Geom agic design X境界擬合曲面的3D逆向建模及誤差分析

李潤，鄧龍

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)市場環(huán)境發(fā)生了巨大變化。一方面由于市場壁壘的淡化和打破，使制造商不得不著眼于全球市場的激烈競爭，產(chǎn)品快速研發(fā)、設(shè)計創(chuàng)新等技術(shù)成為全球競爭的第一要素；另一方面表現(xiàn)為消費者興趣的快速轉(zhuǎn)移和消費者需求的日益?zhèn)€性化、多元化和自主化。

3D打印逆向建模設(shè)計技術(shù)的崛起，為產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新和消化吸收國外先進技術(shù)提供了一種非常有效的手段。逆向設(shè)計則是根據(jù)已有的實物，通過激光掃描和點采集等手段，反向推實物的三維數(shù)據(jù)和空間幾何形狀，并通過相關(guān)專業(yè)設(shè)計軟件生成圖紙，用于生產(chǎn)制造的過程。

Geomagic Design X是一款可以讓用戶利用3D掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建完全參數(shù)化CAD模型的軟件，運用新開發(fā)的CAD建模技術(shù)完善了面片建模與NURBS曲面功能，并且提供了可以利用3D掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建參數(shù)化CAD模型的多種工具，解決了現(xiàn)存3D掃描數(shù)據(jù)的局限。本文將獲得的3D掃描面片數(shù)據(jù)點，運用Geomagic design X軟件對點云數(shù)據(jù)進行拼接和預(yù)處理，構(gòu)建3D曲線網(wǎng)格，通過境界擬合功能重建曲面,并利用精度分析Accuracy Analyzer（TM）檢查掃描數(shù)據(jù)和所創(chuàng)建的曲面之間的偏差，實現(xiàn)對逆向建模形成的NURBS曲面的誤差分析，完成逆向工程在曲面設(shè)計中的應(yīng)用初步研究[1]。

1 3D面片數(shù)據(jù)的預(yù)處理

為了提高面片的品質(zhì)，必須對面片進行編輯、修整、加強和優(yōu)化，選擇面片后，進入面片模式，可以對面片進行缺陷檢測和修復(fù)。

1.1 導(dǎo)入掃描數(shù)據(jù)

首先導(dǎo)入光柵式三維掃描儀獲取的曲面點云數(shù)據(jù)，如圖1所示。從圖中可以看到，面片數(shù)據(jù)有許多孔洞和缺陷，需進一步預(yù)處理。

1.2 填補孔洞

圖1 3D掃描面片數(shù)據(jù)

穴填補命令具備改善邊界或者刪除邊界特征形狀的高級編輯功能，主要根據(jù)面片的特征形狀手動使用單元面填補缺失的孔洞。對于小并且封閉的孔洞，直接用穴填補命令的境界可以完成，如圖2（a）所示。但對于面片數(shù)據(jù)上開口的大孔洞，需用橋接的方法創(chuàng)建橋，然后進行填補，如圖2（b）所示。檢查穴填補是否完畢，在軟件右下方的基準幾何形狀模塊下的境界數(shù)如果為1，則說明整個面片數(shù)據(jù)只有下方一個平面為穴，已無其它穴；如果境界數(shù)大于1，需要查看數(shù)據(jù)的其它穴并進行填補。

圖2 填補孔洞

1.3 減少單元面的數(shù)量

如果面片的單元數(shù)太多，處理時速度非常慢，并占據(jù)內(nèi)存，故在不改變面片整體形狀的情況下減少單元面的數(shù)量。使用F8快捷鍵使單元面以網(wǎng)格的形式顯示，運行消減命令，將消減率設(shè)置為50%。使用F7快捷鍵，顯示渲染的面片，結(jié)果如圖 3 所示[2，3]。

1.4 編輯境界

圖3 消減面片數(shù)量

用編輯境界命令，加強面片的境界。在彈出的編輯境界對話框中，將方法設(shè)置為平滑，選擇面片的外部境界，在詳細設(shè)置下，將平滑度調(diào)整到中間，結(jié)果如圖4所示。

圖4 編輯境界

1.5 優(yōu)化面片

為了提高面片的品質(zhì)，使用面片優(yōu)化命令，選擇單元頂點的平均一體化選項。該選項可以調(diào)整并重新創(chuàng)建標準化的單元面，最后通過修補精靈，檢索面片上有缺陷的單元面，應(yīng)用程序?qū)⒆詣臃治鰡卧妫⒃谀Ｐ鸵晥D中用不同的顏色顯示檢索到的缺陷單元面數(shù)量并進行修補，結(jié)果如圖5所示。

圖5 面片優(yōu)化

2 創(chuàng)建曲線網(wǎng)格

3D面片草圖可根據(jù)點云或面片來繪制和編輯3D曲線網(wǎng)格。無論何時繪制或編輯曲線，曲線會投影到點云或面片上，創(chuàng)建的曲線網(wǎng)格可應(yīng)用于創(chuàng)建境界擬合曲面。

2.1 提取境界曲線

用面片工具欄中的境界命令，從面片境界上提取草圖曲線，并選擇“偏移”選項，將曲線偏移1 mm，完成面片邊緣曲線的提取，對不規(guī)則部分進行修改，如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建境界曲線

2.2 繪制特征曲線

用“繪制特征線”命令，在面片上提取高曲率區(qū)域的曲線。點擊“基準單元點”按鈕，在高曲率區(qū)域選擇一個位置，應(yīng)用程序?qū)@示一條預(yù)覽曲線，將“平滑度”滑塊移至最大，創(chuàng)建一條平滑的曲線，在預(yù)覽曲線上選擇兩個點來分割預(yù)覽曲線，創(chuàng)建一體曲線。使用相同的方法，在曲面的另一側(cè)創(chuàng)建一條曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 創(chuàng)建特征曲線

