空間測度量，μ為d_k的均值，λ為權重系數；最小包絡空間測度量等價于以當前網格為平分面，點到網格的最大距離所包絡的區間；由于最小包絡空間測度量反映的是最大偏差網格的狀態，引入方差來反映整體網格偏差的離散度；理想狀態是最小包絡空間測度量最小的情況下所有網格偏差的方差盡量小，即所有網格偏差都盡量接近包絡邊界；

(4)頂點位置重建

通過半邊折疊操作得到了一個更簡化的網格，然而在半邊操作中沒有引入新的點、原有點的位置也沒發生變化，這就導致簡化的網格產生較大的誤差；頂點位置重建將對新網格的頂點位置重新計算，使能量函數達到最優；對于半邊操作的鄰域網格U_v，邊折疊得到的頂點位置優化模型如下：

擴展到全局網格M：