基于逆向工程的混合建模技術(shù)研究

蔡 敏，成思源，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

基于逆向工程的混合建模技術(shù)研究

蔡 敏，成思源，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

新產(chǎn)品的開發(fā)是關(guān)系到企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項重要活動，也是帶給企業(yè)活力和競爭優(yōu)勢的源泉[1]。由于正向CAD建模方法對復(fù)雜自由曲面的創(chuàng)建存在一定困難，而逆向建模方法不能保證二次特征曲面的準(zhǔn)確度以及進(jìn)行參數(shù)化修改，所以在新產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字化模型創(chuàng)建過程中，單一的建模方式往往不能滿足現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品快速、準(zhǔn)確的開發(fā)要求。結(jié)合逆向工程和正向設(shè)計的混合建模，是指從測量得到的數(shù)據(jù)中提取出二次曲面(平面、球面、圓柱面和圓錐面)、自由曲面、曲面之間的約束及其所包含的設(shè)計意圖，然后在正向軟件中進(jìn)行編輯和實(shí)體造型以得到產(chǎn)品的CAD模型[2]。這種混合建模方法融合了逆向建模處理測量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢和正向設(shè)計特征造型及實(shí)體造型的優(yōu)勢，對產(chǎn)品模型的不同特征曲面實(shí)行功能分解并采取相應(yīng)的建模方式，可以克服單一建模的缺陷，根據(jù)產(chǎn)品幾何特征快速、準(zhǔn)確的得到產(chǎn)品的CAD模型。

1 混合建模的流程

基于逆向工程和正向設(shè)計的混合建模，其基本內(nèi)容是在沒有產(chǎn)品原始設(shè)計圖紙及CAD模型數(shù)據(jù)的前提下，利用三維測量技術(shù)對產(chǎn)品的外表面進(jìn)行掃描并得到產(chǎn)品表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再在逆向軟件中對點(diǎn)云進(jìn)行處理以得到光順準(zhǔn)確的NURBS曲面，然后將重構(gòu)的自由曲面，以及測量數(shù)據(jù)中包含的二次曲面與約束等信息導(dǎo)入正向CAD軟件中進(jìn)行實(shí)體建模，最終得到產(chǎn)品的CAD模型。

本文用到的逆向建模軟件是Geomagic Studio，在該軟件中的逆向建模流程如圖1所示；用到的正向CAD建模軟件是SolidWorks，在該軟件中的正向CAD建模流程如圖2所示。

圖1 Geomagic Studio中逆向建模流程

圖2 SolidWorks中正向建模流程

2 Geomagic Studio中的逆向建模

逆向建模是在三維測量技術(shù)、計算機(jī)輔助幾何設(shè)計和計算機(jī)圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型一種建模方法。本文基于Geomagic Studio的逆向建模對象是如圖4(a)所示模型的頂面——自由曲面的曲面重構(gòu)，基于Geomagic Studio的逆向建模流程一般可以分為四個步驟：數(shù)據(jù)獲取與導(dǎo)入、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、多邊形階段處理和曲面重構(gòu)(數(shù)據(jù)分割及曲面擬合)[3]。

2.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取是逆向建模過程中的首要部分，根據(jù)測量方式的不同可以分為接觸式和非接觸式兩種測量方法。本文所用測量設(shè)備是Hexagon公司的Romer Infinite 2.0系列關(guān)節(jié)臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光掃描頭(如圖3所示)，測量精度為0.024mm，數(shù)據(jù)采集軟件是Geomagic Studio。

圖3 關(guān)節(jié)臂測量機(jī)與激光掃描頭

案例使用的三維模型主要曲面特征由一個自由曲面、五個平面和兩個圓柱面組成。由于模型的原材料為ABS塑料，故不需要對其表面噴涂顯像劑。為防止掃描過程中誤動模型導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)錯亂，使用噴槍將模型固定在水平平臺上(如圖4(a)所示)。在掃描模型前先規(guī)劃好模型的擺放角度和掃描方向，掃描時沿零件最長尺寸方向逐步移動[4]。最終掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4(b)所示。

圖4 模型實(shí)物與點(diǎn)云數(shù)據(jù)

為得到模型更精確的幾何特征的參數(shù)，對三維模型中的二次曲面特征——圓柱孔的參數(shù)進(jìn)行精度測量，測量儀器是精度為4μm的三坐標(biāo)測量機(jī)，測量坐標(biāo)系如圖4(b)所示，二次曲面特征的參數(shù)信息如表1所示。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在使用激光掃描頭掃描模型時為得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，受掃描角度和方向的影響，總是會無可避免地將承放模型的水平平臺等不相干的平面一起掃描進(jìn)數(shù)據(jù)采集軟件。而且受外界環(huán)境和模型表面質(zhì)量的影響，在龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在大量的噪音點(diǎn)和冗余點(diǎn)，所以要對掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊、降噪過濾和精簡等處理，以確保由點(diǎn)云封裝得到的多邊形網(wǎng)格面的光順性，以便于后續(xù)的處理[5]。

