基于Geomagic Studio的沙灘車(chē)覆蓋件快速曲面重建

張宏偉

摘要：本文依據(jù)逆向工程軟件Geomgic Studio的基本工作流程，對(duì)沙灘車(chē)覆蓋件進(jìn)行了從點(diǎn)云到生成曲面的完整過(guò)程介紹。通過(guò)采用多邊形處理，編輯曲面片的方法，使得的沙灘車(chē)覆蓋件逆向曲面的平滑度得到了提高，形狀誤差減小，大大提高生產(chǎn)效率。

Abstract： This article introduces the complete process from point cloud to generating surface of ATV covering parts，which is based on the basic work flow of reverse engineering software Geomagic Studio.It is the adoption of the method of the polygon and surface polygon that improves the smoothness of the covering parts surfaces，reduce the form error and enhance productivity greatly.

關(guān)鍵詞：逆向工程;快速曲面重建;偏差分析

Key words： reverse engineering;rapid surfacing reconstruction;deviation analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0038-03

0? 引言

沙灘車(chē)覆蓋件的外形輪廓復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，采用傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、精度低、修改量大等缺陷。逆向設(shè)計(jì)正是解決上述問(wèn)題的重要手段，尤其適合復(fù)雜外形曲面的設(shè)計(jì)，具有設(shè)計(jì)速度快，質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

逆向工程重新制造零件產(chǎn)品包括兩方面的工作內(nèi)容：產(chǎn)品的數(shù)字化和曲面重建。其中曲面重建是整個(gè)過(guò)程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)。相較于同類(lèi)逆向軟件CATIA，Geomagic Studio以三角Bezier曲面和NURBS曲面兩種曲面重構(gòu)理論，可以自動(dòng)根據(jù)點(diǎn)云來(lái)構(gòu)建任意復(fù)雜的精確曲面模型，該軟件擁有效率高，曲面質(zhì)量好的特點(diǎn)這就是所謂的快速曲面重建。Geomagic Studio快速曲面重建的流程為：①點(diǎn)云預(yù)處理;②基于點(diǎn)云構(gòu)建三角曲面片;③對(duì)三角曲面片進(jìn)行多邊形處理;④對(duì)模型進(jìn)行曲面編輯得到最后的CAD模型。

1? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于三維掃描儀的自身掃描誤差，顯相劑噴涂均勻程度以及掃描環(huán)境等等原因，會(huì)產(chǎn)生一些壞點(diǎn)，比如體外點(diǎn)，噪音點(diǎn)以及產(chǎn)生點(diǎn)云重疊。對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，Geomagic Studio通過(guò)“選擇非連續(xù)項(xiàng)”、“選擇體外孤點(diǎn)”、“減少噪音”等工具進(jìn)行處理。很多大型的掃描件會(huì)有很多點(diǎn)云數(shù)據(jù)，會(huì)影響軟件處理速度，通過(guò)軟件中自帶的采樣工具來(lái)減少點(diǎn)云數(shù)量加快軟件的處理速度。Geomagic Studio中有四種采樣方式：統(tǒng)一采樣、曲率采樣、格柵采樣、隨機(jī)采樣。大部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)都采用統(tǒng)一采樣，如果點(diǎn)云曲率改變較多，可以調(diào)整曲率優(yōu)先的大小。

為了下一步集中進(jìn)行多邊形處理和曲面重構(gòu)，需把處理好的點(diǎn)云模型進(jìn)行拼接，再將經(jīng)過(guò)拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終進(jìn)行合并封裝處理。點(diǎn)云拼接如圖1所示。其中圖1（a）為固定件，圖1（b）為浮動(dòng)件，通過(guò)多點(diǎn)拼接工具選擇兩個(gè)部件的共同點(diǎn)即圖1（a）、圖1（b）中橢圓區(qū)，之后拼接得到圖1（c）拼接后的點(diǎn)云模型。把拼接好的點(diǎn)云模型進(jìn)行合并，分裝得到多邊形模型。

2? 多邊形處理

多邊形處理是把點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)軟件自身計(jì)算評(píng)估轉(zhuǎn)換成三角曲面片模型，方便快速曲面重建。在形成三角曲面片過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非流行邊、自相交、高度折射邊、尖狀物、小組件以及孔等曲面片問(wèn)題。這就需要對(duì)多邊形階段進(jìn)行相應(yīng)的編輯修改，這也正是確保平滑曲面的重要步驟之一。首先要進(jìn)行刪除重疊，非連接三角曲面片等處理，經(jīng)過(guò)軟件自動(dòng)處理后進(jìn)行就會(huì)出現(xiàn)壞孔，這時(shí)就需要通過(guò)軟件中的填充孔工具，利用整體填充、填充部分的、生成橋以及清理三角片等填充方法對(duì)壞孔進(jìn)行修補(bǔ)。如圖2所示。其中圖2（a）是經(jīng)過(guò)多邊形工具修整后的壞孔，圖2（b）為利用了整體填充的方式填充孔后的修補(bǔ)效果。其中整體填充使用去曲率變化較小的平面，而填充部分與生成橋兩種方法應(yīng)用去曲率變化大的情況。

填充孔之后要對(duì)三角曲面片進(jìn)行檢查，來(lái)觀察不平整或者曲面片嚴(yán)重失真的情況。再通過(guò)去除特征和砂化曲面片等工具進(jìn)行局部修整，如圖3、圖4所示。

