基于激光点云数据的叶片型面三维重构

在四坐标叶片型面检测基础上,提出基于激光点云数据的叶片型面三维重构方法。激光位移传感器对叶片型面进行多视角扫描采样,快速采集叶片型面海量点云数据。运用由点到线到面的数学建模原理,先基于端点一阶导矢连续法拟合出光顺NURBS曲线,再依据分片能量法构建辅助曲面拟合出光顺NURBS曲面,最后对分片NURBS曲面进行统一描述,构造出精确光滑的叶片型面,实现叶片型面的三维重构。实验结果表明：采用该方法实现对各类叶片复杂型面的三维重构,重构误差均<0.015 mm,能够满足精密零件的测量需求。     

逆向工程中数控加工刀具轨迹生成的简化方法研究

相对于重构NURBS模型,提出了一种直接从激光扫描点云产生三角网格模型的逆向工程解决方案。点云的三角化采用改进的波前法,得到的三角网格模型采用微平面光顺法进行整体光顺。最后采用离散Zmap算法直接生成无干涉刀具轨迹。此方案无需由数据点云重构曲面的复杂交互和计算过程,适用于产品表面质量要求不高的情况。     

多点成形中回弹量的测量与控制方法研究

针对多点成形中工件的回弹问题,提出了一种测量和控制回弹的新方法.回弹量的测量方面,采用自行研制的非接触式三维激光扫描装置测量工件表面的三维点云信息;对不在同一坐标系下的测量数据和目标模型数据,用两步配准方法进行全局优化配准,克服了配准过程中常见的局部极小问题;采用改进的Shepard插值函数为初始曲面模型,用基于高斯曲率的采样型值点拟合出NURBS曲面.通过上述步骤快速、准确地计算出回弹量,改变了传统的利用靠模测量回弹量的方法.回弹控制方面,用测量的回弹量试验数据建立BP神经网络回弹预测模型,根据预测量调整基本体群的工具曲面形状,经过多次预测和基本体曲面形状的修改,最终实现控制回弹的目的.通过实例表明,上述方法可行,回弹量可控制到允许的精度.     

工程图学虚拟测绘模型系统的设计

研究了工程图学课程中虚拟测绘模型的设计.根据模型测绘教学的特点,确定了虚拟测绘模型的功能;设计了虚拟模型测绘流程;构建了模型测绘系统的结构.通过分析VRML节点的特性解决了系统的观察问题和模型点的选择提示及坐标的获得问题.设计了易于操作和理解的交互界面,实现了虚拟测绘模型系统.     

一种针对蜂窝芯外形曲面特征的测量方法

针对蜂窝芯外形曲面特征测量过程中出现的数据不完整、精度低等问题,提出一种基于三维光学扫描的测量方法。首先在蜂窝芯外形曲面紧密贴合覆盖层,以覆盖层外形特征代替蜂窝芯外形曲面特征,然后采用三维光学扫描技术采集覆盖层外形的点云数据。通过计算点云数据的法向矢量,并在矢量方向偏置覆盖层厚度,从而获得蜂窝芯曲面特征的轮廓数据,完成蜂窝芯外形曲面特征测量。通过对某型号蜂窝芯材料的测量,证明该方法的可行性和精确性,具有实际工程应用价值。     

基于分数阶傅里叶变换的NURBS曲面拟合

为了实现对自由曲面模型的高精度非均匀有理B样条(NURBS)曲面拟合,提出了一种基于分数阶傅里叶变换的NURBS曲面拟合方法。首先,借助分数阶傅里叶变换对自由曲面模型点云数据的高程图像展开分析,从中提取出表征自由曲面表面三维结构的特征点;然后,利用外切圆取点法结合提取的特征点选取用于NURBS曲面拟合的数据点;最后,利用分数阶傅里叶变换滤波及反插节点法对拟合曲面形状进行优化,提高拟合精度。实验结果表明:该方法与传统NURBS拟合方法相比,在不同调整次数下拟合结果的均方根误差降低了28%,取得了更好的拟合效果。     

一种大型锻件外形尺寸在线测量新方法

提出了一种大型锻件外形尺寸的在线测量新方法.首先通过激光扫描仪扫描锻件表面的信息,将获得的扫描仪到锻件表面的距离信息转化为坐标信息,然后进行点云拼接、数据精简和曲面重构处理,最后导入SolidWorks软件中构建锻件的三维模型,从中提取截面,给出锻件的尺寸信息,实现大型锻件外形尺寸的在线测量.     

