交互設(shè)計(jì)在艦船零部件智能制造中應(yīng)用

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摘要:隨著船舶工業(yè)技術(shù)水平的提升，面向開發(fā)人員的智能化船舶零部件設(shè)計(jì)與制造成為一種發(fā)展趨勢(shì)。交互性設(shè)計(jì)是指在船舶關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)過程中，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)雙向的設(shè)計(jì)輸入與輸出，本文研究一種基于船體圖像造型元素的船舶零件型線優(yōu)化設(shè)計(jì)和3D建模技術(shù)，利用角點(diǎn)檢測(cè)、幾何空間變換和NURBS樣條曲線實(shí)現(xiàn)了船舶艙室部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：交互設(shè)計(jì)；智能制造；3D造型；角點(diǎn)檢測(cè)

0引言

近年來，3D造型設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上也得以迅速發(fā)展，3D造型技術(shù)作為工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個(gè)工業(yè)產(chǎn)品的生命周期中占有重要地位。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成為主流趨勢(shì)，輔助設(shè)計(jì)軟件不斷在圖形繪制、3D建模、仿真等方面有所突破，并在多學(xué)科融合背景下逐漸發(fā)展成熟。3D造型技術(shù)發(fā)展也體現(xiàn)了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的歷程，尤其是船舶工業(yè)領(lǐng)域，零部件的設(shè)計(jì)在初期只能利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的線條繪圖，隨著3D軟件的優(yōu)化升級(jí)，船舶零部件設(shè)計(jì)從點(diǎn)到線，從面到體，經(jīng)歷了跨越式的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)也提高了船舶工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，提高了設(shè)計(jì)水平。在此背景下，本文基于交互設(shè)計(jì)技術(shù)的艦船零部件智能制造，從交互設(shè)計(jì)中造型元素出發(fā)，結(jié)合角點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)、圖形幾何變換和NURBS曲線造型技術(shù)，對(duì)船舶智能制造過程的零部件3D造型過程進(jìn)行優(yōu)化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1艦船零部件交互設(shè)計(jì)中3D造型元素研究

船舶零部件設(shè)計(jì)過程的3D造型元素，主要包括線框模型、曲面模型、實(shí)體模型以及特征模型等。1）線框模型線框模型是船體3D造型的基礎(chǔ)，從二維程圖衍生而來，也是最簡(jiǎn)單和基本的元素，可以表征產(chǎn)品的外部輪廓。2）曲面模型曲面模型是通過拼接、擬合等多種形式生成曲面片，包括自由曲面、Bezier曲面、幾何曲面等，曲面模型元素在3D造型中占有重要地位，圖1為某自由曲面模型的示意圖。3）實(shí)體模型船舶產(chǎn)品的實(shí)體建模是通過幾何邏輯模擬產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)的建模過程，實(shí)體模型能夠清晰地顯示復(fù)雜零部件的外在和內(nèi)在特性，目前，大量實(shí)體建模軟件平臺(tái)采用體素法進(jìn)行實(shí)體建模，利用最基本的體素如長(zhǎng)方體、球體、椎體等元素構(gòu)建復(fù)雜的三維模型。4）特征模型特征建模是在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提煉而來的，特征建模將整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的多種特征描述添加進(jìn)實(shí)體模型中，比如產(chǎn)品的型號(hào)、規(guī)格、幾何信息等，特征模型是零部件由設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H生產(chǎn)的重要步驟。

2艦船零部件交互設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.1基于角點(diǎn)檢測(cè)法的曲線特征優(yōu)化

在船舶零部件建模過程中，曲線特征建模主要通過軟件搭建草圖輪廓，這是零部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也直接決定了后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效果。本文為了提高船舶零部件曲線設(shè)計(jì)效果，結(jié)合角點(diǎn)檢測(cè)法對(duì)曲線進(jìn)行優(yōu)化[1]。角點(diǎn)檢測(cè)可以提取曲線特征點(diǎn)的坐標(biāo)和斜率信息，當(dāng)曲線特征點(diǎn)的坐標(biāo)和斜率出現(xiàn)較大變化時(shí)，將該位置特征點(diǎn)定義為角點(diǎn)，角點(diǎn)附近區(qū)域特征點(diǎn)的自相關(guān)函數(shù)如下：Z(u,v)=∑x,yw(x,y)[I(x+u,y+v)−I(x,y)]2。u,vx,yI(x+u,y+v)I(x,y)w(x,y)式中：為曲線上特征點(diǎn)在兩個(gè)方向上的偏移量，為偏移后的特征點(diǎn)向量，為偏移前的特征點(diǎn)向量，為濾波器。自相關(guān)函數(shù)的泰勒展開式為：uv]·∑xyw(x,y)[I2xIyIxI2y]。IxIyx,y[I2xIyIxI2y]ω1式中：和分別為特征點(diǎn)在兩個(gè)方向的梯度，定義矩陣的特征值為和w2，則特征值反映了曲線特征點(diǎn)的圖像特征。船舶零部件曲線設(shè)計(jì)過程的角點(diǎn)檢測(cè)概況步驟為：步驟1輸入零部件產(chǎn)品的特征曲線，獲取每個(gè)關(guān)鍵特征點(diǎn)的坐標(biāo)。步驟2使用角點(diǎn)檢測(cè)算法進(jìn)行特征曲線的邊緣檢測(cè)，獲取非邊緣特征點(diǎn)和邊緣特征點(diǎn)的強(qiáng)度值。步驟3提取邊緣特征點(diǎn)坐標(biāo)。步驟4計(jì)算邊緣特征點(diǎn)的曲率，評(píng)定特征曲線的優(yōu)劣，并根據(jù)曲率進(jìn)行特征曲線的優(yōu)化。圖2為基于角點(diǎn)檢測(cè)的特征曲線優(yōu)化示意圖。

