基于逆向工程曲面構(gòu)建與曲面光順技術(shù)研究

摘 要：曲面的建構(gòu)和光順均為逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，其實現(xiàn)質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響到工程的實際效果。針對目前逆向工程進行曲面構(gòu)建與曲面光順技術(shù)應(yīng)用過程存在的問題，本文從實踐角度出發(fā)，分析了逆向工程曲面構(gòu)建過程與方法，并提出了曲面光順技術(shù)的運用控制策略，其目的是為設(shè)計者提供準確的數(shù)據(jù)采集和理論依據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)。依據(jù)樣件模型的外形特征，對曲面的構(gòu)建方法與光順控制技術(shù)運用進行調(diào)整，以達到預(yù)期。

關(guān)鍵詞：逆向工程；曲面構(gòu)建；曲面光順技術(shù)；點云數(shù)據(jù)；光順度

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0377-02

引 言

逆向工程技術(shù)是通過一定的測量手段獲取到三維實體的測量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構(gòu)CAD模型，在CAD模型分析的基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品設(shè)計和制造的技術(shù)。隨著計算機技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于數(shù)據(jù)測量的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對象。實踐中數(shù)據(jù)的采集和處理中是最主要的影響因素，根據(jù)數(shù)據(jù)采集構(gòu)建的曲面在光順性和一致性方面往往不能達到后續(xù)加工的要求，因此必須對構(gòu)建的曲面進行曲面光順處理。曲面光順技術(shù)是逆向工程在實際應(yīng)用中非常重要的一步，它的最終目標是實現(xiàn)模型與實際物體的一致表達，同時還要考慮到對曲面的細節(jié)信息進行保持，光順結(jié)果的好壞將直接影響著逆向工程的最后結(jié)果，因此，進行曲面光順的研究具有重要的意義。

1 研究逆向工程曲面構(gòu)建與曲面光順技術(shù)的現(xiàn)實意義

作為逆向工程中計算機輔助幾何設(shè)計與計算機圖形學(xué)的關(guān)鍵，曲面構(gòu)建，其隨著經(jīng)濟發(fā)展環(huán)境的變化，對曲線曲面提出的新的要求。此背景下，多種曲面造型技術(shù)被研發(fā)出來，并在實踐中朝著越來越成熟的方向發(fā)展。然而，在逆向工程中曲面模型的重構(gòu)，以其工作難度大、涉及內(nèi)容復(fù)雜，被視為最繁雜與最重要的環(huán)境。具體來說，在完成模型加工后，還要考慮平滑曲面模型或是良好點群所帶來的三角網(wǎng)絡(luò)。這就意味著逆向工程建設(shè)人員還要對點群數(shù)據(jù)進行處理，進而保證曲面構(gòu)建方式與邊修分析功能的效果價值。為此，相關(guān)人員應(yīng)對所構(gòu)建的模型有個全面的掌控，即對逆向工程的曲面構(gòu)建過程與方法進行分析，進而使自由曲面光順度達到預(yù)期要求[1]。

2 逆向工程的曲面構(gòu)建過程與方法

以某逆向工程建模應(yīng)用CATIA軟件為例，其主要利用工具模塊對測量的數(shù)據(jù)信息進行零部件的重構(gòu)。此過程，共涉及三個曲面構(gòu)建步驟，即數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云數(shù)據(jù)分割以及曲面擬合重構(gòu)。

