基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法研究*

蔡　闖，成思源，蔡　敏，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

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

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基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法研究*

蔡闖，成思源，蔡敏，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

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

當(dāng)前，逆向工程中以還原原始設(shè)計意圖和面向再設(shè)計為主要目的逆向建模方法是研究的熱點方向。通過對基于曲面和基于實體特征的逆向建模方法進(jìn)行分析和研究，提出一種基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法，并闡述了這種混合逆向建模方法的建模流程和應(yīng)用領(lǐng)域。以逆向建模軟件Geomagic Studio和Geomagic Design Direct為平臺，通過典型實例驗證了這種混合逆向建模方法的可行性和優(yōu)勢所在，為基于逆向工程的復(fù)雜幾何模型的重構(gòu)和再設(shè)計提供了一種有效的解決方法。

曲面特征；實體特征；混合建模；逆向工程

0　引言

逆向工程中，CAD模型重構(gòu)的三個主要應(yīng)用領(lǐng)域是：再制造，質(zhì)量控制，基于重構(gòu)模型修改的再設(shè)計[1]。逆向建模是指針對已有的產(chǎn)品模型，利用三維數(shù)字化測量設(shè)備如三坐標(biāo)測量儀和光學(xué)測量儀，準(zhǔn)確、快速地測量出產(chǎn)品表面的三維數(shù)據(jù)，然后在逆向建模軟件中對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以重建產(chǎn)品CAD模型[2]。

結(jié)合基于曲面[3]的逆向建模方法中復(fù)雜自由曲面擬合功能的優(yōu)勢，以及基于實體特征[4]的逆向建模中對規(guī)則幾何特征的識別、提取和再設(shè)計功能，本文提出一種基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法，能快速、有效地重構(gòu)具有復(fù)雜、多種類型特征的產(chǎn)品實物的實體模型的逆向建模方法。

這種方法可以有效解決同時包含復(fù)雜曲面特征和規(guī)則實體特征的模型，例如渦輪葉片等，由于種種原因無法獲取其原始設(shè)計CAD模型的重構(gòu)，以及在重構(gòu)出的CAD模型的基礎(chǔ)上對破損零件進(jìn)行修復(fù)的難題。

1　基于特征的建模方法

為了適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展需要，將重構(gòu)出的自由曲面和較為簡單、規(guī)則的特征(如拉伸體、旋轉(zhuǎn)體)通過布爾運算轉(zhuǎn)化為較為復(fù)雜的實體，人們開始研究基于特征的造型技術(shù)，其中特征可以分為兩類：曲面和實體特征，并提出了基于曲面和基于實體特征的建模方法。

基于曲面的逆向建模方法的建模思路是：點云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后，封裝得到三角多邊形網(wǎng)格模型，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時根據(jù)不同網(wǎng)格面區(qū)域所隱含的幾何曲面特征來進(jìn)行劃分；再以人機(jī)交互的方式指定各子網(wǎng)格面區(qū)域所隱含的幾何曲面特征，以及各子網(wǎng)格面區(qū)域之間的連接類型；然后對子網(wǎng)格面區(qū)域內(nèi)的幾何曲面特征進(jìn)行擬合，以重構(gòu)其幾何曲面特征；最后對重構(gòu)得到的幾何曲面進(jìn)行裁剪縫合操作以重構(gòu)出曲面模型。這種方法重構(gòu)得到的是曲面模型，可以自動化地擬合得到精度較高的復(fù)雜自由曲面[5]。不足之處為需要將重構(gòu)得到模型轉(zhuǎn)換到正向建模軟件中，通過裁剪縫合操作得到實體模型后，才能進(jìn)行再設(shè)計[6]。

基于實體特征的逆向建模方法的思路是：點云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后，封裝得到三角多邊形網(wǎng)格模型，對其提取實體特征的二維輪廓曲線，然后應(yīng)用實體建模操作構(gòu)造得到相應(yīng)的實體特征，能提取的實體特征包括了拉伸體、旋轉(zhuǎn)體、掃掠體和放樣體；然后對重構(gòu)得到的多個實體特征進(jìn)行布爾運算，繼而進(jìn)行倒角操作，以得到最終的實體模型?；趯嶓w特征的逆向建模方法可從網(wǎng)格面模型中識別并提取實體特征，而且能通過直接編輯修改實體特征以實現(xiàn)再設(shè)計，可以高效率的重構(gòu)出原始掃描數(shù)據(jù)不完整的模型。但是，由于只能重構(gòu)較為規(guī)則的實體特征，因此應(yīng)用范圍較窄存在一定的局限性。通常適合一些特征較規(guī)則的零件模型的重構(gòu)[7]。

2　基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品和零部件的外觀特征不再是僅由平面、二次曲面等規(guī)則曲面構(gòu)成，或是僅由復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成[8]。因此若要對外觀越來越多樣性的產(chǎn)品或零部件模型進(jìn)行逆向建模重構(gòu)，在當(dāng)前各類建模方法的建模能力受限的情況下，需結(jié)合不同建模方法的長處來實現(xiàn)復(fù)雜模型的逆向重構(gòu)。

