基于曲面和實(shí)體特征的混合逆向建模方法探索

摘 要：針對目前已有工業(yè)產(chǎn)品重構(gòu)建模研究實(shí)踐過程存在的缺陷，研究人員以實(shí)際復(fù)雜產(chǎn)品重構(gòu)過程為例，分析了曲面與實(shí)體特征混合逆向建模方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，并針對逆向建模方法運(yùn)用問題提出了混合方法運(yùn)用的對策。結(jié)果表明，當(dāng)將基于曲面與實(shí)體特征的逆向建模方法混合運(yùn)用后，不僅降低了工業(yè)產(chǎn)品修復(fù)的造價(jià)成本，還能大幅提升工業(yè)產(chǎn)品重構(gòu)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：曲面；實(shí)體特征；混合逆向建模方法；渦輪葉片

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.208

0 引言

當(dāng)前工業(yè)發(fā)展在產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)備修復(fù)工作開展所消耗的成本巨大，為改善這一現(xiàn)狀，研究人員應(yīng)將現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)成果充分運(yùn)用。對已有產(chǎn)品建模方法運(yùn)用的問題情況進(jìn)行分析，并將現(xiàn)有的逆向建模方法運(yùn)用于實(shí)際建模重構(gòu)工作的開展，即對混合逆向建模方法的運(yùn)用進(jìn)行控制，以提高產(chǎn)品重構(gòu)的精度。如此，我國工業(yè)發(fā)展就不會(huì)受到產(chǎn)品修復(fù)成本高昂所造成的阻礙，進(jìn)而使行業(yè)以更趨快速、穩(wěn)定的狀態(tài)服務(wù)于現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全面發(fā)展。

1 研究曲面和實(shí)體特征混合逆向建模方法的現(xiàn)實(shí)意義

當(dāng)前階段，逆向工程建設(shè)過程運(yùn)用的模型重構(gòu)技術(shù)，主要解決產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量效果的控制問題、再制造問題以及重構(gòu)模型的修改設(shè)計(jì)問題。具體的技術(shù)運(yùn)用過程，就是將三維數(shù)字化測量設(shè)備作為控制工具，如光學(xué)測量儀與三坐標(biāo)測量儀，來快速準(zhǔn)確的獲取產(chǎn)品表面三維數(shù)據(jù)信息。如此，就可將其作用于逆向建模軟件，來對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品CAD模型的重建。在對已有產(chǎn)品進(jìn)行逆向建模的過程中，面向曲面，其復(fù)雜自由曲面的擬合功能具有無法替代的優(yōu)勢；面向?qū)嶓w特征，其對規(guī)則幾何特征的提取、識(shí)別以及再設(shè)計(jì)優(yōu)勢，均能為復(fù)雜、多種類特征的產(chǎn)品進(jìn)行重構(gòu)。為此，相關(guān)人員應(yīng)加大上述兩種逆向建模方法的應(yīng)用研究力度，即將現(xiàn)有曲面與實(shí)體特征的逆向建模方法混合起來，以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)作用優(yōu)勢的最大化目標(biāo)[1]。

2 曲面和實(shí)體特征混合逆向建模方法的應(yīng)用現(xiàn)狀

為進(jìn)一步提升工業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展步伐，產(chǎn)品重構(gòu)模型的構(gòu)建，需將自由曲面更為簡單規(guī)則作為科研方向[2]。對于復(fù)雜的已有產(chǎn)品，應(yīng)在簡單規(guī)則化后，采用布爾運(yùn)算方法將已有產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為實(shí)體。經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，從已有產(chǎn)品重構(gòu)特征出發(fā)對已有工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行重構(gòu)建模研究的成果有兩種，即曲面與實(shí)體特征。其中曲面主要用于復(fù)雜產(chǎn)品的重構(gòu)，實(shí)體特征，則用于規(guī)則工業(yè)產(chǎn)品的重構(gòu)建模。該方法運(yùn)用過程為，先對已有產(chǎn)品情況進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集獲取，經(jīng)預(yù)處理后，就可采用建模方法生成三角多邊形的網(wǎng)格模型。這里的建模方法是指封裝處理。如此，就可根據(jù)不同網(wǎng)格面區(qū)域包含的集合曲面特征，來對網(wǎng)格進(jìn)行劃分。當(dāng)已有產(chǎn)品重構(gòu)模型構(gòu)建人員進(jìn)行到此步后，就能以人機(jī)交互方式，來制定各個(gè)網(wǎng)格面曲面特征與子網(wǎng)格面區(qū)域的連接類型，并通過擬合，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品曲面特征的重構(gòu)。為提高重構(gòu)建模結(jié)果獲取的準(zhǔn)確性，研究人員還要對幾何曲面的裁剪縫合操作進(jìn)行曲面模型重構(gòu)[3]。

