基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法探索

摘 要：針對目前已有工業產品重構建模研究實踐過程存在的缺陷，研究人員以實際復雜產品重構過程為例，分析了曲面與實體特征混合逆向建模方法的應用現狀，并針對逆向建模方法運用問題提出了混合方法運用的對策。結果表明，當將基于曲面與實體特征的逆向建模方法混合運用后，不僅降低了工業產品修復的造價成本，還能大幅提升工業產品重構的準確性。

關鍵詞：曲面；實體特征；混合逆向建模方法；渦輪葉片

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.208

0 引言

當前工業發展在產品關鍵設備修復工作開展所消耗的成本巨大，為改善這一現狀，研究人員應將現有的科學技術成果充分運用。對已有產品建模方法運用的問題情況進行分析，并將現有的逆向建模方法運用于實際建模重構工作的開展，即對混合逆向建模方法的運用進行控制，以提高產品重構的精度。如此，我國工業發展就不會受到產品修復成本高昂所造成的阻礙，進而使行業以更趨快速、穩定的狀態服務于現代化經濟建設的全面發展。

1 研究曲面和實體特征混合逆向建模方法的現實意義

當前階段，逆向工程建設過程運用的模型重構技術，主要解決產品生產質量效果的控制問題、再制造問題以及重構模型的修改設計問題。具體的技術運用過程，就是將三維數字化測量設備作為控制工具，如光學測量儀與三坐標測量儀，來快速準確的獲取產品表面三維數據信息。如此，就可將其作用于逆向建模軟件，來對測量數據進行處理，以實現產品CAD模型的重建。在對已有產品進行逆向建模的過程中，面向曲面，其復雜自由曲面的擬合功能具有無法替代的優勢；面向實體特征，其對規則幾何特征的提取、識別以及再設計優勢，均能為復雜、多種類特征的產品進行重構。為此，相關人員應加大上述兩種逆向建模方法的應用研究力度，即將現有曲面與實體特征的逆向建模方法混合起來，以實現重構作用優勢的最大化目標[1]。

2 曲面和實體特征混合逆向建模方法的應用現狀

為進一步提升工業建設的快速發展步伐，產品重構模型的構建，需將自由曲面更為簡單規則作為科研方向[2]。對于復雜的已有產品，應在簡單規則化后，采用布爾運算方法將已有產品的三維數據信息轉換為實體。經實踐證實，從已有產品重構特征出發對已有工業產品進行重構建模研究的成果有兩種，即曲面與實體特征。其中曲面主要用于復雜產品的重構，實體特征，則用于規則工業產品的重構建模。該方法運用過程為，先對已有產品情況進行點云數據的采集獲取，經預處理后，就可采用建模方法生成三角多邊形的網格模型。這里的建模方法是指封裝處理。如此，就可根據不同網格面區域包含的集合曲面特征，來對網格進行劃分。當已有產品重構模型構建人員進行到此步后，就能以人機交互方式，來制定各個網格面曲面特征與子網格面區域的連接類型，并通過擬合，來實現產品曲面特征的重構。為提高重構建模結果獲取的準確性，研究人員還要對幾何曲面的裁剪縫合操作進行曲面模型重構[3]。

當上述產品建模重構方法運用于實踐，模型就能以自動化擬合狀態，掌握工業產品高精度的曲面數據信息。但在實踐運用過程，要想將模型轉換至正向建模軟件中，就要經過裁剪縫合與再設計，來實現建?？刂颇繕恕９?，采用基于實體特征的逆向建模方法，即在預處理點云數據后，將封裝獲得的三角多邊形網格模型進行二維輪廓曲線的實體特征獲取，繼而得到相應的實體特征。為得到最終的實體模型，還應對重構獲得的多個實體特征進行布爾運算與倒角控制。

值得注意的是，已有產品重構逆向建模方法應用人員，還能從網格面的模型入手，來識別提取產品的實體特征數據信息，進而經直接編輯來修改實體特征進行實現再設計的目標。但實際運用重構過程僅能作用于規則的實體特征，為解決改善這一問題現狀，需將不同的建模方法利用起來，以使其優勢更好地運用于復雜模型的逆向重構研究[4]。

將基于曲面與基于實體特征的兩種建模方法混合運用思路是，對已有產品的原始數據進行采集與預處理，并在獲得三角多變的網格模型后，對其進行精簡處理，以使其表面的質量效果更趨效用。此后，就可在軟件平臺上，對處理后的網格面模型進行產品曲面特征與實體特征的擬合。如圖1所示，為基于曲面與實體特征的混合逆向建模流程示意圖。

但就目前來說，混合逆向建模方法的運用軟件市場環境局限性較大，即無法滿足重構模型進度的要求，因此，降低了產品重構對CAD模型的再設計工作開展的便捷性。因此，相關人員應將其進行優化研究，以提高工業發展的快速穩定效果[5]。