基于深度扫描仪的高辨识度三维人体模型重建方法

3D照相打印馆人像的打印质量取决于3D扫描获得的三维人体模型的辨识度.然而,由于现有3D人体扫描仪价格昂贵、操作复杂等原因,使得3D人像打印成本高、耗时长和打印精度较低.针对这些缺点提出一种基于深度扫描仪重建高辨识度三维人体模型方法.利用多组深度扫描仪分工协作、优势互补,分别获取高辨识度的人体面部五官点云数据,上半身与全身表面轮廓点云数据.然后,通过引入特征点和改进的最近点迭代法将采集到的三组点云数据进行对齐、替换、拼接,将拼接后的无拓扑关系的点云数据进行曲面重构即可获得高辨识度的三维人体模型.该方法的扫描时间较短,以较低的成本构建了具有高辨识度的三维人像模型.     

人体鼻子反求模型的注射成型CAE分析与优化

针对人体软组织修复体的注射成型特点,以人体鼻子为对象进行修复体注射成型过程分析.应用逆向工程技术测量人体鼻子的三维点云坐标,将离散的三维鼻子点云数据经过精简、滤波和特征轮廓提取等方法进行曲面重构,反求出NURBS曲面模型.将该模型进行网格划分,并用有限元方法对人体鼻子修复体注射成型过程中产生的翘曲缺陷进行模拟仿真分析.利用正交优化法对成型工艺参数进行优化,从而获得最优工艺参数组合.计算结果表明,优化后的成型工艺参数使制件的翘曲值大为减小,提高了制件的质量,满足实际制件的精度要求.     

基于MKSA算法的曲面自适应采样

针对在机测量传统采样方法存在的采样点过于集中和采样区域遗漏影响曲面轮廓度的问题,将MacQueen K-means(MK)算法与模拟退火(SA)算法相结合,提出基于MKSA的复杂曲面在机测量自适应采样方法。利用MK算法生成二维质心Voronoi结构(CVT结构),将复杂曲面离散点云数据的高斯曲率绝对值作为生成CVT结构的密度函数,以方差函数为收敛准则,通过全局算法SA的退火准则设置降温系数,提高MK算法的全局寻优能力,生成全局最优的二维CVT结构;将质心点映射回原曲面,获得质心位置对应的曲面采样点,从而实现复杂曲面的自适应采样。仿真及实验结果表明:MKSA算法使曲面测量采样点分布更合理,拟合曲面与CAD模型的最大偏差及平均偏差均小于传统方法,更逼近CAD模型的理论曲面。     

Extracting sectional contours from scanned point clouds via adaptive surface projection

This paper presents a new and fully automatic method to extract cross-sectional contour profiles of a physical object from the point cloud data scanned from its surface. Correctly extracting the sectional contours is of particular importance in the quality inspection of airfoil blades as the tolerances specified on a manufactured aero-engine blade are generally imposed at specific blade sections. The collected point cloud via 3D laser scanning is, however, distributed all over the blade surface rather than at the desired specific sections. In fact, no point in the point cloud is located exactly on the sectional planes. The desired sectional data have to be extracted from the nearby data points. If the underlying smooth surface geometry of the point cloud in the vicinity of a nearby data point can be approximated by a mathematical function, the approximated local surface formulation can be used to project the nearby point onto the desired sectional plane along a curvilinear trajectory. This is achieved in this work by fitting a local quadric surface to the neighbouring points of the point of interest. A systematic approach to establish a balanced set of neighbouring points is employed to avoid bias in fitting the local quadric surface as well as to guide the selection of points to be projected onto the sectional plane. The projected points are then used to construct the desired sectional contour profile. Implementation results have demonstrated the superior performance of the proposed fully automatic method in comparison with the existing methods.     

Numerical analysis of the inviscid incompressible flow in two-dimensional radial-flow pump impellers

The flow through a two-dimensional centrifugal impeller fitted with equiangular blades of arbitrary geometry is investigated using a combination of conformal mapping with a boundary element technique. The blades can be thin or thick of arbitrary cross-section. A theoretical analysis and a numerical procedure are developed to determine the pressure distributions along the blade.     

贵州少数民族文化遗产的逆向工程应用研究

以少数民族文化遗产的保护和开发方法研究为目的,从实物测量、三维CAD模型、曲面模型评价体系、CAD模型重建等方面详细阐述了逆向工程技术在文化遗产保护方面的应用.选用有代表性的贵州少数民族文物--布依族酒壶、水壶以及木制傩戏面具作为研究对象,采用Hiscanner 激光扫描测头对其进行数据采集,扫描得到的点云数据可刻录到光盘上作为文物数据永久保存;更进一步地,采用目前流行的逆向工程软件Geomagic studio对点云数据进行数据精简、数据滤波、数据修补、提取特征线等处理后得到NURBS曲面;为保证曲面模型重建的精度,在曲面重建模型后对其误差评价,通过控制误差的方式指导曲面模型重建,使重建的文物曲面模型能真实完整地反映原状;最后,在功能强大的三维造型软件Solidworks中导入重构的NURBS曲面进行曲面缝合、放样等,将其生成实体CAD模型,并对模型的局部特征进行适当的再设计以实现文物实体模型的优化.对该模型进行快速成型制造可得到文物复制品或成品模具,即实现逆向工程技术在文化遗产保护中的应用研究.逆向工程技术应用于少数民族文化遗产文物保护是一个全新的课题,该项技术的应用能进一步推动文化遗产保护措施的发展,也能为类似课题的研究提供借鉴.     

