一种组合曲面的几何修复的方法技术

本发明专利技术属于计算机辅助设计与制造领域，并公开了一种组合曲面的几何修复的方法，包括以下步骤：(1)识别曲面模型是否需要修复；(2)为需要修复的曲面模型构建拓扑信息，以在曲面模型上形成配对的曲面；(3)根据拓扑信息识别曲面模型上需要修复的连续与非连续区域；(4)对需要修复的位于连续区域的曲面进行裁剪，其中裁剪位置位于两个相邻曲面的连接处，裁剪后形成两个分离的裁剪曲面；(5)在连续区域的裁剪曲面之间添加新的曲面；(6)对非连续区域的曲面进行缝补。本发明专利技术提出的几何修复的技术方案可以自动的识别模型上存在的缺陷，通过从识别到修复为一体化的过程实现了对输入模型的修复，提高了适用性和效率，易于实施，灵活性较高。

【技术实现步骤摘要】
一种组合曲面的几何修复的方法
本专利技术属于计算机辅助设计与制造领域，更具体地，涉及一种组合曲面模型的几何修复方法。
技术介绍
在计算机辅助设计与制造领域中，设计完成的几何模型可以广泛应用于多个领域。在CAE(计算机辅助工程)，快速成型，数控加工等领域中，几何模型质量的好坏以及几何数据的完善程度直接影响了最终成型的零件质量。但是，由于模型设计者的粗心或模型在文件传输过程中的数据丢失等问题，导致了几何模型的失真，影响了后续的加工制造。据一家日本企业报道，一个产品模型的修复工作占据了整个下游程序处理过程的50％的时间("repairCADmodelerrorsbasedonthedesignhistory,"Computer-AidedDesign,vol.38,pp.627-640,2006)，因此一套完善的几何模型的修复方法不仅可以提高产品的质量，减少废品率。同时，可以减少人力物力，提升加工效率，在工业领域有着重要作用。经对现有文献进行检索，有关曲面模型的几何修复方法主要分为三种。第一种方法是对曲面模型的原始数据进行修改。针对叶片缘头部分和叶盆叶背处G0不连续的问题，采用对截面线进行裁剪并桥接的方法修复截面线上不连续的问题，最后对截面线使用放样法重建曲面模型("CADmodelrepairusingknowledge-guidedNURBS,"EngineringwithComputers,vol.29,pp.477-486,2013)。然而，由于模型设计人员与加工人员之间缺乏合作与交流，直接对模型原始数据进行修改较为困难，同时应用范围比较局限。第二种方法是对带缺陷的曲面模型直接进行修复。具体做法是：为曲面和曲面边界建立拓扑关系。针对有缝隙的曲面，延伸曲面至曲面的交线处，利用曲面边界合并的方式将两个曲面缝合在一起。("CAD数据修复的算法研究"，硕士论文，2006)，然而该方法对于相邻曲面之间有重叠部分的几何缺陷区域修复效果不够理想。第三种方法是将曲面模型离散成三角网格模型，对离散后的三角网格模型进行修复。针对缺陷区域，利用搜索算法找到需要修复区域的配对点，测量缺陷区域的最大宽度。如果缺陷区域的最大宽度大于设置的误差，则在缺陷区域添加新的三角片。如果缺陷区域的最大宽度小于设置的误差，通过将缺陷区域的边界合并的策略修复缺陷区域("AutomaticCADmodeltopologyge集合NEration,"InternationalJournalforNumericalMethodsinFluids,"vol.52,pp.823-841,2010)。然而，对于工业应用来说，多数情况下需要的是零件的几何模型而非其三角网格模型，因此对于三角网格模型的修复缺乏广泛性与实用性。同时，对于相邻曲面之间有重叠部分的几何缺陷，难以得到三角网格模型，更不能实现对其三角网格模型的修复。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种组合曲面模型的几何修复方法，其目的在于得到一个满足G1连续，同时保证修复后的模型避免失真。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种组合曲面的几何修复的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)识别曲面模型是否需要修复；(2)为需要修复的曲面模型构建拓扑信息，以在曲面模型上形成配对的曲面；(3)根据拓扑信息识别曲面模型上需要修复的连续与非连续区域，其中，连续区域指法向矢量变化值在给定误差范围内的区域，非连续区域是指矢量变化值超过定误差范围的区域；(4)对需要修复的位于连续区域的曲面进行裁剪，其中裁剪位置位于两个相邻曲面的连接处，裁剪后形成两个分离的裁剪曲面；(5)在连续区域的裁剪曲面之间添加新的曲面；(6)对非连续区域的曲面进行缝补。优选地，步骤(1)中，当曲面模型由多个曲面组合形成时，需要对曲面模型相邻面之间拓扑关系的准确性进行判断，即判断曲面模型上任意两个相邻面是否共享一条边；如果相邻的两个曲面分享一条公共边，则判定该曲面模型不需要修复，反之，则判定该曲面模型需要修复。