[发明专利]一种面向飞机装配的零件几何特征表达模型及构建方法

权利要求书

1.一种面向飞机装配的零件几何特征表达模型，其特征是在激光扫描设备获取的零件外形扫描点云的基础上，将零件外形按照边界特征划分为点、曲线、曲面三种基本元素，以离散点集的形式表示零件几何特征；在给定公差带的条件下，以尽量精简的点集构建三种基本元素，从而实现零件几何特征准确、结构化、轻量化的表达；所述的激光扫描设备获取的零件外形扫描点云以三角网格的形式表示，三角形网格M表示为{V,E,F},其中V为网格顶点的集合，E为网格边的集合，F为网格面的集合：

在三角网格模型M＝{V,E,F}的基础上，将零件外形按照边界特征划分为点、曲线、曲面三种基本元素，从而建立零件几何特征T的结构化表达模型：

其中Point表示特征点的集合，Line表示特征曲线的集合，Surface表示特征曲面的集合；所述的公差带是一种基于最小包络区域的零件几何特征精度控制参数；以离散点集表示的几何特征的最小包络区域宽度越小，表示零件几何特征表达形状准确度越高；反之，随着表示零件几何特征的点集密度降低，最小包络区域宽度会增加；在保证最小包络区域宽度小于给定公差带的条件下，尽量精简点集，实现零件几何特征表达模型的轻量化。

2.一种权利要求1所述的面向飞机装配的零件几何特征表达模型的构建方法，其特征在于它包括以下步骤：

首先，通过激光扫描设备获取零件外形扫描点云；

其次，对零件扫描点云的尖锐边界特征提取，根据提取的边界特征将零件几何外形数据划分为点、曲线、曲面三种基本元素；

第三，给定公差带的条件下，对特征数据进行精简；

所述的尖锐边界特征提取目的从输入网格中提取尖锐特征的边界线，由于激光扫描获取的边界特征并非绝对的尖锐，只能从特征区域近似估计的获取一条边界线；该边界线是零件几何特征表达模型中描述的曲线特征的原型，由原始输入网格的边构成的分段线性曲线{e_i}；与理论模型中提取的参考特征对应，提取的边界线是连续的特征，并与相邻特征具有一致的连通性；通过对获取的近似估计的边界线进行特征优化获取目标曲线特征；

所述的零件几何外形数据划分目的是将完整的原始网格模型划分为与零件几何特征表达模型定义对应的角点、边界曲线与曲面这三种基本特征元素；对于曲面特征划分，采用一种邻域搜索的方法，过程如下：

1)预设Open、Closed、Surface三个列表，其中Surface列表初始为空，Closed列表初始存放边界线特征的顶点，Open列表初始放入一个“核”顶点Core_i，该核为曲面特征网格上任一一个非边界点的网格顶点，人工选取或者根据理论数模中定义的点求取最近顶点；

2)对Open列表中第一个点V_first，将其邻域网格并入Surface列表，并将V_first加入Closed；

3)对V_first所有邻域顶点：若不在Closed或Open列表，则加入Open列表的最后；

4)重复2)与3)直到Open列表为空，Surface列表里的所有网格构成的曲面即为Core_i所对应的待提取曲面；

5)对所有Core_i执行1)至4)的操作实现所有曲面特征的划分。

3.如权利要求2所述的构建方法，其特征在于所述的特征数据精简采用一种半边折叠方法，通过对能量函数的定义及边界特征的处理，实现网格数据精简；网格简化的总体流程如以下伪代码所述：

上述网格简化过程包含半边折叠、合法性判断、能量计算及顶点位置重建核心操作；(1)半边折叠；

采用半边折叠作为网格简化的单元操作；与其他边折叠操作不同，半边折叠中一条边的删除方式存在两种操作，边折向顶点1或点2，并不会引入新的顶点到网格中；考虑到网格简化过程中特征的保留，根据待删除边与预提取特征的拓扑位置关系，约束边折叠操作为2种；待删除边的操作方式如下：

1)不与特征连接：2种操作；

2)边的一个顶点在特征上：操作限制为非特征点折向特征顶点；

3)边属于边特征但不与角点连接：2种操作；

4)边属于边特征并且一个顶点为角点：操作限制为非角点折向角点；

(2)半边折叠合法性判断；

采用高效的多选择技术，从列表中选取n个候选半边进行排序，能量函数最小的半边作为目标折叠边；这些待排序的边从所有折叠的半边中随机选取，因此需要筛选出所有折叠的半边；半边折叠的合法性检验的主要依据包括半边折叠后局部网格特征表达的准确性及新生成网格形状合法性(如网格最小角)；其中局部网格特征表达的准确性表示为最小包络空间测度量d_k与容差阈值ΔT的对比：

maxd_k≤ΔT  (3)

最小包络空间测度量小于阈值则认为该半边折叠合法；

(3)能量函数；

使用最小包络模型来评估简化网格相对于原始曲面的精度，为此基于最小包络模型构建能量函数f_Tzone(M)，包含最小包络空间测度量与方差：

其中d_k为最小包络空间测度量，μ为d_k的均值，λ为权重系数；最小包络空间测度量等价于以当前网格为平分面，点到网格的最大距离所包络的区间；由于最小包络空间测度量反映的是最大偏差网格的状态，引入方差来反映整体网格偏差的离散度；理想状态是最小包络空间测度量最小的情况下所有网格偏差的方差尽量小，即所有网格偏差都尽量接近包络边界；

(4)顶点位置重建

通过半边折叠操作得到了一个更简化的网格，然而在半边操作中没有引入新的点、原有点的位置也没发生变化，这就导致简化的网格产生较大的误差；顶点位置重建将对新网格的顶点位置重新计算，使能量函数达到最优；对于半边操作的邻域网格U_v，边折叠得到的顶点位置优化模型如下：

扩展到全局网格M：