基于Geomagic Design X 中面片擬合、放樣向?qū)У难芯?/h1>
2022-07-14 10:04:44夏亞濤
機械管理開發(fā) 2022年6期
夏亞濤
（商丘職業(yè)技術(shù)學院， 河南 商丘 476000）
引言
Geomagic Design X（原名geomagic Spark）是一款強大的正逆向混合設計軟件，具有模型掃描、三維點云處理、三角面片創(chuàng)建編輯、實體建模裝配、工程圖導出等功能，可無縫連接主流CAD 軟件，包括Pro/E、SolidWorks、UG 和Auto CAD 等。在逆向工程中，三角面片文件生成后，如果精度較高，可以直接導出面片進行切片，然后進行3D 打印，但大多數(shù)情況下需要創(chuàng)建三維模型實體，其中曲面是建模造型中最基本的構(gòu)成要素，曲面的質(zhì)量直接關(guān)系到最終成品的質(zhì)量[1-3]。
Geomagic Design X 具有強大的曲面構(gòu)建方式，如面填補、放樣、境界擬合、面片擬合和放樣向?qū)У?，其中面片擬合和放樣向?qū)禽^常用的兩種曲面創(chuàng)建方式[4-5]，本文通過對這兩種方式的比較，為后續(xù)選擇合適的曲面創(chuàng)建方式作參考。
1 曲面片分割和領(lǐng)域劃分
Geomagic Design X 中曲面片（patch）的分割是得到高精度曲面的重要因素，曲面片分割要以曲面實際分析為前提。曲面片不能分得過于精細，否則得到的曲面太碎；曲面片也不能分得過大，否則不能很好地捕捉點云的形狀，得到的曲面質(zhì)量也較差。劃分曲面片的基本原則為：一個是使每塊曲面片的曲率變化盡量均勻，這樣擬合曲面時就能夠更好地捕捉到點云的外形，降低擬合誤差；另一個是使每塊曲面片盡量為四邊域曲面。
點云生成面片之后，如果要使用面片擬合和放樣向?qū)?，前提是需要對所建模的曲面生成領(lǐng)域。領(lǐng)域是指模型表面所渲染的不同顏色的色塊，采用不同的色塊，根據(jù)曲面曲率的變化，代表不同曲率的曲面?？梢詫㈩I(lǐng)域理解為不同顏色的色塊附著在不同曲率的三角面片之上，它反映當前STL 模型的特征，用于后續(xù)提取STL 面片形狀和尺寸信息。領(lǐng)域是用于擬合面片和進行放樣向?qū)У闹匾罁?jù)，領(lǐng)域分割的精確度直接影響后續(xù)生成曲面的精度。在使用領(lǐng)域時，一般采用兩種方式，一種為自動刷領(lǐng)域，另一種為手動刷領(lǐng)域。對于自動刷領(lǐng)域，其精度主要取決于敏感度的設定，而手動刷領(lǐng)域的精度主要取決于對相似曲面曲率的把握。
2 面片擬合
面片擬合是Geomagic Design X 軟件的獨有功能，很多設計公司購買這款軟件就是為了面片擬合這個較實用的功能。面片擬合命令必須要和領(lǐng)域配合使用，也就是首先需要對面片文件（stl）劃分領(lǐng)域，領(lǐng)域劃分越精確，后續(xù)擬合曲面時的精度越高。它是將曲面擬合至所選領(lǐng)域的三角面片上進而構(gòu)建滿足要求的曲面，其與正向建模中四邊成面的方法類似。在使用面片擬合功能時，首先選取領(lǐng)域元素或者單元面，并設置許可偏差值和最大控制點數(shù)，面片擬合利用所刷的領(lǐng)域隨機選擇U-V 線來創(chuàng)建曲面，通過U 軸和V 軸控制點數(shù)來控制整個網(wǎng)格密度，密度越高則網(wǎng)格越貼近領(lǐng)域，即擬合精度越高。面片擬合圖示，如圖1和圖2 所示。
圖1 面片擬合（控制點數(shù)）
圖2 面片擬合（擬合精度）
3 放樣向?qū)?/h2>
