模型三维数据采集与建模6

2.A级曲面概念
满足相邻曲面间之间隙在 0.005mm 以下，切率改变 ( tangency Change ) 在0.16度以下，曲率改变 (curvature change) 在0.005 度以下，且符合以下条件：
1.所有特征都必须分解成单凸或单凹特征。 球形面（高斯曲率为正）和鞍形面（高斯曲率为负）
曲面连续性级别 1.G0-位置连续 2.G1-切线连续 3.G2-曲率连续 4.G3-曲率变化率连续
G0-位置连续
图中所示的两组线都是 位置连续，他们只是端 点重合，而连接处的切 线方向和曲率均不一致。 这种连续性的表面看起 来会有一个很尖锐的接 缝，属于连续性中级别 最低的一种。
G1-切线连续
1.在曲面曲率变化较小或比较均匀的地方，曲面片可以划分得少一 些。有些曲面虽然较大，因其曲率变化均匀，可将其视为一张曲面 去造型。
2.在曲率变化较大或曲率变化不均匀的地方，尤其对曲率急剧变 化的部位（如圆弧与直线的连接部分），应将曲面分解为几个曲面 片分别造型，然后再进行拼接，否则易形成皱纹面。
3.使划分后的曲面片控制点越少越好，但前提是要保证控制点能 够控制曲面的形状。
三、快速成型技术的应用
7、Architecture
三、快速成型技术的应用
8、Art
三、快速成型技术的应用
9、生物医学领域的应用 进入90年代，得益 于CT和MR技术的 发展，RP开始应用 于医学领域
生物模型和种植体： 用于教学、科研、手 术规划以及种植体精 确制造
三、快速成型技术的应用
9、生物医学领域的应用 外科手术的辅助工具（钻套）：减少认为失误、实现精准手术
可以肯定: 随着市场竞争由价格转向产品创新，随着其他相关技 术的发展，作为数字化制造技术的一个重要载体，快速成型技术 的研究和应用都将继续得到快速发展。
二、商业化应用的五类快速成型技术
1、光固化法（SLA） 2、激光烧结法（SLS） 3、熔融沉积法（FDM） 4、叠层法（LOM） 5、三维打印（3DP)
1996年：累计1400台
2000年：累计6755台
2006年：浙江省已有超过40台各类快速成型设备
一、快速成型（RP)技术的产生与发展 例：日本INCS公司12年的快速成型设备的保有量
一、快速成型（RP)技术的产生与发展
目前各类快速成型方法达30种以上（很多还处于实验室阶段） 材料形式：液体、粉体、片、线 材料种类：塑料、纸、金属、陶瓷、蜡、淀粉、、、、
图中的两组曲线属于曲率连续。 他们不但符和上述两种连续性 的特征，而且在接点处的曲率 也是相同的。如图中所示，两 条曲线相交处的梳子图的刺长 度和方向都是一致的。
这种连续性的曲面没有尖锐接 缝，也没有曲率的突变，视觉 效果光滑流畅，没有突然中断 的感觉。
这通常是制作光滑表面的最低 要求。也是制作A级面的最低 标准。
2、校核装配结构和功能测试
三、快速成型技术的应用
3、硅胶模母模
原型
硅胶
硅胶模
三、快速成型技术的应用
4、精密铸造母模
零件生产时间减少7０％、成本减少５０％。
三、快速成型技术的应用
5、直接模具制造
41小时
日本D-MEC 公司：环氧类光固化树脂+陶瓷微粉
31小时
三、快速成型技术的应用
6、小型复杂件的直接批量生产
3、熔融沉积法（FDM）
Stratases, USA （1993）
3、熔融沉积法（FDM）
特点 1、精度：分层厚度：0.25mm，表面有明显的条纹
2、材料：低熔点材料均可使用，常用ABS丝做零件，用石蜡 丝做精铸用蜡模
3、加工时间长：是SLS的两倍 4、强度：强于SLA、弱于SLS, 特别是沿Z轴线方向强度较弱
五. 特征提取与数据分块
1.特征提取
特征提取主要针对平面、柱面、球面、锥 面等二次曲面的识别
2.数据的分块
在逆向设计中，由点云一次性生成符合要求的曲 面不仅实现起来有一定困难，而且即便是生成了 在光顺性上也得不到保证，因此将点云数据进行 分块，分别构造曲面再通过桥接、过渡、裁剪等 细节特征处理而最终生成全部曲面就显得十分必 要了。
曲面连续性总结
G0由于使模型产生了锐利的边 缘，所以平时都极力避免。—— 不常用
G1由于制作简单，成功率高， 而且在某些地方极其实用，比如 两个面之间的倒角就用这种连续 级别。——比较常用
G2由于视觉效果非常好，是大 家追求的目标，但是这种连续级 别的表面并不容易制作，它是 Nurbs建模中的一个难点。这种 连续性表面主要用于制作模型的 主面和主要的过渡面。——常用
4、表面合并及切层检查
三、快速成型技术的应用
3、生物医学领域的应用（加工）
Thank you !
