基于逆向工程曲面構建與曲面光順技術研究

摘 要：曲面的建構和光順均為逆向工程的關鍵技術，其實現質量的優劣，直接影響到工程的實際效果。針對目前逆向工程進行曲面構建與曲面光順技術應用過程存在的問題，本文從實踐角度出發，分析了逆向工程曲面構建過程與方法，并提出了曲面光順技術的運用控制策略，其目的是為設計者提供準確的數據采集和理論依據進行數據處理和曲面重構。依據樣件模型的外形特征，對曲面的構建方法與光順控制技術運用進行調整，以達到預期。

關鍵詞：逆向工程；曲面構建；曲面光順技術；點云數據；光順度

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0377-02

引 言

逆向工程技術是通過一定的測量手段獲取到三維實體的測量數據，然后根據測量數據重構CAD模型，在CAD模型分析的基礎上進行產品設計和制造的技術。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，基于數據測量的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。實踐中數據的采集和處理中是最主要的影響因素，根據數據采集構建的曲面在光順性和一致性方面往往不能達到后續加工的要求，因此必須對構建的曲面進行曲面光順處理。曲面光順技術是逆向工程在實際應用中非常重要的一步，它的最終目標是實現模型與實際物體的一致表達，同時還要考慮到對曲面的細節信息進行保持，光順結果的好壞將直接影響著逆向工程的最后結果，因此，進行曲面光順的研究具有重要的意義。

1 研究逆向工程曲面構建與曲面光順技術的現實意義

作為逆向工程中計算機輔助幾何設計與計算機圖形學的關鍵，曲面構建，其隨著經濟發展環境的變化，對曲線曲面提出的新的要求。此背景下，多種曲面造型技術被研發出來，并在實踐中朝著越來越成熟的方向發展。然而，在逆向工程中曲面模型的重構，以其工作難度大、涉及內容復雜，被視為最繁雜與最重要的環境。具體來說，在完成模型加工后，還要考慮平滑曲面模型或是良好點群所帶來的三角網絡。這就意味著逆向工程建設人員還要對點群數據進行處理，進而保證曲面構建方式與邊修分析功能的效果價值。為此，相關人員應對所構建的模型有個全面的掌控，即對逆向工程的曲面構建過程與方法進行分析，進而使自由曲面光順度達到預期要求[1]。

2 逆向工程的曲面構建過程與方法

以某逆向工程建模應用CATIA軟件為例，其主要利用工具模塊對測量的數據信息進行零部件的重構。此過程，共涉及三個曲面構建步驟，即數據預處理、點云數據分割以及曲面擬合重構。

（1）測量數據信息的預處理，先要將掃描獲得的零件以外多余點進行清除，并通過去除壞點、補充缺點以及去除數據縫合重迭冗余數據來控制測量誤差。這里的誤差是指，平均值濾波以及數據濾波。此外，由于掃描過程中的掃描系統存在一個有效作用范圍，因此，一旦有物體涉及該范圍就會被納入到掃描結果。為此，CATIA軟件應利用Remove工具，將多余的點云進行刪除僅留下與零件相關的點云。為使點云在曲面構建過程中呈現出實體效果，相關人員應利用網格化工具（Mesh Creation）來進行點云的網格化建設，繼而為后續的處理提供便捷條件。對于平滑處理，則是在點云網格化的條件下利用（Mesh Smoothing）工具來調整拉桿選取的平滑度，繼而使拉桿的平滑效果達到預期。值得注意的是，平滑值不應過大，否則，會導致曲面上的一些細微特征丟失，繼而降低曲面構建的完整性[2]。

（2）分割點云數據，由于被測物體難以用一個曲面模型進行表示，因此，需對點云數據進行分塊以形成多個曲面模型。當曲面片之間的光滑過渡，才能對物體進行模型重構，以實現減少計算量、精度控制以及便于修改等目標。此過程，面片劃分的質量，不僅決定了數據處理的便捷性，還能控制曲面的最終精度。

具體的分割工作，要保證數據塊凹凸性的一致性，以提高曲面重構的時態性。分割過程，還應按照曲率法、散亂數據來強化分割質量。在運用CATIA軟件時，應使一個平面與零件進行相交以獲得交線，或者對空間中的交線曲率進行調整，以使其能夠以精準狀態劃分至不同曲面。相關人員還應根據需求對交線的數量進行調整，以使零件在劃分擬合后能夠達到最佳的精確度與效果。值得注意的是，在調整交線的過程中，還應將曲面的擬合過程作為重點，以保證擬合曲面與實際零件的貼合程度。

