張燕翔

（廣州市交通高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州510006）

曲面的正逆混合建模技術(shù)應(yīng)用研究

張燕翔

（廣州市交通高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州510006）

根據(jù)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的需求，對(duì)曲面類產(chǎn)品的正、逆向結(jié)合建模方法進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)換功能，將上述曲線導(dǎo)入Solidworks軟件中，并在Solidworks軟件中把逆向所得曲線進(jìn)行曲面正向建模，獲得可進(jìn)行后期調(diào)整和更改、符合產(chǎn)品再設(shè)計(jì)要求的CAD模型。

逆向工程；正逆結(jié)合；曲面建模；Geomagic Studio

0 前言

許多常見(jiàn)的產(chǎn)品都具有帶曲面的外殼，如飛機(jī)、汽車、家用電器、玩具等，這些產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)顯得特別重要。為方便評(píng)價(jià)其美學(xué)效果，產(chǎn)品幾何外形通常不是應(yīng)用CAD軟件直接設(shè)計(jì)，而是由設(shè)計(jì)師利用油泥、木頭等材料進(jìn)行模型制作，對(duì)這些實(shí)體模型反復(fù)修改達(dá)到滿意的效果。然后再利用逆向工程技術(shù)重建產(chǎn)品數(shù)字化模型，用于產(chǎn)品下一步的制造。因此，逆向工程技術(shù)在此類產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)中顯得尤為重要[1]。

產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)如果只是簡(jiǎn)單地把原有物體還原，則難以在還原的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新，因而在逆向的基礎(chǔ)應(yīng)結(jié)合正向設(shè)計(jì)，創(chuàng)作出能夠?qū)崿F(xiàn)再設(shè)計(jì)的產(chǎn)品[2]。本論文以海豚工藝品為案例采用快傳統(tǒng)曲面造型方式進(jìn)行模型重建，目標(biāo)是得到可進(jìn)行調(diào)整和更改的曲面模型。實(shí)驗(yàn)的流程包括逆向數(shù)據(jù)的采集及模型的基本逆向處理、傳統(tǒng)曲面造型及產(chǎn)品再設(shè)計(jì)能力的檢驗(yàn)三個(gè)階段。

1 數(shù)據(jù)采集及模型的基本逆向處理

1.1 本課題測(cè)量設(shè)備選用天遠(yuǎn)公司（國(guó)產(chǎn)）的三維掃描儀。掃描的基本流程是：分析產(chǎn)品外形，確立掃描方案→噴反差增強(qiáng)劑、貼標(biāo)志點(diǎn)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(biāo)志點(diǎn)直接貼在模型表面，則缺失的數(shù)據(jù)較難還原，因而采用把標(biāo)志點(diǎn)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(jìn)行逆向處理，基本的處理操作是：

（1）點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去噪、合并等。

（2）多邊形階段的處理，為了獲取相對(duì)平滑的、符合產(chǎn)品原型的多邊形網(wǎng)格。

Geomagic Studio軟件可以實(shí)現(xiàn)快速曲面造型，其操作內(nèi)容屬于該軟件的形狀階段，主要操作步驟包括：探測(cè)輪廓線或曲率：對(duì)模型進(jìn)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(diào)整到合適的位置；構(gòu)造曲面片：對(duì)劃分好的區(qū)域進(jìn)一步地劃分成子網(wǎng)格面片；編輯曲面片：把曲面片的分界線調(diào)整得更規(guī)則、平滑；擬合曲面[3]。

然而在Geomagic Studio中進(jìn)行快速曲面造型所得模型的各曲面片之間卻失去了應(yīng)有的連續(xù)，難以得到高質(zhì)量的曲面。這是因?yàn)榭焖偾嬖煨头绞皆跇?gòu)造多邊域時(shí)很少考慮到模型的設(shè)計(jì)意圖，而造成的結(jié)果就是曲面特征被分解為大量的曲面片，在正向設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)軟件打開(kāi)模型時(shí)，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(shè)計(jì)意圖[4]。

2 傳統(tǒng)曲面造型——基于曲線的曲面重建

為了得到能進(jìn)行再設(shè)計(jì)的曲面模型，本論文嘗試另一種造型方法——傳統(tǒng)曲面造型。在傳統(tǒng)曲面造型方法中，通常曲面片的構(gòu)建具有兩種操作策略：（1）由點(diǎn)云直接擬合曲面片。（2）對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片處理并擬合出特征線或是互動(dòng)地在點(diǎn)云上構(gòu)建3D樣條曲線，再通過(guò)適當(dāng)?shù)那鏄?gòu)建方式創(chuàng)建各特征對(duì)應(yīng)的曲面片[5]。

根據(jù)Solidworks軟件的操作特點(diǎn)，本論文采用策略（2）的構(gòu)建方法，先對(duì)產(chǎn)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(gòu)面所需的截面線，把具有參數(shù)化的曲線轉(zhuǎn)換到正向軟件Solidworks，最后采用正向軟件Solidworks的曲面功能進(jìn)行重建。

