GeomagicFashion在逆向工程快速曲面造型中的应

DigitalDesignD数字化设计72一、引言在逆向工程技术中，传统曲面造型方式(Classicalsurfacing)遵从典型的逆向工程流程，即点——线——面及点——面。通过使用Bezier和NURBS曲面，直接由曲线或测量点来创建曲面的一种曲面造型方式，包括了以往流行的曲面造型方法，需要大量的人工交互，造型质量的人为影响因素较大。快速曲面造型方式(Rapidsurfacing)是通过对点云的网格化处理、建立多面体化表面来实现的。它顺应了当前许多CAD造型系统和快速原型制造系统中模型多边形表示的需要，已成为目前应用最为广泛的一类方法。二、传统曲面造型方式1.产品模型分析在逆向产品设计中，为提高逆向工程重建产品数字化模型的二次设计能力，必须进行产品分析以剖析产品原型的设计意图及造型方法，例如基准数据、产品特征构成和建模顺序。然后基于各种测量数据进行原始设计参数还原处理，以便对数据进行处理后导入CAD系统中进行产品的参数化设计，从中发现规律，重建与原始设计意图一致的产品数字化模型，再进行新产品开发。这是技术消化、吸收和创新的最佳途径。2.数据采集数据采集是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，用点接触采集点集数据，用激光扫描获取点云数据，并在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。在接触式测量方法中，三坐标测量机(CMM)是应用最为广泛的一种测量设备；而在非接触式测量方法中，结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法，在工业界广泛应用。海克斯康公司研发的柔性三坐标测量机INFINITE，其测量系统Scanworks是这种方法的典型代表。但每种测量方法都有其优势与不足，在实际测量中，两种测量技术的结合将能够为逆向工程带来很好的弹性，有助于逆向工程的进行。3.传统方式的特点和策略传统曲面造型方式可以使用多种曲面片模型来创建复杂的曲面模型，而其中最常用的有参数多项式曲面模型、边界插值曲面模型和扫描曲面模型。典型的参数多项式曲面模型又包括Bezier曲面模型、B-Spline曲面模型和NURBS曲面模型。对传统曲面造型方式来说，曲线是曲面重建的关键因素，要用于后续的曲面生成和曲面裁剪。因此，曲线的质量直接影响最终曲面模型的质量。在曲线、曲面的编辑和调整上，传统曲面造型方式的CAD系统往往都提供了功能多样的方法。在实际产品中，产品的外形特征往往不是简单地由一张曲面构成，而是由多张曲面混合而成，所以在实施曲面重建时，传统曲面造型方式通常具有两种建模策略：(1)由点云直接拟合曲面片，而后对所有的曲面片进行调面、求交、裁剪和拼接等处理，生成最终的曲面模型；(2)对点云进行切片处理并拟合出特征线或是互动地在点云上构建3D样条曲线，再通过适当的曲面构建方式创建与特征对应的曲面片。当然，这两种建模策略并不相互排斥，在具体的曲面模型重建过程中，往往需要根据特定的点云特征选择一种或者同时使用两种策略来实现最终曲面模型的重建。传统曲面重构方法延续了传统正向CAD曲面造型的方法，并在点云处理与特征区域分割、特征线的提取与拟合以及特征曲面片的创建方面提供了功能多样化的方法。配合建模人员的经验，容易实现高质量的曲面重建。但是，进行曲面重建需要投入大量的建模时间和熟练建模人员的参与，特别是在要求构建A曲面时；并且，基于NURBS曲面建模技术在曲面模型几何特征的识别、重建曲面的光顺性和精确度的平衡把握方面，对建模人员的建模经验提出了更高的要曲面重建是逆向工程中最为关键的环节之一，其处理速度和质量最终制约着下游CAD再设计等作业进程。