优选地，步骤(2)包括以下子步骤：(2.1)对于曲面模型上任意两条边界，获得两条边界对应端点之间的距离，得到端点之间的最大距离dpmax；(2.2)判断dpmax是否小于给定的相邻曲面之间的误差dt，则如果是，则判断两条边界互为邻域，然后进入子步骤(2.3)；反之，则判断两条边界不相邻，返回子步骤(2.1)，以此方式，获得曲面模型上的所有互为邻域的边界；(2.3)对于一对互为邻域的边界，设定匹配误差为τ，将两条边界分别进行离散，获得两条边界各配对的离散点之间的距离，得到离散点之间的最大距离即为两条边界的最大距离并记录为ε；同时，获得两条边界相互配对的离散点分别在所在的曲面上的法向矢量，获得各个配对离散点的法向矢量之间的最大夹角即为两条边界的最大夹角误差为α；如果ε≤τ，则判断这两条边界相互匹配，将这两条互为邻域的边界以一对互为匹配的边界形式加入集合O，然后回到子步骤(2.1)；反之，判断这两条边界相互不匹配，然后回到子步骤(2.1)；以此方式，获得曲面模型上的所有互为匹配的边界。优选地，步骤(3)包括以下子步骤：(3.1)获得任意一对配对边界的最大距离ε；(3.2)判断ε与给定误差的大小关系，给定误差上限为修复误差rt，给定误差的下限为加工误差mt，如果该对配对边界的最大距离ε在修复误差与加工误差之间，即mt≤ε＜rt，则判定该区域需要进行修复，然后进入子步骤(3.3)，如果在以上误差范围之外，即ε＜mt或ε≥rt，则判定该区域不需要修复，返回子步骤(3.1)，以此方式，得到曲面模型上需要修复的区域；(3.3)判断任意一对配对边界的两条边界的最大夹角α与给定的夹角误差at的大小关系，如果两条边界的最大夹角α在给定误差范围内，即α≤at，则判断这两条边界所在的区域为需要修复的连续区域，然后回到子步骤(3.1)，反之，α＞at，则判断这两条边界所在的区域需要修复的非连续，然后回到子步骤(3.1),以此方式，识别所有配对边界所在为连续还是非连续区域。优选地，步骤(4)包括以下子步骤：(4.1)位于连续区域的曲面配对边的裁剪算法：首先获得曲面配对边Ei在曲面参数空间内的边界Ei′，其次，在曲面参数空间内根据裁剪距离沿着曲面对Ei′进行向内偏置，得到一条位于曲面参数空间内的偏置边界Ei″，将参数空间内的偏置边界Ei″再映射回三维空间的曲面上，得到对应于三维空间里的偏置曲线Ei″′，将三维空间内的偏置边界Ei″′和曲面上除Ei以外的其他边界合并成一个环，该环上具有裁剪形成的新的边，用该环去截取三维曲面，最终可以获得一个裁剪曲面；以此方式，裁剪连续区域所有配对边界所在的曲面；(4.2)创建集合NE，用来存储步骤(4.1)中新构建的边；(4.3)识别连续区域的裁剪点：在识别裁剪点之前，需要确认裁剪点p0对应的短边的位置，其中短边为两个配对曲面中因一个曲面被裁剪而造成在配对边界处出现的几何特征；确认短边位置后，两个相交短边的交点即为裁剪点，包含裁剪点的曲面在裁剪点处的顶角即为裁剪角，如果多个包含裁剪点的曲面相交于同一个裁剪点，则不对该区域的裁剪角做裁剪处理，将该区域的短边特征记录下来，放入集合NE中，如果一个裁剪点处仅有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合曲面的几何修复的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)识别曲面模型是否需要修复；(2)为需要修复的曲面模型构建拓扑信息，以在曲面模型上形成配对的曲面；(3)根据拓扑信息识别曲面模型上需要修复的连续与非连续区域，其中，连续区域指法向矢量变化值在给定误差范围内的区域，非连续区域是指矢量变化值超过定误差范围的区域；(4)对需要修复的位于连续区域的曲面进行裁剪，其中裁剪位置位于两个相邻曲面的连接处，裁剪后形成两个分离的裁剪曲面；(5)在连续区域的裁剪曲面之间添加新的曲面；(6)对非连续区域的曲面进行缝补。

【技术特征摘要】
1.一种组合曲面的几何修复的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)识别曲面模型是否需要修复；(2)为需要修复的曲面模型构建拓扑信息，以在曲面模型上形成配对的曲面；(3)根据拓扑信息识别曲面模型上需要修复的连续与非连续区域，其中，连续区域指法向矢量变化值在给定误差范围内的区域，非连续区域是指矢量变化值超过定误差范围的区域；(4)对需要修复的位于连续区域的曲面进行裁剪，其中裁剪位置位于两个相邻曲面的连接处，裁剪后形成两个分离的裁剪曲面；(5)在连续区域的裁剪曲面之间添加新的曲面；(6)对非连续区域的曲面进行缝补。2.如权利要求1所述的一种组合曲面的几何修复的方法，其特征在于，步骤(1)中，当曲面模型由多个曲面组合形成时，需要对曲面模型相邻面之间拓扑关系的准确性进行判断，即判断曲面模型上任意两个相邻面是否共享一条边；如果相邻的两个曲面分享一条公共边，则判定该曲面模型不需要修复，反之，则判定该曲面模型需要修复。