交互設計在艦船零部件智能制造中應用
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摘要:隨著船舶工業技術水平的提升，面向開發人員的智能化船舶零部件設計與制造成為一種發展趨勢。交互性設計是指在船舶關鍵部件設計過程中，利用計算機輔助設計平臺可以實現雙向的設計輸入與輸出，本文研究一種基于船體圖像造型元素的船舶零件型線優化設計和3D建模技術，利用角點檢測、幾何空間變換和NURBS樣條曲線實現了船舶艙室部件的設計優化。
關鍵詞：交互設計；智能制造；3D造型；角點檢測
0引言
近年來，3D造型設計在計算機技術進步的基礎上也得以迅速發展，3D造型技術作為工業領域的關鍵環節，在整個工業產品的生命周期中占有重要地位。目前，計算機輔助設計成為主流趨勢，輔助設計軟件不斷在圖形繪制、3D建模、仿真等方面有所突破，并在多學科融合背景下逐漸發展成熟。3D造型技術發展也體現了工業產品設計的歷程，尤其是船舶工業領域，零部件的設計在初期只能利用計算機進行簡單的線條繪圖，隨著3D軟件的優化升級，船舶零部件設計從點到線，從面到體，經歷了跨越式的發展，計算機輔助設計技術也提高了船舶工業領域產品的設計效率，提高了設計水平。在此背景下，本文基于交互設計技術的艦船零部件智能制造，從交互設計中造型元素出發，結合角點檢測技術、圖形幾何變換和NURBS曲線造型技術，對船舶智能制造過程的零部件3D造型過程進行優化，具有重要的現實意義。
1艦船零部件交互設計中3D造型元素研究
船舶零部件設計過程的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，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）實體模型船舶產品的實體建模是通過幾何邏輯模擬產品實際結構的建模過程，實體模型能夠清晰地顯示復雜零部件的外在和內在特性，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、椎體等元素構建復雜的三維模型。4）特征模型特征建模是在實體建模的基礎上進一步提煉而來的，特征建模將整個產品生產過程中的多種特征描述添加進實體模型中，比如產品的型號、規格、幾何信息等，特征模型是零部件由設計轉向實際生產的重要步驟。
2艦船零部件交互設計的關鍵環節
2.1基于角點檢測法的曲線特征優化
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，這是零部件設計的基礎環節，也直接決定了后續產品設計的效果。本文為了提高船舶零部件曲線設計效果，結合角點檢測法對曲線進行優化[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較大變化時，將該位置特征點定義為角點，角點附近區域特征點的自相關函數如下：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。自相關函數的泰勒展開式為：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。船舶零部件曲線設計過程的角點檢測概況步驟為：步驟1輸入零部件產品的特征曲線，獲取每個關鍵特征點的坐標。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，評定特征曲線的優劣，并根據曲率進行特征曲線的優化。圖2為基于角點檢測的特征曲線優化示意圖。
2.2零部件產品2D特征的幾何空間變換
根據交互設計理論，用戶可以向計算機平臺輸入零部件產品的2D特征圖，計算機平臺對零部件2D特征進行優化，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換矩陣。
2.3基于NURBS樣條曲線的船舶零部件交互設計
結合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樣條曲線的基礎上發展而來，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，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。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計時，使用NURBS樣條進行船體曲面的光順設計優化，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，獲取初始的設計型線，定義初始設計型線的特征點為：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，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。定義優化參數方程為：以船首處吃水線輪廓的型線為例，使用NURBS樣條進行交互設計，圖5為船舶吃水線輪廓處特征曲線的交互設計示意圖。
3結語
船舶零部件的交互設計有助于提高船舶工業的智能化、自動化設計水平，本文對船舶零部件設計的關鍵要素進行梳理，結合角點檢測技術、幾何空間變換技術和非均勻B樣條曲線造型技術進行船舶部件特征曲線、曲面優化，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:青島黃海學院 青島黃海學院智能制造學院