本書圍繞逆向工程及智能制造技術,重點介紹以數據點云語義特征理解和幾何特征生成為手段還原產品設計意圖,基于變量化設計的逆向工程CAD 建模關鍵技術及其在智能制造領域的應用。首先綜述了逆向工程的概念、CAD建模方法、建模技術及在智能制造中的應用;其次闡述了逆向工程的工作流程、軟硬件平臺;再次介紹了基于變量化設計的逆向工程CAD建模框架及關鍵技術:數據點云測量及預處理、基于多尺度分析的截面特征提取、曲面特征提取、約束驅動的特征模型優化重建;最后給出了逆向工程在創新設計、數控加工、3D打印及再制造等智能制造領域的應用。
本書可供從事計算機輔助幾何設計、計算機視覺、機器視覺、數字化設計與制造等領域研究的科研人員以及從事計算機集成制造行業的企業界科技工作者閱讀,也可作為高等院校機械工程、自動化及計算機應用等專業高年級本科生和研究生的參考用書。
第1 章緒 論1
1.1 逆向工程技術 / 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 建模技術 / 9
1.2 逆向工程在智能制造中的應用 / 15
1.2.1 智能制造 / 15
1.2.2 逆向工程技術在智能制造中的應用 / 16
第2 章逆向工程的技術基礎19
2.1 逆向工程技術的工作流程 / 20
2.2 逆向工程的硬件平臺 / 22
2.2.1 數據采集設備 / 22
2.2.2 加工制造設備 / 26
2.3 逆向工程的軟件平臺 / 27
2.3.1 數據采集與分析軟件 / 27
2.3.2 專用的逆向造型軟件 / 29
2.3.3 CAD 建模軟件 / 31
2.3.4 逆向工程在智能制造中的應用軟件 / 34
第3 章基于變量化設計的逆向工程CAD 建模39
3.1 基于變量化設計的逆向工程CAD 建模理論方法 / 40
3.1.1 變量化設計造型方法 / 40
3.1.2 基于變量化設計的逆向工程CAD 建模的提出 / 41
3.1.3 基于變量化設計的逆向工程CAD 建模的優勢 / 42
3.2 基于變量化設計的逆向工程CAD 建模系統框架 / 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 建模的約束分析 / 44
3.2.3 系統框架 / 46
3.3 基于變量化設計的逆向工程CAD 建模關鍵技術 / 48
3.3.1 數據點云預處理 / 48
3.3.2 特征提取和特征間約束識別 / 49
3.3.3 特征擬合 / 51
3.3.4 基于圖論的約束分解 / 52
3.3.5 優化數值求解 / 53
第4 章數據測量及預處理55
4.1 數據測量 / 56
4.1.1 數據點云的分層 / 58
4.1.2 數據點云的分析 / 59
4.2 脈沖噪聲自適應檢測和濾除 / 60
4.2.1 基于全局統計特性分析的粗檢測 / 61
4.2.2 自適應弦偏差脈沖噪聲檢測 / 62
4.2.3 脈沖噪聲的自適應濾除 / 63
4.2.4 實例分析 / 64
4.3 基于3D 鄰域隨機噪聲濾波 / 66
4.3.1 激光掃描數據點云的相關性分析 / 66
4.3.2 激光掃描數據3D 鄰域 / 69
4.3.3 模糊加權均值濾波 / 70
4.3.4 基于3D 鄰域隨機噪聲濾波的算法步驟 / 71
4.3.5 實例分析 / 71
4.4 基于數據增強的多視點云匹配 / 77
4.4.1 基于分層連通區域的點云數據增強 / 77
4.4.2 基于同態濾波的點云數據增強 / 82
4.4.3 增強點云數據的SIFT 特征匹配 / 85
4.5 基于局部統計特性的數據精簡 / 92
4.5.1 激光掃描數據點云的區域類型確定 / 92
4.5.2 激光掃描數據的精簡 / 93
4.5.3 實例分析 / 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 曲率尺度空間理論 / 101
5.2.2 尺度因子的確定 / 102
5.2.3 多尺度特征點融合 / 103
5.2.4 基于曲率尺度空間的截面特征分割 / 105
5.2.5 實例分析 / 105
5.3 基于多尺度分析的區域分割法 / 108
5.3.1 種子區域選擇 / 108
5.3.2 種子區域增長方式和標準 / 108
5.3.3 基于多尺度分析的種子增長算法 / 109
5.3.4 實例分析 / 110
5.4 截面曲線特征類型識別 / 110
5.4.1 特征支撐區域 / 111
5.4.2 基于面積的投影高度函數 / 111
5.4.3 基于投影高度函數的曲線特征識別 / 112
5.4.4 圓錐曲線特征識別 / 113
5.5 截面曲線特征擬合 / 115
5.5.1 直線和圓弧擬合 / 115
5.5.2 圓錐曲線擬合 / 117
5.5.3 自由曲線擬合 / 119
第6 章曲面特征提取121
6.1 基于截面輪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 形狀描述 / 124
6.2.2 相似性度量函數 / 125
6.2.3 基于截面特征的相似性度量準則 / 126
6.2.4 實例 / 128
6.3 基于Curvelet 變換的曲面特征提取 / 129
6.3.1 第二代離散Curvelet 變換理論 / 129
6.3.2 基于Curvelet 變換的數據點云分析 / 131
6.3.3 數據點云邊緣增強 / 132
6.3.4 曲面特征提取 / 132
6.4 曲面特征識別 / 133
6.4.1 規則曲面特征識別 / 134
6.4.2 自由曲面造型特征識別 / 136
6.4.3 過渡曲面特征識別 / 137
6.4.4 自由曲面特征識別 / 138
6.5 曲面特征擬合 / 139
6.5.1 規則曲面特征擬合 / 139
6.5.2 自由曲面造型特征擬合 / 143
6.5.3 自由曲面擬合 / 144
6.5.4 過渡曲面擬合 / 145
第7 章基于約束驅動的特征模型優化重建147
7.1 基于圖的幾何約束分解 / 148
7.1.1 有向約束圖表示 / 149
7.1.2 幾何約束圖的DSM 矩陣 / 150
7.1.3 基于DSM 的耦合約束消除 / 150
7.1.4 基于多尺度特征的幾何約束凝聚算法 / 152
7.1.5 實例分析 / 154
7.2 特征模型優化的數值求解 / 157
7.2.1 約束的數學表示 / 157
7.2.2 數學模型的建立 / 159
7.2.3 特征模型優化數值求解 / 160
7.2.4 實例分析 / 163
7.3 CAD 模型重建 / 164
7.3.1 CAD 模型重建的基本步驟 / 165
7.3.2 實例分析 / 165
第8 章面向智能制造的逆向工程應用169
8.1 逆向工程在創新設計中的應用 / 170
8.1.1 基于形態特征的逆向創新設計 / 170
8.1.2 應用實例 / 171
8.2 逆向工程在數控加工中的應用 / 174
8.2.1 復雜自由曲面模型逆向設計及數控加工 / 174
8.2.2 機器人腕關節模型重構及數控加工 / 178
8.3 逆向工程在3D 打印中的應用 / 183
8.3.1 FDM 式3D 打印機 / 183
8.3.2 復雜曲面優化設計及3D 打印 / 184
8.3.3 曳引機殼拓撲結構優化設計及3D 打印 / 189
8.4 逆向工程在再制造中的應用 / 195
8.4.1 逆向工程輔助廢舊零部件再制造 / 196
8.4.2 應用實例 / 197
參考文獻200
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