基于點云的異構CAD幾何一致性對比檢查研究

王宏

摘 要：針對異構CAD全三維數字化協同研制需求，提出了一種基于點云數據異構CAD模型幾何一致性對比檢查的方法。首先，對原始異構CAD模型線、面進行分割，提取點云數據;其次，將點云數據導入待檢測CAD軟件中與轉換后模型進行匹配;最終，通過計算點云數據中點到模型相對應線、面最小距離，實現異構CAD模型對比檢查。該方法通過給定控制多邊形的弦長比實現曲面點云提取的自適應調整，改進點云生成質量，同時運用線、面鄰接關系，減少模型表面遍歷次數，進而提高點云數據歸屬計算效率。

關鍵詞：點云;異構模型;對比檢查;自適應控制

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.09.087

隨著信息技術的不斷發展以及復雜產品快速敏捷研制的要求，直升機等大型產品已全面走上國際協同研制的道路。但是，由于國際上各大直升機設計生產廠商使用CAD軟件平臺差異。如何保證轉換模型與原始設計模型的數據一致性成為聯合設計環境構建的難點。文獻[1]采用XML對模型建模過程進行描述，實現異構CAD數據交換。文獻[2]提出一種基于特征識別異構CAD模型對比方法。也有一些商業軟件通過一種獨立其他CAD軟件的中間格式進行異構CAD模型的轉換和對比。以上方法和工具都能部分解決異構CAD模型對比中的問題，但在實際應用過程中，沒有很好的平衡對比精度與效率，或者需要對現有研制流程進行大規模改造，無法實現與現有數據管理系統高度集成。

在工程領域，為了完成復雜型面制造精度的快速檢測，通常使用三坐標測量機或激光掃描儀獲取被測型面點云數據，然后將產品的三維CAD模型與型面測量點云數據進行配準比較和誤差分析，給出產品的制造精度。本文則借鑒復雜型面三維數字化檢測技術實現異構CAD模型幾何數據對比，首先對原始CAD模型線、面分割獲取點云數據，然后導入轉換或重建的CAD模型中，通過計算點云中各數據點和相應線、面之間最小距離，對轉換或重建CAD模型幾何精度進行檢測。

1 點云數據的提取

1.1 直線、平面數據點提取

由于直線和平面數據描述比較簡單，在CAD模型重建和轉換過程中，出現問題的可能性比較小，為了提高點云提取效率，對于直線和平面，采用等步長分割方法進行采點。

如圖1所示，通過面的遍歷和識別獲取平面數據后，首先取平面中某一頂點為原點，該頂點所在某條邊線在該頂點處切線為x軸，平面法線方向為z軸，給定精度d為單位長度，建立空間直角坐標系。然后以單位長度為步長在x軸和y軸方向對平面切割，切割后四邊形各頂點即為待提取點云數據。

1.2 曲線、曲面數據點提取

曲線、曲面分割在有限元網格劃分領域有廣泛的應用，網格劃分是進行有限元分析的基礎，直接影響有限元數值計算的收斂性、精度和效率。目前對于自由曲面網格劃分主要有映射法、八叉樹法、前沿推進等方法。在模型曲線、曲面數據點提取中，要求對曲面劇烈變化區域提取點應適當加密，這與有限元曲面網格劃分中存在很大不同。本文采用Boehm插入節點的方法對曲線、曲面進行分割，通過給定曲線控制多邊形弦長比，實現點云數據自適應提取。

對于Bezier型p階樣條曲線：

將節點t重復插入p-1次，則原B樣條曲線以節點矢量t為分割點，形成兩個Bezier型B樣條曲線， NURBS曲線可以分別對WX，WY，WZ，W進行節點插入運算，實現NURBS曲線分割。

如圖2所示，由于樣條曲線的凸包性，曲線必定在其控制多邊形所形成的凸包之中，對于給定曲線段，可以使用控制多邊形的累積弦長（ab+bc+cd）與控制頂點兩端點連接弦長（ad）的比值反映曲線彎曲程度，曲線彎曲程度與弦長比值正相關。同樣，如果要滿足相同的弦長比，曲線曲率越大的區域分割點越密集，反之越稀疏。通過給定控制多邊形弦長比，實現對曲線分割的自適應控制。

B樣條曲面、NURBS曲面分割是相應曲線分割在U、W兩個方向的推廣。在同一參數控制下，分別計算在U、W兩個方向的弦長比，如果任意方向弦長比均滿足控制參數要求，分別在U、W方向進行分割，這樣原來p階曲面被分割為4各小型p階曲面。

計U、W方向的弦長比分別為R（U）、R（W），采用二叉樹方式的遞歸分割算法如下：

2 點云數據的組織

用TXT文檔作為點云數據傳遞的中性文件，采用自由格式的正文編碼形式書寫，清晰易懂且便于軟件的解釋和處理。為了提高后續點云數據與模型匹配準確性和效率，如圖3所示，點云數據文件主要由4部分構成：基本屬性;線、面鄰接關系;邊線點云數據;面點云數據。其中，模型屬性信息包含模型實例名稱、材料信息、審簽信息、重量特性等對零件特性描述;線、面鄰接關系主要是對模型邊線與外表面鄰接關系說明;邊線點云數據包含直線邊和曲線邊切割后獲得的點數據;面點云數據包含平面和曲面切割后網格的頂點數據。