表1 圓柱孔的參數(shù)信息

在Geomagic Studio中的處理過程為：1)對齊。因為ScanWorks V4i激光掃描頭的掃描范圍有限，無法一個角度的一次掃描就將整個模型的表面掃描完成，故需要通過“全局注冊”操作將多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按關(guān)節(jié)臂的機(jī)器坐標(biāo)系自動對齊。2)合并點(diǎn)對象。將多個掃描結(jié)果合并成一個單一的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，便于對產(chǎn)品模型完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3)降噪過濾。通過刪除體外孤點(diǎn)、遠(yuǎn)離主點(diǎn)云的非連接項和減少噪音，以便封裝點(diǎn)云后能得到平整的多邊形網(wǎng)格面。4)精簡點(diǎn)云。通過“采樣”操作獲得盡量經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)，減少處理器的計算量。Geomagic Studio中的采樣方法有：曲率采樣(curvature)，統(tǒng)一采樣(uniform)，格柵采樣(grid)和隨機(jī)采樣(random)。曲率采樣適合處理曲率變化較多的點(diǎn)云——在平坦區(qū)域減少點(diǎn)的數(shù)目但保留高曲率區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)以保留曲面細(xì)節(jié)[6]。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)合理有序，曲率變化較多，所以選用“曲率采樣”來精簡數(shù)據(jù)，采樣后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示，點(diǎn)云的數(shù)量精簡為原點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一半左右。

圖5 采樣后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖6 多邊形網(wǎng)格面

2.3 多邊形階段處理

多邊形階段常用的操作指令是：修補(bǔ)、平滑、填充孔、邊界處理和銳化，對于由封裝得到的不同效果的多邊形曲面區(qū)域可采取相應(yīng)的操作。多邊形網(wǎng)格面由點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝而成，故其質(zhì)量是由點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞決定。在經(jīng)過點(diǎn)云階段處理后封裝得到的多邊形網(wǎng)格面如圖6所示，表面質(zhì)量比較好，故只需要進(jìn)行“平滑”和“編輯邊界”操作即可。然后對多邊形網(wǎng)格面進(jìn)行“網(wǎng)格優(yōu)化”操作，可以增加模型表面高曲率區(qū)域三角面片的密度來優(yōu)化模型的網(wǎng)格。多邊形階段處理的最后一步是“修補(bǔ)”中的“網(wǎng)格醫(yī)生”，該操作可以修復(fù)多邊形網(wǎng)格面中的非流形邊、自相交的曲面片、折射邊和釘狀物等肉眼不易發(fā)現(xiàn)的錯誤曲面片。

多邊形階段的處理在逆向建模的過程中起到的是承上啟下的作用，在該階段對多邊形網(wǎng)格面的處理決定了后續(xù)步驟中曲面擬合的質(zhì)量，網(wǎng)格面越光順平整，擬合得到的曲面質(zhì)量越好。

2.4 曲面重構(gòu)

在Geomagic Studio中擬合曲面有兩種方式：精確曲面和參數(shù)曲面。精確曲面階段是把一個完整的曲面分割成由多個較小的四邊曲面片組成的集合體，然后將每個曲面片擬合成NURBS曲面，并保證相鄰曲面片是全局連接和G1連續(xù)的[7]。參數(shù)曲面階段可以對不同曲面的類型進(jìn)行定義然后擬合成完整的CAD曲面并作為CAD曲面輸出，體現(xiàn)原始設(shè)計意圖。

本文所用的方法是在參數(shù)曲面階段擬合曲面，在該階段的處理過程為：1)探測區(qū)域與編輯。軟件自動在模型曲面中幾何形狀特征相似區(qū)域之間放置紅色分隔符，并在分隔符中生成輪廓線，然后通過手動編輯輪廓線將多邊形網(wǎng)格面劃分成由具有各自幾何特征的子網(wǎng)格面組成的集合[7]。2)區(qū)域分類與擬合曲面。模型表面通常是由具有不同幾何特征的曲面混合組成，所以在擬合曲面前要先定義各子網(wǎng)格面所屬的曲面類型，然后根據(jù)各子網(wǎng)格面的曲面類型分別擬合生成相應(yīng)的特征曲面。擬合平面、圓柱面等二次曲面時，根據(jù)三角形網(wǎng)格面的參數(shù)來擬合(半徑值、角度和球心位置等)；擬合自由曲面時，根據(jù)三角網(wǎng)格面的邊界和形狀生成NURBS曲面[8]。3)擬合連接。先定義各曲面之間的過渡面或約束的類型(自由形式混合、恒定半徑和銳利)，再分別擬合各曲面之間的連接面。4)創(chuàng)建CAD文件。應(yīng)用輸出工具欄中的“裁剪并縫合”命令將擬合得到的曲面和連接面生成為可以任意一種CAD格式(IGES/IGS、STEP等)導(dǎo)出的對象，經(jīng)裁剪縫合后的NURBS曲面如圖7所示。