2.2.1 編輯曲線

點擊并拖動曲線的端點，將其移至其他曲線上，連接在一起，按住“Shift”鍵選擇曲線，在重建工具面板中，將插入點數(shù)設(shè)置為30，然后點擊“OK”按鈕，將在面片上以指定節(jié)點數(shù)重新創(chuàng)建曲線，如圖8所示。用同樣的方法對另一條曲線運行編輯命令。最后，選擇外部邊界曲線，將插入點數(shù)設(shè)置為100，完成創(chuàng)建曲線的編輯。

圖8 編輯曲線

2.3 創(chuàng)建樣條曲線

應(yīng)用工具欄上的樣條曲線命令，在面片上手動繪制一條樣條曲線。完成了樣條曲線的繪制，在端點單擊鼠標左鍵或是雙擊鼠標左鍵即可結(jié)束樣條曲線命令。使用相同的方法，在另一側(cè)也創(chuàng)建一條樣條曲線。在繪制樣條曲線時，打開“在單元曲面上捕捉”選項，應(yīng)用程序?qū)@示一個點圈，有助于沿曲率區(qū)域繪制樣條曲線，在繪制樣條時，將自動在點圈上進行捕捉，如圖9所示。

圖9 繪制樣條曲線

2.4 創(chuàng)建斷面草圖曲線

應(yīng)用工具欄上的“斷面”命令，創(chuàng)建面片的斷面曲線。選擇繪制畫面上的線選項，在屏幕上通過繪制直線來創(chuàng)建斷面曲線，對齊視點，在屏幕上繪制直線，點擊“OK”按鈕，運行結(jié)果如圖10所示。

圖10 創(chuàng)建斷面曲線

2.4 連接所有曲線，構(gòu)建曲線網(wǎng)格

按Ctrl+A，選擇所有曲線，點擊結(jié)合工具面板上的“OK”按鈕，連接所有草圖曲線，模型的邊界周圍仍有一些曲線的端點，應(yīng)用工具欄上的剪切命令，選擇剪切曲線選項，在屏幕上拖動鼠標選擇所有曲線，將分配率設(shè)置為25%，點擊“OK”按鈕。確認所有草圖已構(gòu)建為草圖環(huán)，點擊模型視圖右下角的“確認”按鈕，退出3D面片草圖模式[4]。

3 創(chuàng)建境界擬合曲面

境界擬合是通過3D面片草圖模式里的3D樣條曲線網(wǎng)格定義境界，根據(jù)面片運用擬合運算來創(chuàng)建曲面。

3.1 創(chuàng)建境界擬合曲面

應(yīng)用工具欄上的境界擬合命令，利用構(gòu)建的曲線網(wǎng)格創(chuàng)建境界擬合曲面。在特征樹中選擇3D草圖1（面片）作為面片曲線，點擊“曲線環(huán)”按鈕，從曲線環(huán)列表中選擇“刪除外側(cè)環(huán)”，點擊“下一步”按鈕，將U/V控制點數(shù)設(shè)置為15，定義的控制點將用于在U/V方向上構(gòu)建曲面補丁。設(shè)置U、V方向上的控制點數(shù)，可以控制擬合曲面的分率。如果將控制點數(shù)設(shè)置為很大的數(shù)值，偏差會很小，但是平滑度也會低。

將平滑度設(shè)置為最大，創(chuàng)建平滑的曲面補丁，盡管可能會在面片和創(chuàng)建的曲面之間產(chǎn)生偏差，但是可以使用平滑度選項創(chuàng)建高品質(zhì)平滑曲面體。如果構(gòu)建曲面補丁的境界沒有四條邊線，那么這些曲面將顯示為灰色，并且被構(gòu)建為有缺陷的曲面補丁。隱藏掃描面片數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖11所示[5]。

圖11 境界擬合曲面

4 檢查結(jié)果

利用Geomagic design X中曲面偏差分析(Accuracy Analyzer)，對生成的曲面進行誤差分析，將生成的NURBS曲面與原始點云數(shù)據(jù)進行偏差分析，得到偏差色譜圖如圖12所示。通過對比分析，得到曲面最大上偏差為0.1272 mm，最大下偏差為-0.1272 mm，平均偏差為0.1 mm，標準偏差為0.0272mm。從圖中可以看出面片整體上處于平均偏差內(nèi)，滿足精度要求，極少較大偏差出現(xiàn)在在面片兩端。

圖12 誤差分析

為了分析曲面流線性的品質(zhì)高低，通過環(huán)境寫像選項，在創(chuàng)建的曲面體上顯示條紋圖譜，從圖像可以看出，曲面的流線性好，沒有流線突然集中或扭曲，滿足設(shè)計要求，如圖13所示[6]。

圖13 圖形流線性分析

5 結(jié)語

利用非接觸式光學(xué)掃描儀和Geomagic design X逆向軟件對3D掃描面片進行了逆向建模，得到面片的三維曲面模型。通過與原始的3D數(shù)據(jù)進行偏差分析，可以發(fā)現(xiàn)平均偏差為0.1 mm，標準偏差為0.0272 mm，滿足精度要求。驗證了Geomagic逆向軟件對于構(gòu)建復(fù)雜NURBS曲面和解決正向設(shè)計在復(fù)雜曲面中缺陷的可行性。文中采用的研究方法，能夠快速、高效完成實物建模和分析，可以為逆向研究及Geomagic的應(yīng)用提供有價值的參考。