基于网格布尔分割和智能规划的设计特征自动重构理论与方法研究

It is very difficult to edit and redesign a part model which is described by low-level mesh geometrical data obtained through reverse engineering. Therefore, it is very necessary to reconstruct the mesh model into the feature model in order to restore the high-level design intent information. This proposal puts forward a new methodology for automatically reconstructing design feature based on the mesh boolean segmentation and smart planning. Firstly, from the overall shape perception to the part mesh which will be recognized, the ragged concave and convex traces which are formed on mesh boundary by boolean operations in the solid modeling, discrete sampling and measurement errors, are traced and formed a set of boolean segmenting loops. Then the formed boolean segmenting loops are implemented intelligent segmentation planning and converted into a set of planning sequences. Based on the planning sequences the mesh model is implemented boolean segmentation, hole repairing and shell closure. Finally, based on shape-aware mechanism the segmented mesh shell is fitted a implicit shape feature which is described by parameters, and is added into the CSG tree. As a result, a complete feature model can be reconstructed. This proposal will research the fitting method based on the shape-aware mechanism, mesh boolean segmentation theory and algorithms, intelligent boolean segmentation planning, and design feature reconstruction methods based on fitted shape features and knowledge. This research will break through the existing feature recognition mode and promote the development of reverse engineering technology.

通过逆向工程获取的低层次网格几何数据描述的零件模型，编辑修改十分困难，无法实现再设计，非常有必要重构为特征模型, 恢复高层次的设计意图信息。本申请试图采用一种新的研究思路，提出和实现一个基于网格布尔分割和智能规划的设计特征自动重构新方法。首先从重构零件网格模型的总体形状感知开始，从网格表面追踪寻找由于特征布尔运算、离散采样等形成的粗糙凹凸痕迹，构造网格布尔分割环；然后基于对分割环的智能规划，对网格有序布尔分割、孔洞修补和面壳封闭；再通过对分割体的形状感知，自动拟合为基于截面草图的扫掠特征，并转化为隐式的特征表示；将分割和拟合过程表达为特征CSG构造树，完成设计特征自动重构。本项目将开展基于形状感知的设计特征拟合方法、网格布尔分割的理论和算法、布尔分割的智能规划、基于拟合形状特征和知识的设计特征模型构建方法研究。该项目研究对突破现有特征重构模式，促进逆向工程技术的发展有非常重要的意义。

通过采样获取的三角网格模型或者异构平台交换的实体边界模型需要重构其设计特征才能编辑修改和参数化驱动，有限元六面体剖分也需要将复杂模型分割为简单体；将低层次几何描述的数字几何模型重构其特征模型, 恢复高层次的设计意图信息有重要意义。本项目针对这一国际上具有挑战性问题，深入研究了基于形状感知的设计特征拟合方法和重构模式，网格数字几何模型的表示和分割理论，面向实体边界模型的自动布尔分割和设计特征重构，特征识别与重构的语义方法和基于本体的工程语义信息知识表示等五方面内容。提出一个综合和紧凑的多边形（三角形）网格拓扑数据结构和表示模型，占用内存只是目前国际上普遍采用的半边数据结构的近一半；同时能实现网格拓扑查询与网格模型大小无关，能够统一地表示和处理混合三角形、四边形等流形和非流形网格。提出一个特征识别的语义方法，通过语义概念表示制造特征和加工面，将隐含的加工面和加工特征语义采用基于描述逻辑的知识规则显式定义，可共享和可修改；系统自动对标注的实体边界模型进行语义推理，自动识别出加工特征。提出一个面向实体边界模型的布尔分割和设计特征重构方法，该方法通过特征顶点邻接图描述潜在设计特征边界痕迹；为了解决布尔运算过程中，大量的边界几何信息丢失问题，提出一个虚拟拓扑操作方法，包括虚拟分割、虚拟融合、虚拟去圆角等操作；提出布尔分割环搜索的5个搜索策略。.在自主版权开发的软件系统上实现设计特征重构原型软件系统，对多个零件实体模型开展了设计特征重构测试，重构性能优于国际著名软件SolidWorks（2013版）。发表学术论文12篇，其中SCI收录3篇，EI收录期刊论文5篇，国际会议论文2篇；培养硕士研究生毕业6人，在读博士1人，硕士2人。该项目研究对突破现有设计特征重构模式，促进智能设计技术的发展有重要的意义。