（1）測量數(shù)據(jù)信息的預(yù)處理，先要將掃描獲得的零件以外多余點進行清除，并通過去除壞點、補充缺點以及去除數(shù)據(jù)縫合重迭冗余數(shù)據(jù)來控制測量誤差。這里的誤差是指，平均值濾波以及數(shù)據(jù)濾波。此外，由于掃描過程中的掃描系統(tǒng)存在一個有效作用范圍，因此，一旦有物體涉及該范圍就會被納入到掃描結(jié)果。為此，CATIA軟件應(yīng)利用Remove工具，將多余的點云進行刪除僅留下與零件相關(guān)的點云。為使點云在曲面構(gòu)建過程中呈現(xiàn)出實體效果，相關(guān)人員應(yīng)利用網(wǎng)格化工具（Mesh Creation）來進行點云的網(wǎng)格化建設(shè)，繼而為后續(xù)的處理提供便捷條件。對于平滑處理，則是在點云網(wǎng)格化的條件下利用（Mesh Smoothing）工具來調(diào)整拉桿選取的平滑度，繼而使拉桿的平滑效果達到預(yù)期。值得注意的是，平滑值不應(yīng)過大，否則，會導(dǎo)致曲面上的一些細微特征丟失，繼而降低曲面構(gòu)建的完整性[2]。

（2）分割點云數(shù)據(jù)，由于被測物體難以用一個曲面模型進行表示，因此，需對點云數(shù)據(jù)進行分塊以形成多個曲面模型。當曲面片之間的光滑過渡，才能對物體進行模型重構(gòu)，以實現(xiàn)減少計算量、精度控制以及便于修改等目標。此過程，面片劃分的質(zhì)量，不僅決定了數(shù)據(jù)處理的便捷性，還能控制曲面的最終精度。

具體的分割工作，要保證數(shù)據(jù)塊凹凸性的一致性，以提高曲面重構(gòu)的時態(tài)性。分割過程，還應(yīng)按照曲率法、散亂數(shù)據(jù)來強化分割質(zhì)量。在運用CATIA軟件時，應(yīng)使一個平面與零件進行相交以獲得交線，或者對空間中的交線曲率進行調(diào)整，以使其能夠以精準狀態(tài)劃分至不同曲面。相關(guān)人員還應(yīng)根據(jù)需求對交線的數(shù)量進行調(diào)整，以使零件在劃分擬合后能夠達到最佳的精確度與效果。值得注意的是，在調(diào)整交線的過程中，還應(yīng)將曲面的擬合過程作為重點，以保證擬合曲面與實際零件的貼合程度。

（3）曲面的擬合重構(gòu)，可劃分為兩種，即代數(shù)法進行車身曲面的重構(gòu)，顧名思義，就是運用代數(shù)法來描述曲面的形體進行控制其作用于實踐的局限性。另一種是參數(shù)法曲面重構(gòu)，其可作用于曲面約束、跨界的連續(xù)性控制，主要運用于局部控制。當曲面擬合完成后，就可直接通過曲面的聯(lián)合與加厚獲得實體。由此，實體會存在一定程度的質(zhì)量缺陷。究其原因，是逆向設(shè)計零件模型與理想模型的誤差和數(shù)據(jù)采集與實物原形之間的誤差，技術(shù)人員應(yīng)對其進行必要的調(diào)整，以降低曲面構(gòu)建可能帶來的不合理影響[3]。

3 逆向工程曲面光順技術(shù)的運用控制策略

對于自由曲面光順度的評價，在采用曲面表示方法與擬合算法后，并不意味著一定會完成高質(zhì)量曲面模型的重構(gòu)。這是因為，曲面模型要達到曲面性能與精度兩種性能要求。然而，曲面模型在多數(shù)情況下是由多張曲面組成的，因此，曲面性能包含單張曲面性能與曲面連續(xù)性兩層含義。其中單張曲面的性能是指，可加工性、光順性、氣體動力學(xué)性能以及易操作性等。對于自由曲面來說，技術(shù)人員還應(yīng)控制好其光滑性，即其局部不存在皺折起伏、不正確的曲率特性以及平點等。而曲面之間的連續(xù)性，應(yīng)將位置連續(xù)性、曲率連續(xù)性以及切線連續(xù)性作為控制重點。由此可以看出，曲面重構(gòu)還應(yīng)保證單張曲面性能與曲面之間的連續(xù)性，才能最大限度的保證曲面模型的整體性能。