3 點云數據與CAD模型的對比

點云數據與CAD模型的對比就是計算出點云數據與三維CAD模型的偏差，其實質就是點云數據中的點到模型對應邊、面最小距離的計算。由于CAD模型的外表面由多個平面或曲面構成，因此，點云數據與CAD模型的對比主要分為兩個步驟：點云數據與CAD模型中特定線、面的歸屬;本文在點云數據的組織基礎上，通過線、面鄰接關系減少對模型表面的遍歷，提高點云數據歸屬計算效率。其基本步驟如下：

（1）讀取點云數據傳遞中性文件，獲取線、面鄰接關系、邊線點云數據、面點云數據。

（2）通過線、面鄰接關系表獲取點云數據中邊線Line_m以及其鄰接面Surface_a、Surface_b。

（3）計算邊線Line_m所有點到CAD模型某條邊線最近距離，并求平均值，遍歷CAD模型中所有邊線，獲取平均距離最小值，其所對應CAD模型邊線即為Line_m的歸屬邊線，記為Line_M。

（4）分別在Surface_a、Surface_b隨機選取若干點，構成點集{P}、{Q}。

（5）計算點集{P}中所有點到CAD模型邊線Line_M某個鄰接面最近距離，并求平均值，遍歷邊線Line_M所有鄰接面，獲取平均距離最小值，其所對應CAD模型的面即為Surface_a的歸屬面，記為Surface_A。

（6）同樣通過點集{Q}計算Surface_b在CAD模型歸屬面，記為Surface_B。

（7）循環調用，知道點云數據中所有的線和面在CAD模型中找到相應的歸屬的線和面。

完成點云數據的歸屬計算后，計算點云所有點到相應歸屬線、面最小距離，并用色斑圖進行可視化顯示，支持后續檢查報告生成和對比結果分析。

4 系統實現與驗證

中方作為主體研制單位，為了保證中方獲取的模型與原始NX模型幾何數據的一致性，異構CAD模型幾何一致性對比原型系統主要由模型數據提取和模型數據對比兩個模塊組成。

4.1 模型數據提取模塊

模型數據提取主要包含對NX模型基本屬性的提取以及點云數據的提取?；緦傩蕴崛】梢灾苯诱{用當前模型的屬性值獲得。點云數據提取則由對NX原始模型邊線和面進行查找、識別、分割以及分割點的獲取等步驟組成。在NX二次開發中，通常采用Collection類進行迭代，獲取模型邊線及表面實例，隨后使用SolidLineType、SolidFaceType方法完成對邊線及面類型的判定。

4.2 模型數據對比模塊

模型數據對比需要在CATIA軟件中進行，包含模型基本屬性對比和點云數據對比兩種形式。模型基本屬性對比可直接采用模板法進行。在基于CAA的CATIA二次開發中，使用QueryInterface接口對轉換后CATIA中線、面進行遍歷，再通過IsLyingOn方法判斷這些線面的鄰接關系，找出點云數據與CATIA模型線、面之間的對應關系，最后，運用CATCreateDistanceMinTopo接口求點到對應線、面的最小距離，并進行色斑圖結果顯示。

4.3 實例驗證

本文選取100個直升機典型結構件NX模型，對其中50個模型使用CATIA重新建模，另外50個模型通過STEP中間格式轉換為CATIA模型。進而對該方法及系統的有效性進行驗證。首先，將模型在NX中打開，設置點云提取精度，對點云數據進行提取;隨后，給定對比精度，采用批處理方式將點云數據與通過重建和轉換獲取的CATIA模型進行一致性對比，結果如表1所示。

由對比結果可知，重建模型有兩個未通過檢測，轉換模型有一個未通過檢測。提取相應模型并在CATIA中打開，并將相應點云數據導入到CATIA中，其中圖4為重建獲得的CATIA模型，從圖中可以看到在模型表面變化劇烈地方，數據點采集明顯變密。

將模型與點云數據手動對比一致性，對比結果分別如圖5所示。經過分析，重建CATIA模型草圖未完全約束，使得重建CATIA模型與原始模型存在誤差。轉換模型在轉換過程中出現破面，造成部分點距離計算超差，無法通過檢測。

5 結論

（1）借鑒實際工程中復雜型面制造精度的快速檢測技術，提出了一種基于點云數據的異構CAD模型對比的方法。

（2）結合實際應用背景，開發了基于NX和CATIA的異構CAD模型檢查系統，并進行實例驗證，具有良好效果。

（3）點云數據提取中性文件為TXT文檔格式，后續可以直接作為NX模型導入VPM系統中的驗證文件，與TeamCenter和VPM具有很好的集成度。

（4）后續可以對模型中三維標注信息的對比檢查進行補充，從而在工程中得到更好應用。

參考文獻

[1]董超.基于XML的CAD裝配模型數據交換[D].大連：大連理工大學，2009.

[2]Li X，He F，Cai X，et al.A method for topological entity matching in the integration of heterogeneous CAD systems[J].Integrated Computer-Aided Engineering，2013，20（1）：15-30.

[3]李歡，陳志同，屈新河.毛坯海量點集與CAD數模的自適應快速精確配準方法研究[J].航空制造技術，2017，523（4）：101-105.

[4]江存.自由曲面空間網格結構網格劃分、優化及力性能研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[5]梅中義，范玉青.NURBS曲面的四邊形網格的分割與逼近[J].圖學學報，2003，24（3）：105-110.

[6]陳永府，張華.任意曲面的三角形網格劃分[J].計算機輔助設計與圖形學學報，1997，9（5）： 396-401.