2.2零部件產(chǎn)品2D特征的幾何空間變換

根據(jù)交互設(shè)計(jì)理論，用戶可以向計(jì)算機(jī)平臺(tái)輸入零部件產(chǎn)品的2D特征圖，計(jì)算機(jī)平臺(tái)對(duì)零部件2D特征進(jìn)行優(yōu)化，然后初步建立3D輪廓。為了提高2D特征圖像的配準(zhǔn)精度，必須要進(jìn)行圖像的幾何空間變換，主要包括：1）剛體變換主要是指2D特征圖像的平移、旋轉(zhuǎn)等變換，剛體變換能夠提高角點(diǎn)檢測(cè)的效率，變換如下式：x′y′)(∆x∆y)θ式中：為剛體變換后的特征點(diǎn)坐標(biāo)，為特征點(diǎn)的平移量，為2D特征圖像的旋轉(zhuǎn)角度。2）投影變換特征圖像的投影變換如下：式中：a1,a2,a3分別為投影夾角，M為特征圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。

2.3基于NURBS樣條曲線的船舶零部件交互設(shè)計(jì)

結(jié)合2D圖像特征和角點(diǎn)檢測(cè)算法[2]，研究了基于NURBS樣條曲線的船舶零部件交互設(shè)計(jì)，整體流程圖如圖3所示。非均勻有理B樣條(NURBS樣條)具有良好的局部尋優(yōu)特性，能較準(zhǔn)確的表達(dá)空間自由曲面，非均勻有理B樣條是在B樣條曲線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，因此，首先定義B樣條曲線。定義特征點(diǎn)矢量為：式中：Ni,p(t)為分段函數(shù)，共有P個(gè)特征點(diǎn)。非均勻有理B樣條(NURBS樣條)曲線方程為：式中：p為非均勻有理B樣條的冪次[Ri,p(u)3]，為基函數(shù)。圖4為非均勻有理B樣條空間曲線示意圖。在研究艦船零部件的交互設(shè)計(jì)時(shí)，使用NURBS樣條進(jìn)行船體曲面的光順設(shè)計(jì)優(yōu)化，整個(gè)過程如下：1）將船體外表面的曲面劃分為首部、中體、尾部和底部等部分，獲取初始的設(shè)計(jì)型線，定義初始設(shè)計(jì)型線的特征點(diǎn)為：3）建立貨艙輪廓曲線主尺寸型線方程如下：式中：L和B分別為輪廓的長(zhǎng)度、寬度，其剖面輪廓型線方程為：式中：α為剖面的形變系數(shù)，對(duì)剖面輪廓方程進(jìn)行積分得：4）建立光順曲面[4]如下：式中：Nj,p(K)和Ni,p(F)分別為B樣條基函數(shù)。定義優(yōu)化參數(shù)方程為：以船首處吃水線輪廓的型線為例，使用NURBS樣條進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，圖5為船舶吃水線輪廓處特征曲線的交互設(shè)計(jì)示意圖。

3結(jié)語

船舶零部件的交互設(shè)計(jì)有助于提高船舶工業(yè)的智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)水平，本文對(duì)船舶零部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素進(jìn)行梳理，結(jié)合角點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)、幾何空間變換技術(shù)和非均勻B樣條曲線造型技術(shù)進(jìn)行船舶部件特征曲線、曲面優(yōu)化，對(duì)于船體零部件3D造型智能化有重要的參考價(jià)值。

作者:楊麗 陳永文 曹愛霞 單位:青島黃海學(xué)院 青島黃海學(xué)院智能制造學(xué)院