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中国机械工程第14卷第20期2003年10月下半月文章编号:1004-132Ò(2003)20-1760-04基于STL模型的逆向工程实体建模技术陈志杨钱锦锋叶修梓摘要:针对以STL数据表示的零件模型,在分析结构件模型几何特点的基础上,提出了一种以几何体素分离与拓扑关系重建为基础的STL模型逆向工程实体建模技术。通过对三角面片的合并实现平面、柱面、锥面等基本几何体素的分离,并利用Parasolid系统完成体素重构,进一步提取几何体素之间的布尔关系,从而实现含拓扑关系的产品模型重构。利用这一方法,可以实现REöRP系统与通用CAD系统之间的快速集成,实现产品数据在不同系陈志杨博士统之间顺畅传递。关键词:STL;逆向工程;实体建模;模型重建中图分类号:TP391.72文献标识码:A本文研究重点是几何模型重建,因此我们使用的数据都是经过预处理以后的有效数据,而非1逆向工程CAD技术与STL模型来自测量设备的原始数据。逆向工程CAD技术一般以数字化测量设备2基于STL模型的逆向工程实体建模[1]的输出数据为原始信息来源。由于测量方式的不同,数字化测量设备可以分为接触式和非接触STL模型是以三角形集合来表示物体外轮[2]式。随着测量技术的发展,不论何种测量方式,产廓形状的几何模型。在实际应用中对STL模型生的测量数据都是非常多的,尤其是非接触式的数据是有要求的,尤其是在STL模型广泛应用的激光测量,可以产生几十万甚至上百万测量点的RP领域,对STL模型数据均需要经过检验才能测量数据。我们将这种数据称为“点云”数据。一使用。这种检验主要包括两方面的内容:STL模般来说,数字化测量设备都带有数据处理软件。这型数据的有效性和STL模型封闭性检查。有效性个软件的主要功能是对测量设备输出的数据进行检查包括检查模型是否存在裂隙、孤立边等几何初步处理,如去除明显噪声点、多块数据拼合、数缺陷;封闭性检查则要求所有STL三角形围成一[3]据格式转换等。一般的测量设备除了按照自定义个内外封闭的几何体。本文中讨论的STL模型格式输出数据外,都提供IGES格式的数据输出。重建技术中的STL模型,均假定已经进行有效性随着软件功能的加强,目前很多测量设备可以在和封闭性测试,是正确有效的STL模型。输出测量数据的同时输出三角网格数据(即经过由于STL模型仅仅记录了物体表面的几何三角化以后的数据)或者STL格式数据。但是这位置信息,没有任何表达几何体之间关系的拓扑些STL格式数据一般没有经过测试(如不保证封信息,所以在重建实体模型中凭借位置信息重建闭性,可能存在裂隙等),不能直接用于逆向工程拓扑信息是十分关键的步骤。另一方面,实际应用建模或RP制造。由测量设备输出的STL数据必中的产品零件(结构件)绝大多数是由规则几何形须经过修补、纠错处理,才能用来进行逆向工程体(如多面体、圆柱、过渡圆弧)经过拓扑运算得到,因此对于结构件模型的重构来讲拓扑关系重CAD建模。因此,逆向工程中重要的一个环节就建显得尤为重要。实际上,目前CADöCAM系统是数据的预处理。中常用的B-rep模型即是基于这种边界表示的收稿日期:2002—11—05基本几何体素布尔运算表达的。基金项目:教育部长江学者特聘教授奖励计划资助项目;科技部因此STL模型重建的过程如下:首先重建软件重大专项基金资助项目(2003AA4Z1020);国家863高技术研究发展计划资助项目(2002AAZ1010);国家自然科学基金STL模型的三角形拓扑关系;其次从整体模型中资助项目(60273060)分解出基本几何体素;重建规则几何体素;然后建·1760· 基于STL模型的逆向工程实体建模技术——陈志杨钱锦锋叶修梓立这些几何体素之间的拓扑关系;最后重建整个剩下的边就成为另一个与当前几何体无几何位置模型。联系的独立几何体。当边界边链表中所有的边都2.1三角形拓扑关系重建遍历分离以后,就可得到所有组成零件的独立几STL模型中仅仅包含产品的几何位置信息,何体的各自的边集合。按照该方法,类似阶梯孔之而且STL数据中包含大量的重复数据。STL中类的特征将会被分解为n个(n为阶梯的层次数)的三角形顶点是重复记录的,其重复度为N(N独立的几何体。为以该点为顶点的三角形数目)。为了在后续步骤体素分离的过程见图1。图1a是STL模型,中提高运算效率,有必要首先去除冗余数据,提高图1b是提取平面边界后的模型。我们可以看到,[4]存储和运算效率,同时建立STL模型三角形拓原来STL模型上所有的平面都被提取出来了,而扑关系,即建立三角形的边信息结构,记录每条边诸如圆角、圆柱面、圆锥面等二次曲面部分则还保的左右三角形。考虑到排序运算效率,我们采用双留着三角形描述。图1c是体素分离以后的STL模向链表的方式记录每一条边的左右三角形信息。型(成为4个独立的几何体素)。对于这些独立体三角形拓扑关系的建立不但精简了STL模素,我们需要将其中规则几何体重新利用参数化型数据,而且是后序几何体素分离的基础。方法重构,这样才能使最终重建模型成为一个参2.2STL模型几何体素分离数化的、有一定拓扑关系的实体模型。由于STL模型是由三角形集合构成的,因此2.3规则几何直接利用三角形数据无法将不同的几何体素互相体素重构分离。如果将描述模型平面部分的三角形合并,然由于大多数后提取出平面的边界,利用边界就可以将不同的结构件模型可以几何体素区分开来。分解为平面和各平面是最简单的几何元素。根据平面特性,我种二次曲面(圆柱们可以得到平面边界提取准则:如果具有相邻边面、球面、锥面等)的两三角形法矢平行,则这两个三角形构成一个的组合,因此将这(a)STL模型平面。以此外推,所有与该平面具有相邻边且法矢些规则几何体利平行的三角形都属于该平面。用参数化方法重平面识别过程是一个递归循环:设任一三角构以后,就可以得形为“种子”三角形,其法矢为N0。Ni为与“种子”到具有参数信息三角形有相邻边的三角形的法矢,计算N0、Ni的的结构件模型。(b)提取平面边界后的模型对于由平面N0õNi夹角H=arccos()。若H