放樣向?qū)詈头艠用罘浅ｎ愃?，只是放樣命令是?gòu)建3D 樣條曲線作為U-V 線，而放樣向?qū)峭ㄟ^利用所構(gòu)建的領(lǐng)域自動生成U-V 線，可快速構(gòu)建U 線或V 線是開放或者封閉的輪廓線。放樣向?qū)Ш兔嫫瑪M合同樣需要選取領(lǐng)域后才能執(zhí)行命令，只不過它是在領(lǐng)域面內(nèi)放置斷面數(shù)，以斷面和領(lǐng)域的交線作為樣條曲線，然后通過連接這些曲線生成曲面，如下頁圖3 所示。在創(chuàng)建斷面?zhèn)€數(shù)時，放置的斷面和樣條點數(shù)目的多寡，決定了生成的曲面精度，如下頁圖4 所示。放樣向?qū)罹唧w使用步驟，首先還是選取領(lǐng)域或者單元面；其次選取路徑，可以選擇平面或者曲線兩種形式；再次選擇斷面并輸入插入斷面的個數(shù)，最后選擇輪廓類型，分為3D 輪廓和參照平面+面片草圖，單擊下一階段完成命令。
圖3 放樣向?qū)В〝嗝娣胖茫?/p>
圖4 放樣向?qū)Вㄇ婢龋?/p>
4 面片擬合與放樣向?qū)У膶Ρ确治?/h2>
通過上述介紹，對面片擬合與放樣向?qū)в辛艘欢ǖ牧私?，但是在什么場景用哪一種方式生成曲面是本文重點要研究的內(nèi)容。
關(guān)于體偏差的顏色，綠色代表在公差允許范圍之內(nèi)；藍色代表建模實體小于STL 面片尺寸；而紅色代表建模實體超出STL 面片尺寸。在上述電風扇葉片例子當中，由于葉片曲度平緩，U-V 線變化不明顯，無論選擇哪一種曲面生成方式，通過體偏差命令都可以看到最后得到的面片擬合曲面精度大致相似，面片擬合得到的曲面精度會稍好一些，如圖5 和圖6 所示。
圖5 面片擬合體偏差
圖6 放樣向?qū)w偏差
而對于一些曲率跨度較大、管徑類曲面或者U-V曲線變化明顯的面片區(qū)域，如果繼續(xù)使用面片擬合就會出現(xiàn)面片扭曲的狀況，如圖7 所示。在這些區(qū)域使用放樣向?qū)л^合適，可以通過增加放置截面的數(shù)目來增加擬合精度，選取所刷領(lǐng)域平面作為路徑，得到所需曲面，如圖8 所示。
圖7 面片扭曲
圖8 增加放置截面的放樣向?qū)?/p>
通過對比，可以發(fā)現(xiàn)雖然在此位置選用放樣向?qū)羁梢钥焖俚玫剿枨?，但是得到的面片精度確有所欠缺。
5 結(jié)語
本文運用Geomagic Design X 對多個例題分別采用面片擬合和放樣向?qū)нM行曲面創(chuàng)建，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，對于曲率平緩的大曲面，采用面片擬合不僅建模效率會有所提升，而且擬合精度和表面質(zhì)量要超過放樣向?qū)?。而對于變管徑類或者曲率變化明顯的曲面，調(diào)用放樣向?qū)钅軌蚩焖偻瓿汕娼?。不同的曲面建模方式在不同環(huán)境中使用，但多數(shù)情況下還需要這兩種方式配合使用。
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夏亞濤
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引言
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Geomagic Design X 具有強大的曲面構(gòu)建方式，如面填補、放樣、境界擬合、面片擬合和放樣向?qū)У?，其中面片擬合和放樣向?qū)禽^常用的兩種曲面創(chuàng)建方式[4-5]，本文通過對這兩種方式的比較，為后續(xù)選擇合適的曲面創(chuàng)建方式作參考。
1 曲面片分割和領(lǐng)域劃分
Geomagic Design X 中曲面片（patch）的分割是得到高精度曲面的重要因素，曲面片分割要以曲面實際分析為前提。曲面片不能分得過于精細，否則得到的曲面太碎；曲面片也不能分得過大，否則不能很好地捕捉點云的形狀，得到的曲面質(zhì)量也較差。劃分曲面片的基本原則為：一個是使每塊曲面片的曲率變化盡量均勻，這樣擬合曲面時就能夠更好地捕捉到點云的外形，降低擬合誤差；另一個是使每塊曲面片盡量為四邊域曲面。