在当前基于实物的逆向工程中，根据CAD建模系统曲面造型的不同特点，实现曲面模型重建的方式大致可以分为传统曲面造型方式和快速曲面造型方式。而快速曲面造型方式则是通过对点云的网格化处理来实现。本文对GeomagicStudioFashion在逆向工程中快速曲面造型的优势进行了研究和应用，并提供了一个例证。GeomagicFashion在逆向工程快速曲面造型中的应用□哈尔滨工程大学工程训练中心谢韶旺徐岩任正义DigitalDesignD数字化设计73CAD/CAM与制造业信息化·2009年第1～2期求，传统曲面造型方式的曲面重建几乎成为了少数人手中的一项“黑色技艺”，在一定程度上影响了逆向工程的推广和应用。二、快速曲面造型方法的特点与策略快速曲面造型方式主要通过使用Bezier和NURBS曲面模型来创建复杂的曲面模型，且对于Bezier曲面创建的曲面模型，为了便于计算机的表达和显示，往往需要进一步转换为NURBS曲面表达的格式。对快速曲面造型方式来说，其最大的特点就是快速。它必须要有人工的干预，在曲面创建之初，建模人员必须要对所处理的点云对象和生成的多边形化模型进行一定的处理，同时还必须给系统的执行指定一些预设参数；其次，从最终的建模质量来看，这种快速是以一定曲面建模质量的牺牲为代价的，该造型方式下的逆向系统目前还不能用来构建A曲面，但对于工程领域中的许多产品或产品中的众多部件而言，满足G’连续的曲面模型已经是足够的。快速曲面造型方法通常包括以下步骤：首先，从点云中重建出三角网格曲面；再对这个三角网格曲面分片，得到一系列有四条边界的子网格曲面；然后，对这些子网格逐一参数化；最后，用NURBS曲面片拟合每一片子网格曲面，得到保持一定连续性的曲面样条，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，并可以用CAD软件进行后续处理。快速曲面造型方式的曲面重建方法表示简单、直观，适用于快速计算和实时显示的领域。此外，快速曲面造型方式与传统曲面造型方式另一个典型的区别是，传统曲面造型方式面向的是特征，在曲面重建时其根本的流程是由特征到模型整体；而快速曲面造型方式面向的是模型整体，在曲面重建时进行区域分割其目的只是为了改善后续创建曲面的品质。所以，在某种意义上讲，在快速曲面造型方式中并没有真正的特征。实施曲面重建时，快速曲面造型方式通常也具有两种建模策略：(l)点云多边形化后，使用Bezier曲面片进行拟合，并由此创建各曲面片之间满足G’连续的Bezier曲面模型。而后Bezier曲面模型进行Bezier-NURBS转换，从而获得相应的NURBS曲面模型，用于下游CAD的工程应用；(2)点云多边形化后，先对多边形模型用四边形进一步划分，而后对四边形化处理的模型使用NURBS曲面片进行拟合，直接得到NURBS曲面模型。三、GeomagicStudio10Fashion技术实现1.GeomagicStudio技术介绍美国Geomagic公司出品的逆向工程软件（GeomagicStudio）和三维检测软件(GeomagicQualify)，可轻易地从扫描所得的点云数据经过系列数据处理后创建出完美的多边形网格，并自动转换为NURBS曲面，其逆向曲面重建模块能快速地整理点云资料，并自动产生网格以构建任何复杂模型的精确曲面。针对逆向工程各阶段的信息(如点、网格断面线和特征线分析对比等)提供了快速的处理工具。Geomagic逆向设计的原理是基于空间三角片来逼近还原CAD实体模型，在建模策略上，Geomagic采用的是CAD曲面与NURBS曲面拟合相结合，并直接创建曲面模型的策略，其具体的曲面重建流程被划分为点阶段——多边形阶段——Fashion造型阶段，这三个前后紧密联系的阶段来进行。2.GeomagicStudio10Fashion技术的实现Fashion使用最新的曲面生成方法，使曲面质量更加光顺，而且可以自动或手动将模型中的各个曲面分类（包括拉伸面、旋转面、拔模面、平面、柱面和圆锥面等），使其含有CAD的特征。