基于Geomagic Design Direct的截面特征提取與逆向建模

基于Geomagic Design Direct的截面特征提取與逆向建模*

蔡闖，成思源，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州510006)

摘要：當(dāng)前逆向工程已成為一種消化、吸收先進技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計和快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。隨著各種特征技術(shù)的不斷發(fā)展和引進，基于特征的逆向建模方法逐漸成為逆向工程新的發(fā)展方向。根據(jù)已有的建模方法，提出一種在二維草圖模式下截面特征輪廓線提取與參數(shù)化設(shè)計的逆向建模新思路。并以Geomagic Design Direct軟件為平臺，實現(xiàn)了二維草圖模式下特征輪廓線的提取與參數(shù)化再設(shè)計的逆向建模方法，為產(chǎn)品的快速建模和創(chuàng)新設(shè)計提供了一種新的途徑。

關(guān)鍵詞：逆向工程；Geomagic Design Direct；截面特征；參數(shù)化建模

文章編號：1001-2265(2015)09-0042-03

收稿日期：2014-11-19；修回日期：2014-12-22

基金項目：*廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目 (2011A091000040,2012B091100190)；廣東省科技計劃項目(2011A060901001)；廣州市科技計劃項目資助(2013J4300019)

作者簡介：蔡闖(1988—)，男，武漢人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為逆向工程，(E-mail) 245055527@qq.com。

中圖分類號：TH132;TG506

Sectional Sketch Extraction and Reverse Modeling Based on Geomagic Design Direct

CAI Chuang, CHENG Si-yuan, YANG XUE-rong, ZHANG Xiang-wei

(College of Electromechanics Engineering,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

Abstract：Currently, reverse engineering has become a kind of digesting and absorbing advanced technology, to realize product innovation design and rapid development of the important technical means, is an important component of advanced manufacturing technology. Reverse modeling method based on feature is the basis of reverse engineering CAD hybrid modeling method, with the continuous development of all kinds of characteristics of technology and the introduction, gradually becoming a new researching direction of reverse engineering. According to the existing modeling methods, this paper proposes a reverse modeling method based on the characteristics of cross section contour extraction. With Geomagic Design Direct software being a platform, to achieve the characteristics of the extraction of contour line, and complete reverse modeling process. Proved that the characteristics of contour extraction and reverse modeling method can be designed for rapid modeling and provide a new method for products innovation.

Key words： reverse engineering；geomagic design direct；feature extraction；parametric modeling

0引言

逆向工程(Reverse Engineering，簡寫為RE)也可以稱為反求工程。它是一種從已有的實物樣本獲取數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)前CAD/CAM系統(tǒng)中一個研究和應(yīng)用熱點方向，并逐漸發(fā)展成為一個相對獨立的技術(shù)領(lǐng)域[1]。

當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的逆向建模方法主要有特征建模、非特征建模和混合建模[2]。特征建模方法指將正向設(shè)計中的特征技術(shù)引入到逆向工程中產(chǎn)生的一種新的逆向工程CAD建模思路，它通過抽取表達原始設(shè)計意圖的、蘊涵在測量數(shù)據(jù)中的特征，創(chuàng)建出基于特征表達的參數(shù)化CAD模型[3]。本文主要提出了一種基于二維草圖截面輪廓線的提取與參數(shù)化設(shè)計的逆向建模方法。重點是通過截面法獲取多邊形網(wǎng)格模型不同特征的二維截面輪廓線，截面輪廓線擬合的質(zhì)量直接影響到重構(gòu)出的實體模型。在草圖模式下對截面輪廓線進行分析，對修改好的截面輪廓線進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、拔摸或掃掠，得到各個特征的實體模型，運用布爾運算，最終得到實物的CAD模型。這種方法可以很方便的對不同特征的二維截面草圖進行提取，然后在理解模型設(shè)計意圖的基礎(chǔ)上進行參數(shù)化修改和再設(shè)計，最終重構(gòu)出實物的CAD模型。

1基于Geomagic Design Direct的截面特征提取

1.1點云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理

逆向工程技術(shù)第一個階段的主要任務(wù)是獲取實物或零件表面的點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)質(zhì)量對接下來的處理有很重要的影響[4]。因此，需要在現(xiàn)有的技術(shù)手段中，選擇合適的方法，從而獲得較理想的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)傳感器測量頭在測量時是否與實物模型接觸，通常把測量方法分為兩大類：接觸式、非接觸式[5]。