基于曲面和基于實體特征的逆向建模方法應(yīng)用比較廣泛?；谇娴哪嫦蚪７椒ㄖ貥?gòu)得到的是曲面模型，可以自動化地擬合得到精度較高的復(fù)雜自由曲面。基于實體特的逆向建模方法可從網(wǎng)格面模型中識別并提取實體特征，而且可通過直接編輯修改實體特征以實現(xiàn)重構(gòu)CAD模型基礎(chǔ)上的再設(shè)計。

結(jié)合基于曲面的逆向建模方法中復(fù)雜自由曲面擬合功能，以及基于實體特征的逆向建模方法中規(guī)則幾何特征的識別、提取和再設(shè)計功能，能有效、快速地重構(gòu)具有復(fù)雜、多樣外觀特征的實體模型。這種方法的思路是：首先對原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，封裝得到三角多邊形網(wǎng)格面模型，再對網(wǎng)格面模型進(jìn)行去噪、精簡、光順等優(yōu)化處理，以便能得到表面質(zhì)量較好的多邊形網(wǎng)格模型；然后在不同平臺下分別應(yīng)用基于曲面和基于實體特征的逆向建模方法從處理后的網(wǎng)格面模型中分別擬合出曲面特征和規(guī)則實體特征，最后通過數(shù)據(jù)交換對擬合實體特征進(jìn)行布爾運算以重構(gòu)最終的實體模型?；谇婧蛯嶓w特征的混合逆向建模方法的建模流程如圖1所示。

圖1　基于曲面和實體特征的混合逆向建模流程

目前，已有的逆向建模方法和應(yīng)用軟件的建模范圍比較狹窄，重構(gòu)模型的精度無法滿足下游的CAD/CAE要求，或?qū)χ貥?gòu)的CAD模型進(jìn)行再設(shè)計時不夠便捷?；谇婧蛯嶓w特征的混合逆向建模方法，為復(fù)雜產(chǎn)品的實體模型重構(gòu)提供了可靠的借鑒方案。

3　實例

本文將介紹應(yīng)用基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法，在逆向建模軟件Geomagic Studio和Geomagic Design Direct中重構(gòu)渦輪葉片實體模型的詳細(xì)建模流程[9]。

據(jù)統(tǒng)計，在我國每年都大約有600萬美元的渦輪葉片修復(fù)需求[10]。雖然已有國內(nèi)公司通過引進(jìn)國外公司的修復(fù)、再制造技術(shù)專利已在國內(nèi)開展葉片修復(fù)服務(wù)，但在技術(shù)上仍然受到一定限制，且費用昂貴。這種新的設(shè)計方法為復(fù)雜產(chǎn)品實物(如渦輪的葉輪)的CAD模型重構(gòu)提供了一個有效的途徑。對彌補國內(nèi)渦輪葉片修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)不足具有一定意義。

3.1網(wǎng)格面處理

通過手持式掃描儀獲取模型的表面點云數(shù)據(jù)，然后在Geomagic Studio中對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并封裝成網(wǎng)格面模型[11]。

本文所用的案例是渦輪發(fā)動機(jī)的葉輪模型，從其原始網(wǎng)格面數(shù)據(jù)(圖2a)可以看出，網(wǎng)格面模型的表面存在一些凹坑、數(shù)字、字母凸紋等，需對這些區(qū)域進(jìn)行光順處理。在Geomagic Studio的多邊形模塊下有豐富的網(wǎng)格面處理工具，經(jīng)過松弛、減少噪音、去除特征等工具處理后的網(wǎng)格面模型如圖2b所示。處理后的網(wǎng)格面模型經(jīng)網(wǎng)格面檢查工具檢測出不容易被肉眼發(fā)現(xiàn)的錯誤，如釘狀物、孔洞等錯誤網(wǎng)格面片，并修復(fù)后才可從網(wǎng)格面模型中擬合目標(biāo)曲面，否則曲面擬合時將出現(xiàn)錯誤曲面、誤差較大等情況。

(a) 處理前　　　　　　　　(b) 處理后

3.2擬合曲面

觀察該葉輪模型的葉片特征后可知其葉片分為大、小葉片兩種，而且它們均為陣列特征，共16片。因此，在擬合葉片的曲面特征時，只需擬合大、小葉片的各兩張曲面，其它葉片的曲面可在實體模型重構(gòu)時，應(yīng)用基于實體特征的逆向建模方法重構(gòu)出來。另外，葉輪中軸頂部的凹面不屬于球面和旋轉(zhuǎn)面，需應(yīng)用基于曲面的逆向建模方法擬合重構(gòu)。擬合曲面時，首先選擇相應(yīng)的網(wǎng)格面區(qū)域以確認(rèn)在所選區(qū)域擬合曲面，如圖3a中黃色輪廓線內(nèi)的網(wǎng)格面區(qū)域即為選定的曲面擬合區(qū)域，擬合得到的曲面如圖3b中藍(lán)色曲面所示。在Geomagic Studio中將擬合的葉片曲面存為iges格式的數(shù)據(jù)，處理后的葉輪網(wǎng)格面模型存為stl格式數(shù)據(jù)，用于在后續(xù)操作中分別導(dǎo)入Geomagic Design Direct中進(jìn)行基于實體特征的逆向建模。

