逆向工程及智能制造技术

本书围绕逆向工程及智能制造技术,重点介绍以数据点云语义特征理解和几何特征生成为手段还原产品设计意图,基于变量化设计的逆向工程CAD 建模关键技术及其在智能制造领域的应用。首先综述了逆向工程的概念、CAD建模方法、建模技术及在智能制造中的应用;其次阐述了逆向工程的工作流程、软硬件平台;再次介绍了基于变量化设计的逆向工程CAD建模框架及关键技术:数据点云测量及预处理、基于多尺度分析的截面特征提取、曲面特征提取、约束驱动的特征模型优化重建;最后给出了逆向工程在创新设计、数控加工、3D打印及再制造等智能制造领域的应用。 本书可供从事计算机辅助几何设计、计算机视觉、机器视觉、数字化设计与制造等领域研究的科研人员以及从事计算机集成制造行业的企业界科技工作者阅读,也可作为高等院校机械工程、自动化及计算机应用等专业高年级本科生和研究生的参考用书。

无

第1 章绪　论1 　1.1　逆向工程技术　/ 2 1.1.1　逆向工程的概念　/ 2 1.1.2　CAD 建模方法　/ 4 1.1.3　逆向工程CAD 建模方法　/ 5 1.1.4　逆向工程CAD 建模技术　/ 9 　1.2　逆向工程在智能制造中的应用　/ 15 1.2.1　智能制造　/ 15 1.2.2　逆向工程技术在智能制造中的应用　/ 16 第2 章逆向工程的技术基础19 　2.1　逆向工程技术的工作流程　/ 20 　2.2　逆向工程的硬件平台　/ 22 2.2.1　数据采集设备　/ 22 2.2.2　加工制造设备　/ 26 　2.3　逆向工程的软件平台　/ 27 2.3.1　数据采集与分析软件　/ 27 2.3.2　专用的逆向造型软件　/ 29 2.3.3　CAD 建模软件　/ 31 2.3.4　逆向工程在智能制造中的应用软件　/ 34 第3 章基于变量化设计的逆向工程CAD 建模39 　3.1　基于变量化设计的逆向工程CAD 建模理论方法　/ 40 3.1.1　变量化设计造型方法　/ 40 3.1.2　基于变量化设计的逆向工程CAD 建模的提出　/ 41 3.1.3　基于变量化设计的逆向工程CAD 建模的优势　/ 42 　3.2　基于变量化设计的逆向工程CAD 建模系统框架　/ 43 3.2.1　逆向工程CAD 建模的特征分析　/ 43 3.2.2　逆向工程CAD 建模的约束分析　/ 44 3.2.3　系统框架　/ 46 　3.3　基于变量化设计的逆向工程CAD 建模关键技术　/ 48 3.3.1　数据点云预处理　/ 48 3.3.2　特征提取和特征间约束识别　/ 49 3.3.3　特征拟合　/ 51 3.3.4　基于图论的约束分解　/ 52 3.3.5　优化数值求解　/ 53 第4 章数据测量及预处理55 　4.1　数据测量　/ 56 4.1.1　数据点云的分层　/ 58 4.1.2　数据点云的分析　/ 59 　4.2　脉冲噪声自适应检测和滤除　/ 60 4.2.1　基于全局统计特性分析的粗检测　/ 61 4.2.2　自适应弦偏差脉冲噪声检测　/ 62 4.2.3　脉冲噪声的自适应滤除　/ 63 4.2.4　实例分析　/ 64 　4.3　基于3D 邻域随机噪声滤波　/ 66 4.3.1　激光扫描数据点云的相关性分析　/ 66 4.3.2　激光扫描数据3D 邻域　/ 69 4.3.3　模糊加权均值滤波　/ 70 4.3.4　基于3D 邻域随机噪声滤波的算法步骤　/ 71 4.3.5　实例分析　/ 71 　4.4　基于数据增强的多视点云匹配　/ 77 4.4.1　基于分层连通区域的点云数据增强　/ 77 4.4.2　基于同态滤波的点云数据增强　/ 82 4.4.3　增强点云数据的SIFT 特征匹配　/ 85 　4.5　基于局部统计特性的数据精简　/ 92 4.5.1　激光扫描数据点云的区域类型确定　/ 92 4.5.2　激光扫描数据的精简　/ 93 4.5.3　实例分析　/ 