無論用什么方式測量，在數(shù)據(jù)的采集過程中總會包含一些雜點、噪聲點甚至是誤采集的點云數(shù)據(jù)[6]?？梢愿鶕?jù)測量的目的，最終需要的點數(shù)據(jù)的數(shù)量，點云中的點間距的不同要求，通過Geomagic Design Direct軟件中點階段的處理，來完成對采集點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

1.2截面特征的提取

逆向工程隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及計算機硬件性能的不斷提升，商業(yè)化逆向工程建模軟件不斷發(fā)布。主要有：Surfacer、CopyCAD、Paraform、Geomagic Studio、Rapidform、ImageWare、以及ICEM Surf中的逆向模塊等[7]。這些功能主要包括特征曲線(邊界)的識別，二次曲面[8]特征的識別，但是這些軟件都無法在二維草圖模式下對截面輪廓線進行編輯，同時無法對不同特征進行參數(shù)化的修改[9]。

Geomagic Design Direct是基于SpaceClaim工程的直接建模平臺上開發(fā)的，可以從網(wǎng)格對象直接建模和抽取二維截面幾何形狀來形成CAD面和實體[10]。Geomagic Design Direct的主要優(yōu)勢是，在傳統(tǒng)的逆向軟件基礎(chǔ)上，融入了正向建模的模塊，可以快速提取出不同原始特征(包括旋轉(zhuǎn)體、拉伸體、掃掠體)的二維截面輪廓線[11]，在草圖模式下對截面輪廓線進行分析，然后進行參數(shù)化修改和再設(shè)計，拉動后重構(gòu)出特征實體，如圖1所示。最后進行布爾運算得出實物的實體模型。Geomagic Design Direct在建模過程中不需要在正逆向軟件間來回的轉(zhuǎn)換，它豐富的正向處理功能不僅可以更好的處理模型數(shù)據(jù)，而且大大的提升了數(shù)據(jù)處理的效率[12]。

圖1　草圖模式下建模

截面輪廓線的提取一般選擇特征中合適的位置插入平面，然后進入草圖模式，對特征的輪廓線進行分析，如：直線、B-樣條曲線、圓弧，對獲取的二維截面輪廓線進行參數(shù)化修改和再設(shè)計，分段進行擬合。最后，對修改好的截面輪廓線進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、拔摸或掃掠，得到各個特征的實體模型。運用布爾運算，進行加、減、合并，最終得到實物的CAD模型。截面在該平面的輪廓線會顯示在草圖柵格上。特征截面輪廓線的提取不僅影響輪廓線的再設(shè)計，同時關(guān)系到后續(xù)重構(gòu)的三維實體模型的精度，是整個逆向設(shè)計過程的關(guān)鍵步驟。須對模型特征結(jié)構(gòu)進行必要分析，從而確定合適的截面位置來提取特征輪廓線。

2實例

下面是一個基于Geomagic Design Direct的渦輪葉片網(wǎng)格面數(shù)據(jù)的截面提取與參數(shù)化逆向建模的例子，整個過程詳細的介紹了從葉片點云數(shù)據(jù)，到網(wǎng)格面模型特征的截面輪廓線提取，到輪廓線參數(shù)化再設(shè)計，到完成逆向建模生成新的實體模型。

2.1模型特征建模分析

將渦輪葉片網(wǎng)格面模型導(dǎo)入到Geomagic Design Direct，如圖2所示，為某種型號渦輪葉片的網(wǎng)格面模型。首先，對模型進行必要的分析，將生成方式不同特征分類，以便合理安排后續(xù)的處理步驟。

圖2　渦輪葉片特征分解

通過分析，渦輪葉片可以分為兩個主要部分：榫頭和葉身。榫頭是由平行于面1的二維截面上的輪廓線拉伸而成的拉伸實體，為葉片的裝夾部分。葉身是由垂直于葉身的多個截面拉伸融合而成的，為葉片氣流作用面。基于以上的分析結(jié)果，可以確定該模型的逆向建模方案。