在具體的應(yīng)用實踐過程中，因未采用合理重構(gòu)方法而導(dǎo)致保證曲面模型整體性能的情況，主要集中在以下兩點，技術(shù)人員應(yīng)對其進行全面的掌控，進而采取具有針對性的措施方法進行優(yōu)化控制。

一方面，點云數(shù)據(jù)具有復(fù)雜特征，因此，技術(shù)人員應(yīng)對其進行直接擬合。此情況下，不僅會增加NURBS曲面表面與擬合算法處理的難度，還會大幅增加運算的時間。再加上，曲面不同特征間結(jié)合部位的誤差較大，曲面節(jié)點多以過多過密狀態(tài)存在，故而，并不能保證操作的便捷性。

另一方面，為保證曲面模型作用的局部性能，技術(shù)人員需對點云的關(guān)鍵部位進行曲面擬合，即采用Merge與圓角方式進行過渡。由于過渡曲面是由原曲面的邊界部位性質(zhì)決定的，因此，無法根據(jù)點云的擬合來保證模擬的精度效果。如此，擬合后的形狀就無法得到有效控制，容易出現(xiàn)畸變問題。

在運用曲面光順度的過程中，因擬合曲面并不限定邊界，因此擬合后的曲面剪裁應(yīng)將實現(xiàn)曲面邊界作為目標。對于擬合曲面過程存在不限定邊界的情況，確定空間點對應(yīng)的參數(shù)域坐標值時就會非誠靈活，容易控制曲面在原點云區(qū)域內(nèi)部的性質(zhì)，進而使單張曲面的性能達到預(yù)期。但因裁剪曲面在數(shù)學(xué)表示上僅用曲線來進行限定，所以，平移、圓角以及延伸等操作易受到限制。再加上，曲面邊界表示的一致性不高，所以，曲面無法避免小縫隙的影響，即無法滿足快速原型對實體模型的要求。故而，技術(shù)人員應(yīng)對其進行復(fù)雜的特殊處理。值得注意的是，為保證曲面之間的連續(xù)性，技術(shù)人員應(yīng)對曲面做出的改動進行控制，以避免會對曲面性能與精度造成影響[4]。

4 結(jié)束語

綜上所述，逆向工程的曲面構(gòu)建與曲面光順技術(shù)的運用，需從實踐角度出發(fā)，即在明確曲面構(gòu)建模型目標的情況下，采用CATIA軟件對曲面模型構(gòu)建的精度與測量質(zhì)量進行調(diào)整。如，CATIA軟件應(yīng)利用Remove工具，將多余的點云進行刪除僅留下與零件相關(guān)的點云。為使點云在曲面構(gòu)建過程中呈現(xiàn)出實體效果，相關(guān)人員應(yīng)利用網(wǎng)格化工具（Mesh Creation）來進行點云的網(wǎng)格化建設(shè)，繼而為后續(xù)的處理提供便捷條件。事實證明，只有這樣，才能將最具效用的曲面構(gòu)建方法與曲面光順技術(shù)作用于實踐，進而推動汽車生產(chǎn)行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展進程。

參考文獻

[1]吳 駿.汽車車身A級曲面光順關(guān)鍵技術(shù)的思考[J].南方農(nóng)機，2017，48（20）：99.

[2]王興晨，路春光，趙 震，于玉真，劉佳鑫.基于CATIA二次開發(fā)的逆向工程曲面重構(gòu)方法研究[J].機床與液壓，2017，45（19）：84～88.

[3]趙璐芳，成思源，張湘?zhèn)?，楊雪榮.逆向工程曲面模型輔助特征提取技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2012（04）：6～9.

[4]張 晨.基于逆向工程的C級車覆蓋件復(fù)雜模具模面補償關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2016.

收稿日期：2018-9-1

作者簡介：莫小鳳（1986-），女，壯族，廣西百色人，講師，研究生，從事教師工作。