圖7 裁剪縫合得到的NURBS曲面

圖8 實(shí)體模型

3 SolidWorks中的正向CAD建模

將在逆向建模中擬合得到的自由曲面通過Geomagic Studio的參數(shù)轉(zhuǎn)換功能導(dǎo)入到SolidWorks中，由于已擬合的連接面(圓角過渡面)不能與各主曲面一起導(dǎo)入，所以需要通過延伸和裁剪工具來刪除多余曲面并確保曲面之間的縫合。為還原模型表面的原始幾何特征及獲得光順的曲面，需要對曲面間的交線進(jìn)行圓角處理。

經(jīng)處理后的仍是開放的三維曲面，為還原模型的實(shí)際幾何形狀還需要封閉三維曲面——對該模型進(jìn)行實(shí)體建模。先建立基準(zhǔn)面并在基準(zhǔn)面上生成與曲面模型相交的拉伸實(shí)體，再對拉伸實(shí)體進(jìn)行“刪除面”操作以便拉伸實(shí)體與曲面之間進(jìn)行曲面裁剪，然后通過“裁剪”工具得到封閉的實(shí)體模型。為還原模型的幾何特征，還需要創(chuàng)建一個長方體實(shí)體特征和兩個圓柱孔特征。首先以自由曲面的右邊線為參考在草圖模式下繪制一個長方形，再通過拉伸操作形成長方體實(shí)體特征。然后以長方體的頂面為基準(zhǔn)面，在草圖模式下手動繪制兩個圓，并通過拉伸切除操作形成圓柱孔實(shí)體特征。圓柱孔的位置、半徑值和深度以三坐標(biāo)的測量數(shù)據(jù)(如表1所示)為參考，并做整數(shù)處理，最終得到的模型如圖8所示。

在SolidWorks中正向CAD建模的完成，也意味著完成了混合建模的主要任務(wù)——幾何形狀重構(gòu)。這時，可使用SolidWorks中曲面或曲線特征的工具指令對實(shí)體模型中可參數(shù)化特征——圓柱孔的坐標(biāo)位置和半徑值、各曲面間的過渡特征(圓角、倒角)等進(jìn)行編輯修改，以實(shí)現(xiàn)再設(shè)計。編輯修改可即時操作，即可在軟件界面左邊的特征樹中選擇需要修改的特征進(jìn)行編輯，也可在圖形窗口選中特征后進(jìn)行編輯。

4 結(jié)論

結(jié)合逆向建模軟件Geomagic Studio和正向設(shè)計軟件SolidWorks對基于逆向工程的混合建模技術(shù)進(jìn)行了實(shí)例研究，通過實(shí)例說明結(jié)合正向設(shè)計和逆向工程的混合建模能夠克服單一建模方法的缺陷，可根據(jù)產(chǎn)品的幾何曲面特征，快速、準(zhǔn)確的得到產(chǎn)品的CAD模型。混合建模方法能夠提高對于沒有原始設(shè)計圖紙及CAD數(shù)據(jù)的產(chǎn)品進(jìn)行幾何形狀重構(gòu)和再設(shè)計的效率，對具有復(fù)雜的混合幾何特征(融合二次曲面和自由曲面)產(chǎn)品模型的重構(gòu)具有一定的借鑒意義。

[1]張學(xué)昌.逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009,29.

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study of hybrid modeling based on reverse engineering

CAI Min, CHENG Si-yuan, YANG Xue-rong, ZHANG Xiang-wei

基于逆向工程的混合建模是目前應(yīng)用較為廣泛的逆向建模方法。簡要介紹了以軟件Geomagic Studio和Solidworks為平臺的混合建模的一般流程，通過對由不同幾何特征曲面組成的模型進(jìn)行混合建模為例，詳細(xì)介紹了基于點(diǎn)云的逆向建模，并對逆向建模得到的NURBS曲面進(jìn)行正向建模最終得到產(chǎn)品的CAD實(shí)體模型。實(shí)例表明混合建模能融合正向設(shè)計與逆向建模的優(yōu)勢，具有較高的建模效率以及參數(shù)化修改功能，為復(fù)雜模型的逆向設(shè)計提供了一種新的解決方法。

逆向工程；混合建模；正向設(shè)計；Geomagic Studio

蔡敏（1988 -），男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要研究方向為逆向工程及混合建模。

TP391.7

A

1009-0134(2014)05(下)-0120-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).34

2014-01-21

國家自然科學(xué)基金資助項目（50805025, 51105078）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目（2012B091100190）；廣州市科技計劃項目（2013J4300019）