曲面的正逆混合建模技術應用研究

張燕翔

（廣州市交通高級技工學校，廣東 廣州510006）

曲面的正逆混合建模技術應用研究

張燕翔

（廣州市交通高級技工學校，廣東 廣州510006）

根據產品再設計的需求，對曲面類產品的正、逆向結合建模方法進行了研究。首先，使用Geomagic Studio軟件獲取模型重建所需曲線。然后，利用Geomagic Studio軟件的參數轉換功能，將上述曲線導入Solidworks軟件中，并在Solidworks軟件中把逆向所得曲線進行曲面正向建模，獲得可進行后期調整和更改、符合產品再設計要求的CAD模型。

逆向工程；正逆結合；曲面建模；Geomagic Studio

0 前言

許多常見的產品都具有帶曲面的外殼，如飛機、汽車、家用電器、玩具等，這些產品的外觀設計顯得特別重要。為方便評價其美學效果，產品幾何外形通常不是應用CAD軟件直接設計，而是由設計師利用油泥、木頭等材料進行模型制作，對這些實體模型反復修改達到滿意的效果。然后再利用逆向工程技術重建產品數字化模型，用于產品下一步的制造。因此，逆向工程技術在此類產品的快速開發(fā)中顯得尤為重要[1]。

產品的逆向設計如果只是簡單地把原有物體還原，則難以在還原的基礎上進行二次創(chuàng)新，因而在逆向的基礎應結合正向設計，創(chuàng)作出能夠實現再設計的產品[2]。本論文以海豚工藝品為案例采用快傳統曲面造型方式進行模型重建，目標是得到可進行調整和更改的曲面模型。實驗的流程包括逆向數據的采集及模型的基本逆向處理、傳統曲面造型及產品再設計能力的檢驗三個階段。

1 數據采集及模型的基本逆向處理

1.1 本課題測量設備選用天遠公司（國產）的三維掃描儀。掃描的基本流程是：分析產品外形，確立掃描方案→噴反差增強劑、貼標志點等→掃描。

工藝品海豚模型表面為自由曲面，而且體積小，如果標志點直接貼在模型表面，則缺失的數據較難還原，因而采用把標志點貼在參照物上的辦法然后掃描，如圖1。

1.2 本論文采用Geomagic Studio軟件進行逆向處理，基本的處理操作是：

（1）點數據的處理，包括點云數據的拼接、去噪、合并等。

（2）多邊形階段的處理，為了獲取相對平滑的、符合產品原型的多邊形網格。

Geomagic Studio軟件可以實現快速曲面造型，其操作內容屬于該軟件的形狀階段，主要操作步驟包括：探測輪廓線或曲率：對模型進行區(qū)域劃分，得到曲率線；編輯輪廓線或曲率線：把曲率線調整到合適的位置；構造曲面片：對劃分好的區(qū)域進一步地劃分成子網格面片；編輯曲面片：把曲面片的分界線調整得更規(guī)則、平滑；擬合曲面[3]。

然而在Geomagic Studio中進行快速曲面造型所得模型的各曲面片之間卻失去了應有的連續(xù)，難以得到高質量的曲面。這是因為快速曲面造型方式在構造多邊域時很少考慮到模型的設計意圖，而造成的結果就是曲面特征被分解為大量的曲面片，在正向設計設計軟件打開模型時，丟失了在曲面公共邊的跨界切矢等約束，所得到的曲面模型不能夠較為完整地還原曲面的設計意圖[4]。

2 傳統曲面造型——基于曲線的曲面重建

為了得到能進行再設計的曲面模型，本論文嘗試另一種造型方法——傳統曲面造型。在傳統曲面造型方法中，通常曲面片的構建具有兩種操作策略：（1）由點云直接擬合曲面片。（2）對點云進行切片處理并擬合出特征線或是互動地在點云上構建3D樣條曲線，再通過適當的曲面構建方式創(chuàng)建各特征對應的曲面片[5]。

根據Solidworks軟件的操作特點，本論文采用策略（2）的構建方法，先對產品劃分曲面的區(qū)域，然后在逆向軟件Geomagic Studio中提取區(qū)域的邊界線和構面所需的截面線，把具有參數化的曲線轉換到正向軟件Solidworks，最后采用正向軟件Solidworks的曲面功能進行重建。

根據海豚模型的造型，可分成魚身、翼鰭、尾鰭、背鰭4大區(qū)域進行曲面重建。

特征曲線在Geomagic軟件的提取方法

在自由曲面的重構中，需要一系列的輪廓線，這些輪廓線的提取方法是本論文研究的一個重點。

首先，模型的上下部分直接有明顯的分型線，該分型線是曲面重建的主要骨架。該分型線不從屬于任何平面，屬于空間曲線，提取方式為：先在Geomagic Studio軟件中，打開已經過點階段、多邊形階段處理的模型→進入精確曲面階段→探測輪廓線→抽取，此時得到一個輪廓線。為得到更加規(guī)整的輪廓線還需要采用以下操作：編輯輪廓線，添加或刪除部分輪廓線；移動輪廓線頂點以達到理想位置；松弛輪廓線，讓輪廓線變得光順平滑。接著點擊曲線→轉為→自由曲線，提取出空間曲線，如圖2。