选取全部或部分的曲面进行处理，使用各种工具和参数控制曲面拟合，由平面、柱面、锥面、拉伸面、旋转面和自由形状曲面组合创建出单一缝合曲面，提取优化的轮廓曲线；使用检测选项、顺序察看命令或可视化工具分析曲面拟合结果，最终将轮廓曲线或准CAD曲面导出为IGES或STEP文件进行其他处理。本文介绍某一铸造模型在GeomagicFashionStudio中通过快速曲面造型方式实现的曲面重建过程。图1是所采集的点云数据。这样模型的曲面重建若要通过传统曲面造型方式中的任何一种建模策略在短时间内完成都是难以实现的，而在Geomagic中利用快速曲面造型方式则可以在非常短的时间内完成。图2显示的是铸造模型点云处理后的多边形化结果。图3是对多边形化模型基于曲率的区域划分，这是快速曲面造型方式中最为关键的一步，它决定着后续曲面重建的质量。图4是对各曲面区域轮廓线显示的结果，该进程决定着最终曲面重建的精度，轮廓线划分越细，曲面重建的精度就越好。图5是轮廓线编辑和延伸的结果显示。图6显示各个主曲面的分类结果，在GeomagicFashion中，通过不同的颜色表达各个曲面的特征，如绿色代表平面，黄色代表圆柱面，红色代表自由形状曲面，棕色代表拉伸面等。这种特征的选择基于软件的算法自动分类，同时也可以通过手动修改某些特定的曲面特征。软件还提供自动与手动相结合的功能，选择某一曲面上的特定区域进行拟合，这样就可以保证曲面的拟合更加精确。图7是在完成所有主曲面与连接曲面的拟合后，拼合完成整个模型的曲面重构工作。在拟合主曲面过程中，可以对一些含有参数的特征曲面进行参数调整，使其拟合达到理想的效果。在拟合连接曲面的过程中，可以对某些区域以尖角的方式进行处理，从而在主曲面与主曲面之间以尖角拟合。图8是最终曲面与原始点云匹配对比获得的误差分析结果，用于评估曲面质量。DigitalDesignD数字化设计74如上所述，在快速曲面造型软件GeomagicFashionStudio中，对于产品内部特征边界线的要求并不高，而产品的外部特征边界线，即点云的边界，只是用来保证产品的原来形状和产品曲面模型在边界处的质量。在Geomagic中，曲面重建的进程分成紧密联系的流程式的点、多边形和Fashion三个阶段来实现，由此可以看出决定曲面重建质量的因素中，人为的因素要比在传统曲面造型方式下小得多。Fashion通常会自动给出好的区域分类，对于大型的曲面模型，可以使用组分类拟合代替一次性全部拟合，彰显个性化功能。Fashion是GeomagicStudio10新增加模块，此模块相比之前的做面方式有如下优点：(1)功能更强大，用最新的曲面生成方法，做成的曲面相比原来要光顺许多。(2)使用更加方便，生成曲面的方法前后逻辑关系明显，使用过程中一气呵成，通过它可以有效、快速和自动地从3D扫描数据生成准确的数字模型。(3)工业上可接受的CAD布局（非曲面片），输出的IGES/STEP档更小，减少了CNC编码创建的时间，改善了加工性能。(4)将物理对象的数字表现形式集成到工程设计工作流程中。(5)避免在传统CAD软件中从零开始的设计流程，生产效率提高10倍。(6)以不断变化的速度自定义产品，捕获现有形状并构造优化的数字生产模型，完成快速制造和批量定制。四、结论在实施曲面重建的过程中，必须根据曲面重建质量和速度来选择重构方式。一般而言，采用快速曲面模型重构方式具有较强的优势，GeomagicFashion模块可以广泛应用于逆向工程、设计和分析，定制设备的批量生产，按订单生产制造以及早期零部件自动重建的数字资源存盘等，应用行业涵盖汽车、航空、制造业、医疗建模、艺术和考古领域。图1原始点云图图5延伸轮廓线图2多边形化结果图6曲面分类图3探测轮廓线图7完整曲面图4编辑轮廓线图8误差分析栏目主持：黎艳　　本文索引号：116投稿信箱：liy@icad.com.cn