95 第5 章基于多尺度分析的截面特征提取97 　5.1　多尺度分析的提出　/ 98 　5.2　基于多尺度分析的截面特征分割　/ 101 5.2.1　曲率尺度空间理论　/ 101 5.2.2　尺度因子的确定　/ 102 5.2.3　多尺度特征点融合　/ 103 5.2.4　基于曲率尺度空间的截面特征分割　/ 105 5.2.5　实例分析　/ 105 　5.3　基于多尺度分析的区域分割法　/ 108 5.3.1　种子区域选择　/ 108 5.3.2　种子区域增长方式和标准　/ 108 5.3.3　基于多尺度分析的种子增长算法　/ 109 5.3.4　实例分析　/ 110 　5.4　截面曲线特征类型识别　/ 110 5.4.1　特征支撑区域　/ 111 5.4.2　基于面积的投影高度函数　/ 111 5.4.3　基于投影高度函数的曲线特征识别　/ 112 5.4.4　圆锥曲线特征识别　/ 113 　5.5　截面曲线特征拟合　/ 115 5.5.1　直线和圆弧拟合　/ 115 5.5.2　圆锥曲线拟合　/ 117 5.5.3　自由曲线拟合　/ 119 第6 章曲面特征提取121 　6.1　基于截面轮廓的曲面特征分割方法　/ 122 　6.2　基于截面特征相似性度量的曲面特征分割　/ 123 6.2.1　形状描述　/ 124 6.2.2　相似性度量函数　/ 125 6.2.3　基于截面特征的相似性度量准则　/ 126 6.2.4　实例　/ 128 　6.3　基于Curvelet 变换的曲面特征提取　/ 129 6.3.1　第二代离散Curvelet 变换理论　/ 129 6.3.2　基于Curvelet 变换的数据点云分析　/ 131 6.3.3　数据点云边缘增强　/ 132 6.3.4　曲面特征提取　/ 132 　6.4　曲面特征识别　/ 133 6.4.1　规则曲面特征识别　/ 134 6.4.2　自由曲面造型特征识别　/ 136 6.4.3　过渡曲面特征识别　/ 137 6.4.4　自由曲面特征识别　/ 138 　6.5　曲面特征拟合　/ 139 6.5.1　规则曲面特征拟合　/ 139 6.5.2　自由曲面造型特征拟合　/ 143 6.5.3　自由曲面拟合　/ 144 6.5.4　过渡曲面拟合　/ 145 第7 章基于约束驱动的特征模型优化重建147 　7.1　基于图的几何约束分解　/ 148 7.1.1　有向约束图表示　/ 149 7.1.2　几何约束图的DSM 矩阵　/ 150 7.1.3　基于DSM 的耦合约束消除　/ 150 7.1.4　基于多尺度特征的几何约束凝聚算法　/ 152 7.1.5　实例分析　/ 154 　7.2　特征模型优化的数值求解　/ 157 7.2.1　约束的数学表示　/ 157 7.2.2　数学模型的建立　/ 159 7.2.3　特征模型优化数值求解　/ 160 7.2.4　实例分析　/ 163 　7.3　CAD 模型重建　/ 164 7.3.1　CAD 模型重建的基本步骤　/ 165 7.3.2　实例分析　/ 165 第8 章面向智能制造的逆向工程应用169 　8.1　逆向工程在创新设计中的应用　/ 170 8.1.1　基于形态特征的逆向创新设计　/ 170 8.1.2　应用实例　/ 171 　8.2　逆向工程在数控加工中的应用　/ 174 8.2.1　复杂自由曲面模型逆向设计及数控加工　/ 174 8.2.2　机器人腕关节模型重构及数控加工　/ 178 　8.3　逆向工程在3D 打印中的应用　/ 183 8.3.1　FDM 式3D 打印机　/ 183 8.3.2　复杂曲面优化设计及3D 打印　/ 184 8.3.3　曳引机壳拓扑结构优化设计及3D 打印　/ 189 　8.4　逆向工程在再制造中的应用　/ 195 8.4.1　逆向工程辅助废旧零部件再制造　/ 196 8.4.2　应用实例　/ 197 参考文献200