(a) 選定擬合區(qū)域　　　　　(b) 曲面擬合結(jié)果

擬合復(fù)雜自由曲面后，應(yīng)用其偏差分析工具檢查擬合結(jié)果。若偏差過大，應(yīng)調(diào)整曲面的擬合參數(shù)和邊界，以獲取更佳的擬合結(jié)果。擬合曲面的偏差分析結(jié)果如圖4所示，其中，標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.015mm。

圖4　復(fù)雜自由曲面擬合結(jié)果的偏差分析

3.3提取實體特征

把處理后的葉輪網(wǎng)格面模型的stl格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Design Direct中。渦輪葉片模型的中間部分是旋轉(zhuǎn)體特征，由于模型上葉片特征過于扭曲，導(dǎo)致無法選中恰當(dāng)?shù)淖泳W(wǎng)格面區(qū)域以直接提取旋轉(zhuǎn)體特征。但選擇坐標(biāo)系中的基準(zhǔn)面作為截面以獲取旋轉(zhuǎn)體的截面線草圖、將z軸作為旋轉(zhuǎn)軸，如圖5a所示，同樣可以重構(gòu)得到旋轉(zhuǎn)體特征。對旋轉(zhuǎn)體的截面線草圖編輯處理后，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)工具重構(gòu)的旋轉(zhuǎn)體如圖5b所示。

(a) 旋轉(zhuǎn)體的截面線　　　　　　(b) 旋轉(zhuǎn)體

繼續(xù)導(dǎo)入葉片曲面iges格式的數(shù)據(jù)。大、小葉片的實體特征重構(gòu)都是應(yīng)用拉伸和布爾運算操作來實現(xiàn)的，重構(gòu)過程相同，以小葉片的構(gòu)造為例進(jìn)行介紹。首先選擇小葉片特征兩個曲面中的曲面1作為目標(biāo)曲面，再拉伸目標(biāo)曲面以生成實體，然后拉伸曲面2的邊界增大其范圍。最后，將拉伸目標(biāo)曲面得到的實體作為主對象、增大的曲面2作為刀具對象，經(jīng)布爾運算后構(gòu)造得到小葉片的實體特征。小葉片實體構(gòu)造的過程如圖6所示。

圖6　小葉片的實體重構(gòu)

3.4正向建模

各個實體特征重構(gòu)完成后，首先對構(gòu)造的葉片實體特征進(jìn)行陣列處理：將z軸作為陣列中心，陣列的個數(shù)為8，其中對大、小葉片進(jìn)行陣列操作的方法和數(shù)量一樣。然后對旋轉(zhuǎn)體特征、葉片實體陣列特征和曲面特征進(jìn)行布爾運算以重構(gòu)最終的實體模型，最后得到的渦輪葉片實體模型如圖7所示。

圖7　重構(gòu)的葉輪實體模型

將封裝得到的原始網(wǎng)格面模型光順處理后作為參考對象，以重構(gòu)的實體模型為測試對象進(jìn)行誤差分析進(jìn)行重構(gòu)葉輪精度評價。分析的結(jié)果如圖8所示，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.08mm。

圖8　實體模型的精度分析

4　結(jié)論

本文主要分析了基于曲面的逆向建模方法和基于實體特征的逆向建模方法的特點，并結(jié)合這兩種方法的優(yōu)勢，提出了基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法。這種混合逆向建模方法可以高精度的擬合出復(fù)雜自由曲面，同時能對實體特征進(jìn)行識別與提取，參數(shù)化再設(shè)計。該方法的提出對同時包含復(fù)雜自由曲面和規(guī)則實體特征產(chǎn)品實物的CAD模型重構(gòu)提供了一個可行的方法，為航空發(fā)動機(jī)葉輪的修復(fù)與模型重構(gòu)提出了一種新的思路。

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(編輯趙蓉)

Mixed Reverse Modeling Method Based on Surface and Entity Feature Research

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

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

At present, the reverse modeling method whose main purpose is to restore the original design intent and redesign is a hotspot of research direction in reverse engineering. Through analyzing and researching the reverse modeling methods based on surface and entity features, a kind of mixed reverse modeling method intergrated surface with entity features was put forward, and the process and application fields of the mixed reverse modeling method was also given. With the reverse modeling software Geomagic Studio and Geomagic Design Direct as platform, the feasibility and advantage of the mixed reverse modeling method is verified through typical example, which provided an effective solution for the reconstruction and redesign of the complex geometric model based on reverse engineering.

surface feature；entity feature；mixed modeling；reverse engineering

1001-2265(2016)04-0009-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.003

2015-06-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51105078)；廣東省科技計劃項目(2014A040401078，2013B061000006，2011A060901001)

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。

TH166;TG659

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