點云生成面片之后，如果要使用面片擬合和放樣向?qū)?，前提是需要對所建模的曲面生成領(lǐng)域。領(lǐng)域是指模型表面所渲染的不同顏色的色塊，采用不同的色塊，根據(jù)曲面曲率的變化，代表不同曲率的曲面?？梢詫㈩I(lǐng)域理解為不同顏色的色塊附著在不同曲率的三角面片之上，它反映當前STL 模型的特征，用于后續(xù)提取STL 面片形狀和尺寸信息。領(lǐng)域是用于擬合面片和進行放樣向?qū)У闹匾罁?jù)，領(lǐng)域分割的精確度直接影響后續(xù)生成曲面的精度。在使用領(lǐng)域時，一般采用兩種方式，一種為自動刷領(lǐng)域，另一種為手動刷領(lǐng)域。對于自動刷領(lǐng)域，其精度主要取決于敏感度的設定，而手動刷領(lǐng)域的精度主要取決于對相似曲面曲率的把握。
2 面片擬合
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圖1 面片擬合（控制點數(shù)）
圖2 面片擬合（擬合精度）
3 放樣向?qū)?/h2>
放樣向?qū)詈头艠用罘浅ｎ愃?，只是放樣命令是?gòu)建3D 樣條曲線作為U-V 線，而放樣向?qū)峭ㄟ^利用所構(gòu)建的領(lǐng)域自動生成U-V 線，可快速構(gòu)建U 線或V 線是開放或者封閉的輪廓線。放樣向?qū)Ш兔嫫瑪M合同樣需要選取領(lǐng)域后才能執(zhí)行命令，只不過它是在領(lǐng)域面內(nèi)放置斷面數(shù)，以斷面和領(lǐng)域的交線作為樣條曲線，然后通過連接這些曲線生成曲面，如下頁圖3 所示。在創(chuàng)建斷面?zhèn)€數(shù)時，放置的斷面和樣條點數(shù)目的多寡，決定了生成的曲面精度，如下頁圖4 所示。放樣向?qū)罹唧w使用步驟，首先還是選取領(lǐng)域或者單元面；其次選取路徑，可以選擇平面或者曲線兩種形式；再次選擇斷面并輸入插入斷面的個數(shù)，最后選擇輪廓類型，分為3D 輪廓和參照平面+面片草圖，單擊下一階段完成命令。
圖3 放樣向?qū)В〝嗝娣胖茫?/p>
圖4 放樣向?qū)Вㄇ婢龋?/p>
4 面片擬合與放樣向?qū)У膶Ρ确治?/h2>
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關(guān)于體偏差的顏色，綠色代表在公差允許范圍之內(nèi)；藍色代表建模實體小于STL 面片尺寸；而紅色代表建模實體超出STL 面片尺寸。在上述電風扇葉片例子當中，由于葉片曲度平緩，U-V 線變化不明顯，無論選擇哪一種曲面生成方式，通過體偏差命令都可以看到最后得到的面片擬合曲面精度大致相似，面片擬合得到的曲面精度會稍好一些，如圖5 和圖6 所示。
圖5 面片擬合體偏差
圖6 放樣向?qū)w偏差
而對于一些曲率跨度較大、管徑類曲面或者U-V曲線變化明顯的面片區(qū)域，如果繼續(xù)使用面片擬合就會出現(xiàn)面片扭曲的狀況，如圖7 所示。在這些區(qū)域使用放樣向?qū)л^合適，可以通過增加放置截面的數(shù)目來增加擬合精度，選取所刷領(lǐng)域平面作為路徑，得到所需曲面，如圖8 所示。
圖7 面片扭曲
圖8 增加放置截面的放樣向?qū)?/p>
通過對比，可以發(fā)現(xiàn)雖然在此位置選用放樣向?qū)羁梢钥焖俚玫剿枨?，但是得到的面片精度確有所欠缺。
5 結(jié)語
本文運用Geomagic Design X 對多個例題分別采用面片擬合和放樣向?qū)нM行曲面創(chuàng)建，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，對于曲率平緩的大曲面，采用面片擬合不僅建模效率會有所提升，而且擬合精度和表面質(zhì)量要超過放樣向?qū)?。而對于變管徑類或者曲率變化明顯的曲面，調(diào)用放樣向?qū)钅軌蚩焖偻瓿汕娼?。不同的曲面建模方式在不同環(huán)境中使用，但多數(shù)情況下還需要這兩種方式配合使用。
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