工艺脱模（Draft） 该项针对有脱模要求的表面，如侧围和门内饰板等。 高斯曲率（Gaussian Curvature） 对于单凸基础面，高斯曲率必须恒为正（球形面）或恒为负（鞍形面）。对于S形过 渡面，高斯曲率须有明显的正负区域性，各区域内部不得有任何凸凹缺陷。 高光（Highlight） 通过关键矢量来检查曲面及曲面间的光顺效果。 斑马线 （Isophote） 通过斑马线的走向及宽窄变化检查模型的等光亮效果。 连续性检查（Connect Checker） 检测曲面间连续性 ，因大多CAD软件均无法有效定量检查G3连续性，对于CATIA ACA以外的无关联A面间的G3连续性，可通过断面曲率梳 和ISO曲率梳 进行辅助的 G3分析。
对于规则数据点常用的分块方法是曲率法，通过 计算点云的曲率找到尖边区域，以此作为边界进 行区域划分。
Fra Baidu bibliotek 六.曲线、曲面构建
1.曲线的构建
NURBS（非均匀有理B样条）（Not－Uniform rational B－Spline） 曲线拟合方法 1.均匀拟合 2.公差拟合 3.插值拟合 曲线构建的原则（三个尽量） 1.尽量使用均匀拟合方式来拟合曲线 2.在保证曲线形状前提下尽量减少控制点数量 3.尽可能地对曲线进行均匀参数化
5、成本低：不用激光器，小型机售价30万人民币
4、叠层法（ LOM）
美国的HELISYS（1985） 日本的KIRA、新加坡的 KINERGY 我国的清华大学、华中 科技大学
4、叠层法（ LOM）
特点
1、精度：分层厚度：0.1mm。尺寸精度为0.2% 2、材料：纸、塑料、复合材料 3、效率高速度快：只需对截面轮廓扫描，是目前可供商业化的速 度最快、可做零件规格最大的快速原型制造方法
1、精度：分层厚度：0.089mm。 2、材料：塑料、蜡（熔模铸造）、淀粉等。 3、可制作彩色零件 4、设备便宜（25万）、材料成本低、适合办公室使用 5、制件强度低、适合做模型验证等 6、发展势头强劲
三、快速成型技术的应用
1、验证产品设计的美观性、人机关系等，提供审查、展示、看样
三、快速成型技术的应用
图中所示的两组曲线属于切线 连续，他们不仅在连接处端点 重合，而且切线方向一致(可以 看到相连的两条线段梳子图的 刺在接触点位置是在一条直线 上的)。这种连续性的表面不会 有尖锐的连接接缝，但是由于 两种表面在连接处曲率突变， 所以在视觉效果上仍然会有很 明显的差异。会有一种表面中 断的感觉。
G2-曲率连续
Sinterstation 2500
2、激光烧结法（SLS）
特点： 1、精度：分层厚度0.07mm; 尺寸精度+/-0.08 mm 2、可根据需要使用多种材料： 塑料粉、金属粉、陶瓷、橡胶、 3、强度高：44Mpa（PA材料）达到ABS注塑件强度 4、价格贵：最新设备350万（美国3D公司的Sinterstation HiQ+HS)。进口材料100美圆/公斤 5、适用：功能件、精密铸造用型壳、型芯、间接或模具制造
2.曲面的创建
基于点云的曲面拟合
基于点云的曲面拟合实例
NURBS曲面设 计
截面线 截面线
扫掠曲面
默认方向 拉伸曲线
拉伸曲面
直纹面
母线
旋转曲面
蒙皮
汽车内附板曲面重构结果
一汽红塔玉麒麟前围曲面重构结果
七.曲面连续性
1.曲面连续性概念
曲面连续性可以理解为相互连接的曲面之间过渡 的光滑程度。提高连续性级别可以使表面看起来 更加光滑、流畅。
G3这种连续级别通常不使用， 因为他们的视觉效果和G2几乎 相差无几，而且消耗更多的计算 资源。这种连续级别的优点只有 在为了得到完美的反光效果而要 求表面曲率变化非常平滑的时候 才会体现出来。
八.曲面品质
1.曲面光顺性检测