當(dāng)上述產(chǎn)品建模重構(gòu)方法運(yùn)用于實(shí)踐，模型就能以自動(dòng)化擬合狀態(tài)，掌握工業(yè)產(chǎn)品高精度的曲面數(shù)據(jù)信息。但在實(shí)踐運(yùn)用過程，要想將模型轉(zhuǎn)換至正向建模軟件中，就要經(jīng)過裁剪縫合與再設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)建?？刂颇繕?biāo)。故，采用基于實(shí)體特征的逆向建模方法，即在預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，將封裝獲得的三角多邊形網(wǎng)格模型進(jìn)行二維輪廓曲線的實(shí)體特征獲取，繼而得到相應(yīng)的實(shí)體特征。為得到最終的實(shí)體模型，還應(yīng)對重構(gòu)獲得的多個(gè)實(shí)體特征進(jìn)行布爾運(yùn)算與倒角控制。

值得注意的是，已有產(chǎn)品重構(gòu)逆向建模方法應(yīng)用人員，還能從網(wǎng)格面的模型入手，來識(shí)別提取產(chǎn)品的實(shí)體特征數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而經(jīng)直接編輯來修改實(shí)體特征進(jìn)行實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)的目標(biāo)。但實(shí)際運(yùn)用重構(gòu)過程僅能作用于規(guī)則的實(shí)體特征，為解決改善這一問題現(xiàn)狀，需將不同的建模方法利用起來，以使其優(yōu)勢更好地運(yùn)用于復(fù)雜模型的逆向重構(gòu)研究[4]。

將基于曲面與基于實(shí)體特征的兩種建模方法混合運(yùn)用思路是，對已有產(chǎn)品的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與預(yù)處理，并在獲得三角多變的網(wǎng)格模型后，對其進(jìn)行精簡處理，以使其表面的質(zhì)量效果更趨效用。此后，就可在軟件平臺(tái)上，對處理后的網(wǎng)格面模型進(jìn)行產(chǎn)品曲面特征與實(shí)體特征的擬合。如圖1所示，為基于曲面與實(shí)體特征的混合逆向建模流程示意圖。

但就目前來說，混合逆向建模方法的運(yùn)用軟件市場環(huán)境局限性較大，即無法滿足重構(gòu)模型進(jìn)度的要求，因此，降低了產(chǎn)品重構(gòu)對CAD模型的再設(shè)計(jì)工作開展的便捷性。因此，相關(guān)人員應(yīng)將其進(jìn)行優(yōu)化研究，以提高工業(yè)發(fā)展的快速穩(wěn)定效果[5]。

3 曲面和實(shí)體特征混合逆向建模方法的應(yīng)用實(shí)例分析

以在逆向建模軟件Geomagic Design Direct與Geomagic Studio中運(yùn)用曲面與實(shí)體特征的混合逆向建模方法為例，具體的重構(gòu)產(chǎn)品為渦輪葉片。

據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，要想滿足我國渦輪葉片的修復(fù)需求，須消耗600萬美元的成本，才能保證各行各業(yè)渦輪葉片設(shè)備運(yùn)行使用的安全可靠效果。為此，相關(guān)人員拓展了該復(fù)雜產(chǎn)品實(shí)物的CAD模型重構(gòu)研究，以降低渦輪葉片使用的造價(jià)成本。

3.1 網(wǎng)格面的處理

對于模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，需采用手持式掃描儀，并利用Geomagic Studio軟件平臺(tái)，預(yù)處理已有工業(yè)產(chǎn)品特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繼而通過封裝生成產(chǎn)品重構(gòu)的網(wǎng)格面模型。印建模重構(gòu)的已有工業(yè)產(chǎn)品渦輪葉片，是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪模型，因而，獲取網(wǎng)格面模型的原始數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致其表面出現(xiàn)了數(shù)字、凹凸紋等問題。故，混合逆向建模方法運(yùn)用人員還需對問題區(qū)域進(jìn)行光順優(yōu)化處理。此外，在多邊形網(wǎng)格面模型的情況下，相關(guān)人員還要對網(wǎng)格面的處理工具進(jìn)行豐富控制，即通過松弛、降噪與去除特征處理來保證三角多邊形網(wǎng)格面模型重構(gòu)建模的控制效果。對于網(wǎng)格面模型的處理，還要運(yùn)用網(wǎng)格面檢查工具找出釘狀物或是孔洞不易被發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)格面片，并通過修復(fù)處理，來提高目標(biāo)曲面擬合的質(zhì)量效果。與此同時(shí)，網(wǎng)格面片的修復(fù)處理，還能控制曲面擬合的錯(cuò)誤問題，進(jìn)而提高產(chǎn)品混合逆向建模方法運(yùn)用的效果價(jià)值[6]。