T‐spline finite element method for the analysis of shell structures

A T‐spline surface is a nonuniform rational B‐spline (NURBS) surface with T‐junctions, and is defined by a control grid called T‐mesh. The T‐mesh is similar to a NURBS control mesh except that in a T‐mesh, a row or column of control points is allowed to terminate in the inner parametric space. This property of T‐splines makes local refinement possible. In the present study, shell formulation based on the T‐spline finite element method (FEM) is presented. Shell formulation based on NURBS or T‐splines has fundamental limitations because rotational DOFs, which are necessary in the shell formulation, cannot be defined on control points. In this study, the simple mapping scheme, in which every control point is mapped into one geometric point on the surface, is employed to eliminate the limitations. Using this mapping scheme, T‐spline FEM can be easily extended to the analysis of shells. The proposed shell formulation is verified through various benchmarking problems. This study is a part of the efforts by the authors for the integration of CAD–CAE processes. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于GA-BP神经网络的散乱点云孔洞自动修补

点云孔洞修补作为点云数据处理中的关键技术,直接影响点云的质量和完整性。利用遗传算法（genetic algorithm,GA）优化的BP（back propagation,反向传播）神经网络（简称GA-BP神经网络）是一种修补效果较好的散乱点云孔洞修补方法。但基于GA-BP神经网络的散乱点云孔洞传统修补方法的多个步骤需借助逆向软件通过人机交互的方式完成,导致修补过程繁琐且耗时较长。为此,提出了一种基于GA-BP神经网络的散乱点云孔洞自动修补方法。通过计算机编程将孔洞识别、孔洞区域插值和孔洞修补相结合,实现从残缺点云模型直接到完整点云模型的自动修补,无须进行复杂的人机交互和数据转换。实验结果表明,所提出的方法可有效避免因数据转换而造成的数据失真,减少了人机交互工作量,方便而高效地修补了散乱点云的孔洞,且得到的修补点云密度均匀,这对提高点云孔洞修补效率和质量具有重要意义。     

Enriched isogeometric analysis of elliptic boundary value problems in domains with cracks and/or corners

The mapping method was introduced in Jeong et al. (2013) for highly accurate isogeometric analysis (IGA) of elliptic boundary value problems containing singularities. The mapping method is concerned with constructions of novel geometrical mappings by which push‐forwards of B‐splines from the parameter space into the physical space generate singular functions that resemble the singularities. In other words, the pullback of the singularity into the parameter space by the novel geometrical mapping (a non‐uniform rational basis spline (NURBS) surface mapping) becomes highly smooth. One of the merits of IGA is that it uses NURBS functions employed in designs for the finite element analysis. However, push‐forwards of rational NURBS may not be able to generate singular functions. Moreover, the mapping method is effective for neither the k‐refinement nor the h‐refinement. In this paper, highly accurate stress analysis of elastic domains with cracks and ∕ or corners are achieved by enriched IGA, in which push‐forwards of NURBS via the design mapping are combined with push‐forwards of B‐splines via the novel geometrical mapping (the mapping technique). In a similar spirit of X‐FEM (or GFEM), we propose three enrichment approaches: enriched IGA for corners, enriched IGA for cracks, and partition of unity IGA for cracks. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于曲率约束的点云分割去噪方法

在点云去噪处理过程中,为提高对曲率变化较大区域的去噪效果,提出基于曲率约束的点云分割去噪方法。该方法通过曲率约束点云数据使模型特征得到有效保持,构建噪声光顺的映射函数使得噪声点回归光顺,能够避免使用传统滤波对点云数据模型产生过光顺,对后续处理奠定一定基础。实验表明,该方法相对于双边滤波能够有效地保持模型的特征,保留模型边缘信息,去除噪声效果更为明显。     

逆向工程中NURBS曲面与直线交点快速计算

给出了一个能够方便地判断NURBS曲面片与空间直线的交点个数,并且超线性收敛的快速迭代算法。计算Krawczyk算子判断给定的NURBS曲面片和空间直线有无交点和有几个交点。再使用拟牛顿迭代法求出NURBS曲面片和空间直线上的交点。该算法在用点云数据检测曲面重构的误差时具有快速、准确的特点。