圖3、圖4中的圖a均為不平整三角片，分別利用去除特征和砂化的效果得到了以上b圖修正后的結(jié)果，去除特征的方法是根據(jù)曲面周?chē)那首兓?，?lái)求該不平整特征適用于表面嚴(yán)重不平整，而砂化適用于曲面局部細(xì)化的修改。

修整好所有模型內(nèi)的三角平面，接著要進(jìn)行編輯邊界。由于掃描過(guò)后一般掃描模型的邊界都是不整齊的，需要我們手動(dòng)進(jìn)行編輯邊界，通過(guò)減少邊界控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及編輯張力大小來(lái)修整邊界，如圖5所示，其中圖a中的綠線為原始掃描不平整邊界，通過(guò)編輯修改邊界控制點(diǎn)可以得到圖b中平直的邊界。

當(dāng)三角曲面片修整滿意時(shí)，最后利用網(wǎng)格醫(yī)生對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的自相交、高度折射邊、尖狀物等問(wèn)題三角曲面片的檢測(cè)，最后要達(dá)到網(wǎng)格醫(yī)生分析欄中所有問(wèn)題均為0。

多邊形階段是整個(gè)快速曲面成形的質(zhì)量保證，需要通過(guò)其多邊形修補(bǔ)、平滑等以及邊界的編輯操作對(duì)其進(jìn)行精細(xì)修整，達(dá)到理想的三角曲面片模型。處理后對(duì)三角曲面片與原點(diǎn)云模型進(jìn)行誤差比較以便于偏差分析，如圖6所示。

其中偏差最大距離為0.668mm，平均距離為0.016mm。從數(shù)據(jù)上看誤差很小，滿足逆向設(shè)計(jì)要求。

3? 曲面重建

Geomagic Studio提供了兩種曲面重建的方法：形狀階段和制作階段。形狀階段是逆向思想的集中體現(xiàn)，盡可能的來(lái)反映掃描模型的原始數(shù)據(jù)，而制作階段則是逆向和正向的集合，方便于復(fù)雜模型的分區(qū)域擬合曲面（包括自由曲面與規(guī)則曲面），針對(duì)沙灘車(chē)覆蓋件曲面復(fù)雜精度要求不高，因而選擇使用形狀階段來(lái)擬合曲面，便可迅速地提高覆蓋件的逆向設(shè)計(jì)的效率。

進(jìn)入曲面重建的形狀階段后，首先對(duì)模型進(jìn)行探測(cè)輪廓線，如圖7所示。通過(guò)對(duì)曲面輪廓線的探測(cè)以獲得該模型的外形輪廓，其中通過(guò)調(diào)整曲率敏感性，分隔符敏感性以及最小區(qū)域來(lái)計(jì)算輪廓區(qū)域，手動(dòng)調(diào)整輪廓線區(qū)域，觀察模型實(shí)體描繪出模型輪廓區(qū)域，抽取輪廓線。之后細(xì)分延伸輪廓線，對(duì)輪廓線進(jìn)行必要的修改調(diào)整防止輪廓線形成自交，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)/約束。

開(kāi)始構(gòu)造曲面片，之后點(diǎn)擊修理曲面片，軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別有問(wèn)題曲面片如：相交路徑、較小的曲面片角度以及高度焦點(diǎn)。之后通過(guò)繪制曲面片、合并、松弛等工具來(lái)減少問(wèn)題曲面片。通過(guò)細(xì)微曲面片的調(diào)整后，最終通過(guò)修理曲面片來(lái)檢查錯(cuò)誤，通過(guò)走查工具來(lái)一個(gè)一個(gè)檢測(cè)問(wèn)題曲面片，分別接合不同的方法來(lái)修整曲面片。如圖8所示，圖8（a）為問(wèn)題曲面片網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)對(duì)相應(yīng)區(qū)域網(wǎng)格邊界的重新編輯得到圖8（b）修改后的曲面片網(wǎng)格，以保證無(wú)問(wèn)題曲面片出現(xiàn)。在修理曲面片中錯(cuò)誤數(shù)為零時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行構(gòu)造格柵命令，其中請(qǐng)保持修復(fù)相交曲面片和檢查幾何圖形，并最后擬合曲面，得到沙灘車(chē)覆蓋件的平滑曲面如圖9所示。從圖9中可以看出本次逆向設(shè)計(jì)的曲面質(zhì)量較好。

最后進(jìn)行處理后的曲面模型與原掃描的點(diǎn)云模型進(jìn)行3D偏差比較來(lái)進(jìn)行偏差分析評(píng)判其平順性，如圖10所示。其中可以看出平均偏差值為0.050mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.076mm。從偏差分析的數(shù)據(jù)可以看出，該重建曲面平均偏差較小，最后得到曲面模型已經(jīng)達(dá)到其進(jìn)度要求，通過(guò)編輯多邊形和編輯曲面片可以高效地得到質(zhì)量較好的曲面。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文接合Geomagic Studio對(duì)快速曲面建模的相關(guān)操作流程進(jìn)行了介紹分析。首先介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，之后通過(guò)實(shí)例具體對(duì)多邊形編輯和曲面編輯的方法應(yīng)用進(jìn)行了描述，并對(duì)兩次處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析。通過(guò)最后的偏差精度比較，看出了這種的逆向設(shè)計(jì)方法適合于這種外形輪廓復(fù)雜，精度要求較低的覆蓋件設(shè)計(jì)，大大提高了曲面重建的效率。

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