3.2 曲面擬合控制

在觀察葉輪模型的葉片特征后，就可根據(jù)葉片的具體情況，將其分為兩種，即大葉片與小葉片，并確定其均呈陣列特征。此特征背景下，相關(guān)人員在擬合葉片的曲面特征時(shí)，只需取大小葉片兩張曲面進(jìn)行實(shí)體模型的重構(gòu)，以使16片葉片的實(shí)體特征均能通過逆向建模方法重構(gòu)出來。此外，由于葉輪中軸頂部的凹面不屬于旋轉(zhuǎn)面和球面，因此，相關(guān)人員應(yīng)采用曲面逆向建模方法來進(jìn)行擬合重構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)格面模型作用于Geomagic Studio軟件時(shí)，需將擬合葉片的曲面存為iges格式數(shù)據(jù)，并把處理后的葉輪網(wǎng)格面模型存為stl格式的數(shù)據(jù)，以為后續(xù)Geomagic Design Direct建模軟件的導(dǎo)入操作提供便利。對于偏差過大的問題，應(yīng)調(diào)整曲面的邊界與擬合參數(shù)，來獲取滿足標(biāo)準(zhǔn)偏差值要求，0.015mm的擬合結(jié)果[7]。

3.3 實(shí)體特征的提取

建模研究人員需將坐標(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，并將z軸作為旋轉(zhuǎn)軸。以此，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)葉片旋轉(zhuǎn)體特征的重構(gòu)。在處理完旋轉(zhuǎn)體截面線草圖后，應(yīng)運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具，來對旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行重構(gòu)。而后，還要繼續(xù)導(dǎo)入葉片曲面的數(shù)據(jù)信息，并通過布爾運(yùn)算與拉伸操作，來實(shí)現(xiàn)實(shí)體特征的重構(gòu)。以小葉片的構(gòu)造重構(gòu)過程為例，先要選擇兩個(gè)曲面特征的其中一個(gè)曲面，作為目標(biāo)曲面，再通過目標(biāo)曲面的拉伸，來生成實(shí)體。此后，還要對剩余的一個(gè)曲面進(jìn)行拉伸，以增加其邊界的范圍。如此，經(jīng)過布爾運(yùn)算后，就可獲得的小葉片實(shí)體特征。

3.4 正向建模

當(dāng)渦輪葉片的各個(gè)實(shí)體特征重構(gòu)完成后，先要對構(gòu)造的葉片實(shí)體特征進(jìn)行陣列處理，即將z軸作為陣列中心，并把陣列的個(gè)數(shù)確定為8。由于大小葉片的陣列操作數(shù)量與方法一致，因此，研究人員可將旋轉(zhuǎn)體特征與特片實(shí)體的陣列特征進(jìn)行運(yùn)算，以獲得最終的實(shí)體模型重構(gòu)結(jié)果。值得注意的是，封裝所得的網(wǎng)格面模型，需經(jīng)過光順的質(zhì)量效果優(yōu)化控制，并將其作為參考對象，以對產(chǎn)品重構(gòu)的實(shí)體模型進(jìn)行準(zhǔn)確性測試，進(jìn)而在重構(gòu)精度效果控制的情況下，強(qiáng)化混合逆向建模方法運(yùn)用的效果價(jià)值[8]。

4 結(jié)束語

綜上所述，曲面與實(shí)體特征的混合逆向建模方法運(yùn)用，需在掌握重構(gòu)產(chǎn)品特征的情況下，通過軟件將獲取的特征信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以保證產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)重構(gòu)的精確性。事實(shí)證明，只有這樣，才能將復(fù)雜的已有產(chǎn)品，以高精確狀態(tài)進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)而降低產(chǎn)品修復(fù)所消耗的成本。為此，工業(yè)產(chǎn)品模型重構(gòu)研究人員應(yīng)將上述分析內(nèi)容與分析結(jié)果運(yùn)用于各類復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)備，以在降低修復(fù)成本消耗的同時(shí)，將產(chǎn)品運(yùn)行使用的效果價(jià)值充分發(fā)揮出來。

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作者簡介：沈羽（1984-），河南平頂山人，碩士，講師，主要從事CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)方面的教學(xué)與研究。