2.2榫頭實體拉伸重建

掃描的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Design Direct后，首先進行點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如果點云數(shù)據(jù)是多片，先應(yīng)該進行對齊，然后合并成一片點云數(shù)據(jù)。然后對點云數(shù)據(jù)進行降噪、修復(fù)、簡化、刪除尖峰、封裝等操作，得到多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，傳送到“設(shè)計”階段。然后，基于多邊形網(wǎng)格面數(shù)據(jù)，進行模型的重構(gòu)操作。

(1)拉伸方向的確定

對榫頭部分進行分析，可以分為三個實體特征。如圖3所示，實體1，實體2，凹槽3。

圖3　榫頭圖解

圖4　截面定位

以面1作為基準(zhǔn)面，選擇平行于面1 的合適位置作為截面所在位置，三個實體特征都可以用拉伸工具以垂直于面1的方向作為拉伸方向來生成。三個不同特征對應(yīng)的截面位置也各不相同。以實體2的生成過程為例，首先確定截面的基準(zhǔn)平面1，選擇模型的左視圖，單擊截面模式，以平面1作為基準(zhǔn)平面,如圖4所示。然后移動草圖柵格到實體2截面所選位置。

(2)輪廓特征提取

實體2的截面輪廓線會顯示在柵格上面，然后，根據(jù)已有輪廓線和模型設(shè)計要求，在草圖模式下，利用草圖工具，對特征的截面輪廓線進行擬合。包括對點的位置的修改，對直線長度的修改，對圓弧半徑的修改，對B-樣條曲線的擬合等，如圖5所示。輪廓線由直線、圓弧、B-樣條曲線組成。

圖5　截面輪廓線再設(shè)計

圖6　榫頭實體模型

(3)拉伸實體特征重建

然后，對再設(shè)計之后的截面，利用拉伸工具進行拉伸操作。用相同的方法重構(gòu)出實體1和特征凹槽3，運用布爾減運算，重構(gòu)得到的榫頭的實體模型如圖6所示。

2.3葉身實體特征重建

圖7　葉身特征分析

對葉身模型，進行分析，可以設(shè)計出葉身模型的重構(gòu)步驟：首先選定面2為截面基準(zhǔn)面，插入多個平行于基準(zhǔn)面的截面，如圖7所示。在草圖模式下，分別對每個截面輪廓線進行修改和再設(shè)計，最后通過拉伸融合即可重構(gòu)出葉身的實體模型。

在Geomagic Design Direct“提取”工具欄組中，可以根據(jù)特征類型的不同，利用不同的擬合工具擬合出相應(yīng)的特征的二維輪廓線。現(xiàn)在以其中一個平面作為截面截取的特征輪廓線在草圖模式下的修改和再設(shè)計為例，進行說明。

在剖面模式下，以其中一個平面作為作為截面，柵格中會顯示出葉身的截面輪廓線，運用參數(shù)化編輯功能，對截面輪廓線進行修改和再設(shè)計，如圖8所示。參數(shù)化編輯完成后的截面輪廓線，如圖9所示。

圖8　輪廓線的編輯

圖9　編輯后的輪廓線

重復(fù)上面的操作過程，得到多個新的輪廓截面，如圖10所示，然后進行拉伸融合操作，得到葉身實體模型。運用拉伸工具，單擊需要倒角的邊，然后拉動，即可進行倒角操作。Geomagic Design Direct中圓角的最小半徑為0.1mm。這種倒角操作方便、快捷，提升了操作的效率。對榫頭和葉身逆向建模而成的實體模型進行布爾運算，合成為一個整體，如圖11所示。

圖10　多個新的輪廓截面　圖11　重構(gòu)后的渦輪模型

3結(jié)論

Geomagic Design Direct不僅擁有對點云數(shù)據(jù)豐富的處理功能,特別的是這種基于二維草圖模式下的特征截面輪廓線的參數(shù)化逆向建模方式，是較其他逆向建模軟件最具優(yōu)勢的地方。通過對渦輪模型多邊形數(shù)據(jù)的分析，劃分出不同類型的特征，根據(jù)特征的形成方式，選取合適的截面位置，從而獲取較好的特征輪廓線，使建模精度更高。這種逆向建模方式不僅使操作更加簡便，同時有助于產(chǎn)品的快速開發(fā)和對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計，為機械、航空、汽車、醫(yī)療、藝術(shù)等領(lǐng)域產(chǎn)品的設(shè)計提供了一種新的方法。

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(編輯李秀敏)