（3）曲面的擬合重構，可劃分為兩種，即代數法進行車身曲面的重構，顧名思義，就是運用代數法來描述曲面的形體進行控制其作用于實踐的局限性。另一種是參數法曲面重構，其可作用于曲面約束、跨界的連續性控制，主要運用于局部控制。當曲面擬合完成后，就可直接通過曲面的聯合與加厚獲得實體。由此，實體會存在一定程度的質量缺陷。究其原因，是逆向設計零件模型與理想模型的誤差和數據采集與實物原形之間的誤差，技術人員應對其進行必要的調整，以降低曲面構建可能帶來的不合理影響[3]。

3 逆向工程曲面光順技術的運用控制策略

對于自由曲面光順度的評價，在采用曲面表示方法與擬合算法后，并不意味著一定會完成高質量曲面模型的重構。這是因為，曲面模型要達到曲面性能與精度兩種性能要求。然而，曲面模型在多數情況下是由多張曲面組成的，因此，曲面性能包含單張曲面性能與曲面連續性兩層含義。其中單張曲面的性能是指，可加工性、光順性、氣體動力學性能以及易操作性等。對于自由曲面來說，技術人員還應控制好其光滑性，即其局部不存在皺折起伏、不正確的曲率特性以及平點等。而曲面之間的連續性，應將位置連續性、曲率連續性以及切線連續性作為控制重點。由此可以看出，曲面重構還應保證單張曲面性能與曲面之間的連續性，才能最大限度的保證曲面模型的整體性能。

在具體的應用實踐過程中，因未采用合理重構方法而導致保證曲面模型整體性能的情況，主要集中在以下兩點，技術人員應對其進行全面的掌控，進而采取具有針對性的措施方法進行優化控制。

一方面，點云數據具有復雜特征，因此，技術人員應對其進行直接擬合。此情況下，不僅會增加NURBS曲面表面與擬合算法處理的難度，還會大幅增加運算的時間。再加上，曲面不同特征間結合部位的誤差較大，曲面節點多以過多過密狀態存在，故而，并不能保證操作的便捷性。

另一方面，為保證曲面模型作用的局部性能，技術人員需對點云的關鍵部位進行曲面擬合，即采用Merge與圓角方式進行過渡。由于過渡曲面是由原曲面的邊界部位性質決定的，因此，無法根據點云的擬合來保證模擬的精度效果。如此，擬合后的形狀就無法得到有效控制，容易出現畸變問題。

在運用曲面光順度的過程中，因擬合曲面并不限定邊界，因此擬合后的曲面剪裁應將實現曲面邊界作為目標。對于擬合曲面過程存在不限定邊界的情況，確定空間點對應的參數域坐標值時就會非誠靈活，容易控制曲面在原點云區域內部的性質，進而使單張曲面的性能達到預期。但因裁剪曲面在數學表示上僅用曲線來進行限定，所以，平移、圓角以及延伸等操作易受到限制。再加上，曲面邊界表示的一致性不高，所以，曲面無法避免小縫隙的影響，即無法滿足快速原型對實體模型的要求。故而，技術人員應對其進行復雜的特殊處理。值得注意的是，為保證曲面之間的連續性，技術人員應對曲面做出的改動進行控制，以避免會對曲面性能與精度造成影響[4]。

4 結束語

綜上所述，逆向工程的曲面構建與曲面光順技術的運用，需從實踐角度出發，即在明確曲面構建模型目標的情況下，采用CATIA軟件對曲面模型構建的精度與測量質量進行調整。如，CATIA軟件應利用Remove工具，將多余的點云進行刪除僅留下與零件相關的點云。為使點云在曲面構建過程中呈現出實體效果，相關人員應利用網格化工具（Mesh Creation）來進行點云的網格化建設，繼而為后續的處理提供便捷條件。事實證明，只有這樣，才能將最具效用的曲面構建方法與曲面光順技術作用于實踐，進而推動汽車生產行業的快速穩定發展進程。

參考文獻

[1]吳 駿.汽車車身A級曲面光順關鍵技術的思考[J].南方農機，2017，48（20）：99.

[2]王興晨，路春光，趙 震，于玉真，劉佳鑫.基于CATIA二次開發的逆向工程曲面重構方法研究[J].機床與液壓，2017，45（19）：84～88.

[3]趙璐芳，成思源，張湘偉，楊雪榮.逆向工程曲面模型輔助特征提取技術研究[J].現代制造工程，2012（04）：6～9.

[4]張 晨.基于逆向工程的C級車覆蓋件復雜模具模面補償關鍵技術研究[D].天津職業技術師范大學，2016.

收稿日期：2018-9-1

作者簡介：莫小鳳（1986-），女，壯族，廣西百色人，講師，研究生，從事教師工作。