3.如权利要求书1所述的一种组合曲面的几何修复的方法，其特征在于，步骤(2)包括以下子步骤：(2.1)对于曲面模型上任意两条边界，获得两条边界对应端点之间的距离，得到端点之间的最大距离dpmax；(2.2)判断dpmax是否小于给定的相邻曲面之间的误差dt，则如果是，则判断两条边界互为邻域，然后进入子步骤(2.3)；反之，则判断两条边界不相邻，返回子步骤(2.1)，以此方式，获得曲面模型上的所有互为邻域的边界；(2.3)对于一对互为邻域的边界，设定匹配误差为τ，将两条边界分别进行离散，获得两条边界各配对的离散点之间的距离，得到离散点之间的最大距离即为两条边界的最大距离并记录为ε；同时，获得两条边界相互配对的离散点分别在所在的曲面上的法向矢量，获得各个配对离散点的法向矢量之间的最大夹角即为两条边界的最大夹角误差为α；如果ε≤τ，则判断这两条边界相互匹配，将这两条互为邻域的边界以一对互为匹配的边界形式加入集合O，然后回到子步骤(2.1)；反之，判断这两条边界相互不匹配，然后回到子步骤(2.1)；以此方式，获得曲面模型上的所有互为匹配的边界。4.如权利要求书3所述的一种组合曲面的几何修复的方法，其特征在于，步骤(3)包括以下子步骤：(3.1)获得任意一对配对边界的最大距离ε；(3.2)判断ε与给定误差的大小关系，给定误差上限为修复误差rt，给定误差的下限为加工误差mt，如果该对配对边界的最大距离ε在修复误差与加工误差之间，即mt≤ε＜rt，则判定该区域需要进行修复，然后进入子步骤(3.3)，如果在以上误差范围之外，即ε＜mt或ε≥rt，则判定该区域不需要修复，返回子步骤(3.1)，以此方式，得到曲面模型上需要修复的区域；(3.3)判断任意一对配对边界的两条边界的最大夹角α与给定的夹角误差at的大小关系，如果两条边界的最大夹角α在给定误差范围内，即α≤at，则判断这两条边界所在的区域为需要修复的连续区域，然后回到子步骤(3.1)，反之，α＞at，则判断这两条边界所在的区域需要修复的非连续，然后回到子步骤(3.1),以此方式，识别所有配对边界所在为连续还是非连续区域。5.如权利要求书4所述的一种组合曲面的几何修复的方法，其特征在于，步骤(4)包括以下子步骤：(4.1)位于连续区域的曲面配对边的裁剪算法：首先获得曲面配对边Ei在曲面参数空间内的边界Ei′，其次，在曲面参数空间内根据裁剪距离沿着曲面对Ei′进行向内偏置，得到一条位于曲面参数空间内的偏置边界Ei″，将参数空间内的偏置边界Ei″再映射回三维空间的曲面上，得到对应于三维空间里的偏置曲线E″′i，将三维空间内的偏置边界E″′i和曲面上除Ei以外的其他边界合并成一个环，该环上具有裁剪形成的新的边，用该环去截取三维曲面，最终可以获得一个裁剪曲面；以此方式，裁剪连续区域所有配对边界所在的曲面；(4.2)创建集合NE，用来存储步骤(4.1)中新构建的边；(4.3)识别连续区域的裁剪点：在识别裁剪点之前，需要确认裁剪点p0对应的短边的位置，其中短边为两个配对曲面中因一个曲面被裁剪而造成在配对边界处出现的几何特征；确认短边位置后，两个相交短边的交点即为裁剪点，包含裁剪点的曲面在裁剪点处的顶角即为裁剪角，如果多个包含裁剪点的曲面相交于同一个裁剪点，则不对该区域的裁剪角做裁剪处理，将该区域的短边特征记录下来，放入集合NE中，如果一个裁剪点处仅有一个包含裁剪点的曲面，则需要对该裁剪角进行裁剪处理，将裁剪后产生的新的边界放入集合NE中；以此方式，裁剪所有包含裁剪点的需要裁剪的曲面；(4.4)针对裁剪点所在区域的裁剪算法：将两个短边与该裁剪点p0所在曲面的交点p1和p2映射到曲面参数空间内，在曲面参数空间内，得到对应在参数空间内的点p1′和p2′，将p1′和p2′连接成一条直线段Ebrd′，将该直线段Ebrd′映射回三维空间的曲面上得到一条三维曲线Ebrd，将三维空间内的曲线边界Ebrd和曲面上除裁剪点p0以外部分的边界合并为一个环，用该环去截取三维曲面，最终获得一个裁剪曲面；其中短边出现在裁剪后的配对边与相交曲面的交点附近，因此只要存在裁剪后的配对边与任一曲面相交，且交点位于曲面边界的内部，则该区域必然会存在短边，其中，短边具有的判别特征为：裁剪后的配对边与任一曲面相交，交点不是该曲面的边界点，根据短边具有的判别特征，可以实现对短边的搜索，并记录相关信息。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振瀚，杨琰昳，陈吉红，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉华中数控股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42