其次，模型的側面輪廓線也是曲面重建的重要骨架之一，該輪廓線處于對稱平面上，屬于平面曲線，可用“從截面創(chuàng)建”命令提取?！皬慕孛鎰?chuàng)建”命令只能在多邊形階段使用，把模型退回到多邊形階段，點擊“從截面創(chuàng)建”，在彈出的對話框中，根據實際情況分別做出以下操作：對齊平面定義為“對象特征平面”→選取對稱平面；曲線類型選擇“樣條”；布局圖選擇“單向”；折角和公差影響曲線的精度，需按實際情況調整。獲得的平面曲線如圖3。

最后需要提取一系列的截面輪廓，方法是：首先創(chuàng)建一系列的截平面，然后采用“從截面創(chuàng)建”功能，提取出一系列的截面輪廓線，如圖4。

正逆結合的曲面重構

Solidworks具有4種創(chuàng)建曲面的命令和多種的操作技巧。一個曲面的創(chuàng)建方法不是唯一的，操作者如果在一種方案上獲得的曲面不理想，應該使用別的方案繼續(xù)嘗試[6]。海豚魚身已經獲得了重建所需的曲線骨架，考慮采用放樣曲面創(chuàng)建，操作步驟如下：

（1）把GeomagicStudio里的曲線用參數轉換的方法轉到Solidworks軟件里。

（2）空間曲線的處理。圖2中的曲線（分型線）是從逆向軟件中獲得的空間曲線，把它轉換到正向軟件后，由于曲面建模的需要，要對曲線進行一定的編輯修改，操作如下：首先，由于轉換過來的曲線需要反復使用，不應該直接修改，應先復制一份然后修改：新建3D草圖→轉換實體引用。其次，刪除多余部分：用“分割實體”、“刪除”命令去除多余部分。最后填補空缺：分型線貫穿魚身和翼鰭，把翼鰭輪廓去除后，分型線出現了缺口，這部分需要手工補齊:采用樣條曲線，按照曲線的走向把缺口補齊，注意分別在仰視、俯視方向調整曲線；然后用“套和樣條曲線”把三部分合并成一條曲線，如圖5。

（3）平面曲線的處理。圖3中的曲線（側輪廓線）是從逆向軟件中獲得的平面曲線，同樣也需要進行一定的編輯修改。首先，從逆向軟件轉換過來的曲線無論是空間的還是平面的都默認為空間曲線，為符合建模要求，需要把截面線重畫為平面曲線。針對圖3側輪廓先選用對稱中心平面作為草圖平面，然后，點選相應的平面創(chuàng)建草圖，用“轉換實體引用”命令把參數曲線引用到草圖。接著編輯草圖：草圖具有多余或空缺部分，參照空間曲線的處理方法，修改和填補曲線。

而圖4中的曲線（截面線）的草圖平面創(chuàng)建方法：先點選曲線，然后用“創(chuàng)建基準平面”命令創(chuàng)建。同樣用“轉換實體引用”命令把參數曲線引用到草圖，然后使用與空間曲線類似的草圖編輯方法，對該曲線進行修改。

（4）重建曲面：點選側輪廓線、分型線為引導線，順序點選各截面線為輪廓線創(chuàng)建放樣曲面，如圖6。

海豚其它區(qū)域曲面重建方法類似，這里不再一一贅述。經過各區(qū)域曲面的重建，然后用“曲面縫合”命令轉換成實體，最終得到模型如圖7。

3 傳統曲面造型所得產品的再設計

檢驗模型能否進行再設計的標準是模型是否具有修改的柔性。海豚模型的曲面是依靠曲線骨架創(chuàng)建而成，嘗試對海豚的側輪廓線進行更改，發(fā)現由該曲線構建的曲面也跟隨發(fā)生變化。再嘗試對海豚進行整體變形操作，如圖8：

從改變后的效果可以看到：模型通過曲面的改變能夠得到各種造型，而曲面質量并沒下降，因而本論文所采用的傳統曲面造型方法可以達到再設計的要求。

4 總結

本文針對曲面類產品研究了正逆混合的建模方法。在對產品數據進行了必要的逆向處理之后分別采用了快速曲面造型方式和傳統曲面造型方式進行重構。重構的結果發(fā)現快速曲面造型方式能高效地實現逆向成型，但是建模的結果不利于再設計。而傳統曲面造型方式所得模型，能實現造型的各種改變而不影響曲面質量，符合再設計的要求。本文重點介紹在Geomagic Studio軟件獲取特征曲線的方法，以及在Solidworks軟件逆向所得曲線進行曲面重建的方法以及產品造型改變的方法，為曲面產品的逆向成型及再設計提供了有效的參考。

［1］柯映林．反求工程CAD建模理論、方法和系統[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005．

［2］吳問霆，成思源，張湘?zhèn)ィ?手持式激光掃描系統及其應用[J].機械設計與制造，2009（11）：46-47.

［3］李志新，黃曼慧，成思源．逆向工程中的CAD建模技術及軟件系統[J]．機床與液壓，2007，35（9）：1934-1938．

［4］余國鑫，成思源，張湘?zhèn)ブ湫湍嫦蚬こ藽AD建模系統的比較[J]．機械設計，2006，23（12）：1-3．

［5］曾華明.逆向工程中的曲面重構技術研究[D].重慶大學論文,2004.

［6］方昊佳．面向產品創(chuàng)新設計的CAD造型關鍵技術研究[D].廣東工業(yè)大學，2013.

［責任編輯：李書培］