3 曲面和實體特征混合逆向建模方法的應用實例分析

以在逆向建模軟件Geomagic Design Direct與Geomagic Studio中運用曲面與實體特征的混合逆向建模方法為例，具體的重構產品為渦輪葉片。

據權威數據統計，要想滿足我國渦輪葉片的修復需求，須消耗600萬美元的成本，才能保證各行各業渦輪葉片設備運行使用的安全可靠效果。為此，相關人員拓展了該復雜產品實物的CAD模型重構研究，以降低渦輪葉片使用的造價成本。

3.1 網格面的處理

對于模型表面點云數據的獲取，需采用手持式掃描儀，并利用Geomagic Studio軟件平臺，預處理已有工業產品特征的點云數據，繼而通過封裝生成產品重構的網格面模型。印建模重構的已有工業產品渦輪葉片，是渦輪發動機的葉輪模型，因而，獲取網格面模型的原始數據時，導致其表面出現了數字、凹凸紋等問題。故，混合逆向建模方法運用人員還需對問題區域進行光順優化處理。此外，在多邊形網格面模型的情況下，相關人員還要對網格面的處理工具進行豐富控制，即通過松弛、降噪與去除特征處理來保證三角多邊形網格面模型重構建模的控制效果。對于網格面模型的處理，還要運用網格面檢查工具找出釘狀物或是孔洞不易被發現的網格面片，并通過修復處理，來提高目標曲面擬合的質量效果。與此同時，網格面片的修復處理，還能控制曲面擬合的錯誤問題，進而提高產品混合逆向建模方法運用的效果價值[6]。

3.2 曲面擬合控制

在觀察葉輪模型的葉片特征后，就可根據葉片的具體情況，將其分為兩種，即大葉片與小葉片，并確定其均呈陣列特征。此特征背景下，相關人員在擬合葉片的曲面特征時，只需取大小葉片兩張曲面進行實體模型的重構，以使16片葉片的實體特征均能通過逆向建模方法重構出來。此外，由于葉輪中軸頂部的凹面不屬于旋轉面和球面，因此，相關人員應采用曲面逆向建模方法來進行擬合重構。當網格面模型作用于Geomagic Studio軟件時，需將擬合葉片的曲面存為iges格式數據，并把處理后的葉輪網格面模型存為stl格式的數據，以為后續Geomagic Design Direct建模軟件的導入操作提供便利。對于偏差過大的問題，應調整曲面的邊界與擬合參數，來獲取滿足標準偏差值要求，0.015mm的擬合結果[7]。

3.3 實體特征的提取

建模研究人員需將坐標系中的基準面作為截面，以獲取旋轉體的截面線草圖，并將z軸作為旋轉軸。以此，同樣能夠實現葉片旋轉體特征的重構。在處理完旋轉體截面線草圖后，應運用旋轉工具，來對旋轉體進行重構。而后，還要繼續導入葉片曲面的數據信息，并通過布爾運算與拉伸操作，來實現實體特征的重構。以小葉片的構造重構過程為例，先要選擇兩個曲面特征的其中一個曲面，作為目標曲面，再通過目標曲面的拉伸，來生成實體。此后，還要對剩余的一個曲面進行拉伸，以增加其邊界的范圍。如此，經過布爾運算后，就可獲得的小葉片實體特征。

3.4 正向建模

當渦輪葉片的各個實體特征重構完成后，先要對構造的葉片實體特征進行陣列處理，即將z軸作為陣列中心，并把陣列的個數確定為8。由于大小葉片的陣列操作數量與方法一致，因此，研究人員可將旋轉體特征與特片實體的陣列特征進行運算，以獲得最終的實體模型重構結果。值得注意的是，封裝所得的網格面模型，需經過光順的質量效果優化控制，并將其作為參考對象，以對產品重構的實體模型進行準確性測試，進而在重構精度效果控制的情況下，強化混合逆向建模方法運用的效果價值[8]。

4 結束語

綜上所述，曲面與實體特征的混合逆向建模方法運用，需在掌握重構產品特征的情況下，通過軟件將獲取的特征信息進行轉換，以保證產品模型數據重構的精確性。事實證明，只有這樣，才能將復雜的已有產品，以高精確狀態進行重構，進而降低產品修復所消耗的成本。為此，工業產品模型重構研究人員應將上述分析內容與分析結果運用于各類復雜的工業產品設備，以在降低修復成本消耗的同時，將產品運行使用的效果價值充分發揮出來。

參考文獻：

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作者簡介：沈羽（1984-），河南平頂山人，碩士，講師，主要從事CAD/CAM、數控技術方面的教學與研究。