交互設(shè)計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)計與制造成為一種發(fā)展趨勢。交互性設(shè)計是指在船舶關(guān)鍵部件設(shè)計過程中，利用計算機輔助設(shè)計平臺可以實現(xiàn)雙向的設(shè)計輸入與輸出，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)計和3D建模技術(shù)，利用角點檢測、幾何空間變換和NURBS樣條曲線實現(xiàn)了船舶艙室部件的設(shè)計優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：交互設(shè)計；智能制造；3D造型；角點檢測
0引言
近年來，3D造型設(shè)計在計算機技術(shù)進步的基礎(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)，在整個工業(yè)產(chǎn)品的生命周期中占有重要地位。目前，計算機輔助設(shè)計成為主流趨勢，輔助設(shè)計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)計的歷程，尤其是船舶工業(yè)領(lǐng)域，零部件的設(shè)計在初期只能利用計算機進行簡單的線條繪圖，隨著3D軟件的優(yōu)化升級，船舶零部件設(shè)計從點到線，從面到體，經(jīng)歷了跨越式的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計技術(shù)也提高了船舶工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的設(shè)計效率，提高了設(shè)計水平。在此背景下，本文基于交互設(shè)計技術(shù)的艦船零部件智能制造，從交互設(shè)計中造型元素出發(fā)，結(jié)合角點檢測技術(shù)、圖形幾何變換和NURBS曲線造型技術(shù)，對船舶智能制造過程的零部件3D造型過程進行優(yōu)化，具有重要的現(xiàn)實意義。
1艦船零部件交互設(shè)計中3D造型元素研究
船舶零部件設(shè)計過程的3D造型元素，主要包括線框模型、曲面模型、實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）實體模型船舶產(chǎn)品的實體建模是通過幾何邏輯模擬產(chǎn)品實際結(jié)構(gòu)的建模過程，實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，大量實體建模軟件平臺采用體素法進行實體建模，利用最基本的體素如長方體、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體建模的基礎(chǔ)上進一步提煉而來的，特征建模將整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的多種特征描述添加進實體模型中，比如產(chǎn)品的型號、規(guī)格、幾何信息等，特征模型是零部件由設(shè)計轉(zhuǎn)向?qū)嶋H生產(chǎn)的重要步驟。
2艦船零部件交互設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
2.1基于角點檢測法的曲線特征優(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)計的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也直接決定了后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計的效果。本文為了提高船舶零部件曲線設(shè)計效果，結(jié)合角點檢測法對曲線進行優(yōu)化[1]。角點檢測可以提取曲線特征點的坐標和斜率信息，當曲線特征點的坐標和斜率出現(xiàn)較大變化時，將該位置特征點定義為角點，角點附近區(qū)域特征點的自相關(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：為曲線上特征點在兩個方向上的偏移量，為偏移后的特征點向量，為偏移前的特征點向量，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：和分別為特征點在兩個方向的梯度，定義矩陣的特征值為和w2，則特征值反映了曲線特征點的圖像特征。船舶零部件曲線設(shè)計過程的角點檢測概況步驟為：步驟1輸入零部件產(chǎn)品的特征曲線，獲取每個關(guān)鍵特征點的坐標。步驟2使用角點檢測算法進行特征曲線的邊緣檢測，獲取非邊緣特征點和邊緣特征點的強度值。步驟3提取邊緣特征點坐標。步驟4計算邊緣特征點的曲率，評定特征曲線的優(yōu)劣，并根據(jù)曲率進行特征曲線的優(yōu)化。圖2為基于角點檢測的特征曲線優(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)計理論，用戶可以向計算機平臺輸入零部件產(chǎn)品的2D特征圖，計算機平臺對零部件2D特征進行優(yōu)化，然后初步建立3D輪廓。為了提高2D特征圖像的配準精度，必須要進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檢測的效率，變換如下式：x′y′)(∆x∆y)θ式中：為剛體變換后的特征點坐標，為特征點的平移量，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
結(jié)合2D圖像特征和角點檢測算法[2]，研究了基于NURBS樣條曲線的船舶零部件交互設(shè)計，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，能較準確的表達空間自由曲面，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。定義特征點矢量為：式中：Ni,p(t)為分段函數(shù)，共有P個特征點。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)計時，使用NURBS樣條進行船體曲面的光順設(shè)計優(yōu)化，整個過程如下：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)計型線，定義初始設(shè)計型線的特征點為：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)，對剖面輪廓方程進行積分得：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樣條進行交互設(shè)計，圖5為船舶吃水線輪廓處特征曲線的交互設(shè)計示意圖。
3結(jié)語
船舶零部件的交互設(shè)計有助于提高船舶工業(yè)的智能化、自動化設(shè)計水平，本文對船舶零部件設(shè)計的關(guān)鍵要素進行梳理，結(jié)合角點檢測技術(shù)、幾何空間變換技術(shù)和非均勻B樣條曲線造型技術(shù)進行船舶部件特征曲線、曲面優(yōu)化，對于船體零部件3D造型智能化有重要的參考價值。
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