根據(jù)海豚模型的造型，可分成魚(yú)身、翼鰭、尾鰭、背鰭4大區(qū)域進(jìn)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(gòu)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(gè)重點(diǎn)。

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(kāi)已經(jīng)過(guò)點(diǎn)階段、多邊形階段處理的模型→進(jìn)入精確曲面階段→探測(cè)輪廓線→抽取，此時(shí)得到一個(gè)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(dòng)輪廓線頂點(diǎn)以達(dá)到理想位置；松弛輪廓線，讓輪廓線變得光順平滑。接著點(diǎn)擊曲線→轉(zhuǎn)為→自由曲線，提取出空間曲線，如圖2。

其次，模型的側(cè)面輪廓線也是曲面重建的重要骨架之一，該輪廓線處于對(duì)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(diǎn)擊“從截面創(chuàng)建”，在彈出的對(duì)話框中，根據(jù)實(shí)際情況分別做出以下操作：對(duì)齊平面定義為“對(duì)象特征平面”→選取對(duì)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(shí)際情況調(diào)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(jié)合的曲面重構(gòu)

Solidworks具有4種創(chuàng)建曲面的命令和多種的操作技巧。一個(gè)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(yīng)該使用別的方案繼續(xù)嘗試[6]。海豚魚(yú)身已經(jīng)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(shù)轉(zhuǎn)換的方法轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換到正向軟件后，由于曲面建模的需要，要對(duì)曲線進(jìn)行一定的編輯修改，操作如下：首先，由于轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的曲線需要反復(fù)使用，不應(yīng)該直接修改，應(yīng)先復(fù)制一份然后修改：新建3D草圖→轉(zhuǎn)換實(shí)體引用。其次，刪除多余部分：用“分割實(shí)體”、“刪除”命令去除多余部分。最后填補(bǔ)空缺：分型線貫穿魚(yú)身和翼鰭，把翼鰭輪廓去除后，分型線出現(xiàn)了缺口，這部分需要手工補(bǔ)齊:采用樣條曲線，按照曲線的走向把缺口補(bǔ)齊，注意分別在仰視、俯視方向調(diào)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(cè)輪廓線）是從逆向軟件中獲得的平面曲線，同樣也需要進(jìn)行一定的編輯修改。首先，從逆向軟件轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的曲線無(wú)論是空間的還是平面的都默認(rèn)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(duì)圖3側(cè)輪廓先選用對(duì)稱中心平面作為草圖平面，然后，點(diǎn)選相應(yīng)的平面創(chuàng)建草圖，用“轉(zhuǎn)換實(shí)體引用”命令把參數(shù)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(bǔ)曲線。

而圖4中的曲線（截面線）的草圖平面創(chuàng)建方法：先點(diǎn)選曲線，然后用“創(chuàng)建基準(zhǔn)平面”命令創(chuàng)建。同樣用“轉(zhuǎn)換實(shí)體引用”命令把參數(shù)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(duì)該曲線進(jìn)行修改。

（4）重建曲面：點(diǎn)選側(cè)輪廓線、分型線為引導(dǎo)線，順序點(diǎn)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(jīng)過(guò)各區(qū)域曲面的重建，然后用“曲面縫合”命令轉(zhuǎn)換成實(shí)體，最終得到模型如圖7。

3 傳統(tǒng)曲面造型所得產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)

檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芊襁M(jìn)行再設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)海豚的側(cè)輪廓線進(jìn)行更改，發(fā)現(xiàn)由該曲線構(gòu)建的曲面也跟隨發(fā)生變化。再嘗試對(duì)海豚進(jìn)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(guò)曲面的改變能夠得到各種造型，而曲面質(zhì)量并沒(méi)下降，因而本論文所采用的傳統(tǒng)曲面造型方法可以達(dá)到再設(shè)計(jì)的要求。

4 總結(jié)

本文針對(duì)曲面類產(chǎn)品研究了正逆混合的建模方法。在對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)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(tǒng)曲面造型方式進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)快速曲面造型方式能高效地實(shí)現(xiàn)逆向成型，但是建模的結(jié)果不利于再設(shè)計(jì)。而傳統(tǒng)曲面造型方式所得模型，能實(shí)現(xiàn)造型的各種改變而不影響曲面質(zhì)量，符合再設(shè)計(jì)的要求。本文重點(diǎn)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(jìn)行曲面重建的方法以及產(chǎn)品造型改變的方法，為曲面產(chǎn)品的逆向成型及再設(shè)計(jì)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(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［2］吳問(wèn)霆，成思源，張湘?zhèn)?，?手持式激光掃描系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)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(shù)及軟件系統(tǒng)[J]．機(jī)床與液壓，2007，35（9）：1934-1938．

［4］余國(guó)鑫，成思源，張湘?zhèn)ブ湫湍嫦蚬こ藽AD建模系統(tǒng)的比較[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23（12）：1-3．

［5］曾華明.逆向工程中的曲面重構(gòu)技術(shù)研究[D].重慶大學(xué)論文,2004.

［6］方昊佳．面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的CAD造型關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

［責(zé)任編輯：李書(shū)培］