高光线检测法 高斯曲率检测法
反射线检测法 截面线检测法
2.曲面重合精度检测
1、光固化法(SLA)
美国的3D Systems （1988） 德国的EOS 日本的D-MEC 中国的西安交大 中科院沈阳自动化所
3D Systems公司: SLA 5000
1、光固化法(SLA)
特点： 1、精度高：分层厚度最小可以达到0.025mm; 尺寸精度可达0.2%
2、机械物理性能较差：制件工作温度小于1000C，强度劣于 注 塑ABS件
4、工件强度低：不适合做薄壁件和复杂件，特别不适合做内空件
5、三维打印（3DP）
喷墨型：
喷出的是熔化的 蜡、热塑性塑料 等热塑性材料
喷墨式三维打印机
5、三维打印（TDP）
喷涂粘结型三维打印机
5、三维打印（TDP）
彩色三维打印
美国Z Corporation公司生产
5、三维打印（TDP） 特点：
G3-曲率变化率连续
图中的两组曲线的连续性属于 曲率变化率连续。这种连续级 别不仅具有上述连续级别的特 征之外，在接点处曲率的变化 率也是连续的，这使得曲率的 变化更加平滑。曲率的变化率 可以用一个一次方程表示为一 条直线。 这种连续级别的表面有比G2更 流畅的视觉效果。但是由于需 要用到高阶曲线或需要更多的 曲线片断所以通常只用于汽车 设计。
3、价格高：设备:进口30-80万美圆,国产30-120万人民币，激光 器更新:2-4万美圆(2000小时)，材料进口100-200美圆/公斤
4、应用领域: 高精度外壳类原形、复杂塑料件直接制造、精密 铸造用母模
2、激光烧结法（SLS）
美国(3D system)DTM （1992） 德国的EOS 北京隆源公司 华中科技大学
车身A级曲面逆向设计
6.A级曲面实例
车身A级曲面逆向设计
一、快速成型（RP)技术的产生与发展
快
CAD、
速
CAM、
成
CNC、
型 技
激光、
术
新材料、
精密伺服
一、快速成型（RP)技术的产生与发展
发展迅猛
1979年：日本东京大学中川威雄教授发明了叠层模型 造型法
1984年：美国3D Systems公司的创始人Charles Hull开发了世界上第一套快速原型装置
4.使划分后的曲面片尽量为四边形域曲面，减少三边封闭的退化 曲面。
5.保证划分后的曲面片全部为单凸或单凹。
车身A级曲面逆向设计
北京航空航天大学
5.A级曲面检测
上光（Shade） 检查数模是否与造型一致，是否有丢面，表面是否局部凸起或凹陷，以及层叠或扭 曲等质量缺陷。此外，还可以通过旋转模型或变换光源角度来检查数模的光影效果。
三、快速成型技术的应用
3、生物医学领域的应用
外科手术的辅助工具（切割导架）：将两次手术变为一次手术
三、快速成型技术的应用
3、生物医学领域的应用（测量）
3mm层间距CT扫描效果
1mm层间距CT扫描效果
三、快速成型技术的应用
3、生物医学领域的应用（数据处理）
1、STL表面
2、表面等距
3、里层法矢反向
2.所有特征线（面）阶数必须小于8阶。 3.曲面连续性至少达到G2.（必要条件） 4.曲面控制多边形均匀、整齐 5.边界线必须光顺 6.与点云误差±5mm以内 7.反射效果好，无褶皱面
车身A级曲面逆向设计
3.A级曲面设计流程
车身A级曲面逆向设计
4.曲面片划分准则
曲面片划分的好坏直接决定最终A级曲面质量的高低以及曲面设计 的效率，曲面片划分准则如下：
3.曲面调整
寻找坏点（即严重偏离位 置的点），并调整它的位 置以满足曲面变化趋势. 粗光顺，把控制点作为评 价对象，调整控制点使控 制点的走势大致相同，并 保证曲面的局部单凸性或 单凹性. 精光顺，打开截面曲率梳， 以此作为评价指标，调整 曲面控制点使曲率梳上各 段的曲率变化均匀。
九.车身A级曲面