曲面的正逆混合建模技术应用研究

张燕翔

（广州市交通高级技工学校，广东 广州510006）

曲面的正逆混合建模技术应用研究

张燕翔

（广州市交通高级技工学校，广东 广州510006）

根据产品再设计的需求，对曲面类产品的正、逆向结合建模方法进行了研究。首先，使用Geomagic Studio软件获取模型重建所需曲线。然后，利用Geomagic Studio软件的参数转换功能，将上述曲线导入Solidworks软件中，并在Solidworks软件中把逆向所得曲线进行曲面正向建模，获得可进行后期调整和更改、符合产品再设计要求的CAD模型。

逆向工程；正逆结合；曲面建模；Geomagic Studio

0 前言

许多常见的产品都具有带曲面的外壳，如飞机、汽车、家用电器、玩具等，这些产品的外观设计显得特别重要。为方便评价其美学效果，产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计，而是由设计师利用油泥、木头等材料进行模型制作，对这些实体模型反复修改达到满意的效果。然后再利用逆向工程技术重建产品数字化模型，用于产品下一步的制造。因此，逆向工程技术在此类产品的快速开发中显得尤为重要[1]。

产品的逆向设计如果只是简单地把原有物体还原，则难以在还原的基础上进行二次创新，因而在逆向的基础应结合正向设计，创作出能够实现再设计的产品[2]。本论文以海豚工艺品为案例采用快传统曲面造型方式进行模型重建，目标是得到可进行调整和更改的曲面模型。实验的流程包括逆向数据的采集及模型的基本逆向处理、传统曲面造型及产品再设计能力的检验三个阶段。

1 数据采集及模型的基本逆向处理

1.1 本课题测量设备选用天远公司（国产）的三维扫描仪。扫描的基本流程是：分析产品外形，确立扫描方案→喷反差增强剂、贴标志点等→扫描。

工艺品海豚模型表面为自由曲面，而且体积小，如果标志点直接贴在模型表面，则缺失的数据较难还原，因而采用把标志点贴在参照物上的办法然后扫描，如图1。

1.2 本论文采用Geomagic Studio软件进行逆向处理，基本的处理操作是：

（1）点数据的处理，包括点云数据的拼接、去噪、合并等。

（2）多边形阶段的处理，为了获取相对平滑的、符合产品原型的多边形网格。

Geomagic Studio软件可以实现快速曲面造型，其操作内容属于该软件的形状阶段，主要操作步骤包括：探测轮廓线或曲率：对模型进行区域划分，得到曲率线；编辑轮廓线或曲率线：把曲率线调整到合适的位置；构造曲面片：对划分好的区域进一步地划分成子网格面片；编辑曲面片：把曲面片的分界线调整得更规则、平滑；拟合曲面[3]。

然而在Geomagic Studio中进行快速曲面造型所得模型的各曲面片之间却失去了应有的连续，难以得到高质量的曲面。这是因为快速曲面造型方式在构造多边域时很少考虑到模型的设计意图，而造成的结果就是曲面特征被分解为大量的曲面片，在正向设计设计软件打开模型时，丢失了在曲面公共边的跨界切矢等约束，所得到的曲面模型不能够较为完整地还原曲面的设计意图[4]。

2 传统曲面造型——基于曲线的曲面重建

为了得到能进行再设计的曲面模型，本论文尝试另一种造型方法——传统曲面造型。在传统曲面造型方法中，通常曲面片的构建具有两种操作策略：（1）由点云直接拟合曲面片。（2）对点云进行切片处理并拟合出特征线或是互动地在点云上构建3D样条曲线，再通过适当的曲面构建方式创建各特征对应的曲面片[5]。

根据Solidworks软件的操作特点，本论文采用策略（2）的构建方法，先对产品划分曲面的区域，然后在逆向软件Geomagic Studio中提取区域的边界线和构面所需的截面线，把具有参数化的曲线转换到正向软件Solidworks，最后采用正向软件Solidworks的曲面功能进行重建。

根据海豚模型的造型，可分成鱼身、翼鳍、尾鳍、背鳍4大区域进行曲面重建。

特征曲线在Geomagic软件的提取方法

在自由曲面的重构中，需要一系列的轮廓线，这些轮廓线的提取方法是本论文研究的一个重点。

首先，模型的上下部分直接有明显的分型线，该分型线是曲面重建的主要骨架。该分型线不从属于任何平面，属于空间曲线，提取方式为：先在Geomagic Studio软件中，打开已经过点阶段、多边形阶段处理的模型→进入精确曲面阶段→探测轮廓线→抽取，此时得到一个轮廓线。为得到更加规整的轮廓线还需要采用以下操作：编辑轮廓线，添加或删除部分轮廓线；移动轮廓线顶点以达到理想位置；松弛轮廓线，让轮廓线变得光顺平滑。接着点击曲线→转为→自由曲线，提取出空间曲线，如图2。

其次，模型的侧面轮廓线也是曲面重建的重要骨架之一，该轮廓线处于对称平面上，属于平面曲线，可用“从截面创建”命令提取。“从截面创建”命令只能在多边形阶段使用，把模型退回到多边形阶段，点击“从截面创建”，在弹出的对话框中，根据实际情况分别做出以下操作：对齐平面定义为“对象特征平面”→选取对称平面；曲线类型选择“样条”；布局图选择“单向”；折角和公差影响曲线的精度，需按实际情况调整。获得的平面曲线如图3。

最后需要提取一系列的截面轮廓，方法是：首先创建一系列的截平面，然后采用“从截面创建”功能，提取出一系列的截面轮廓线，如图4。

正逆结合的曲面重构

Solidworks具有4种创建曲面的命令和多种的操作技巧。一个曲面的创建方法不是唯一的，操作者如果在一种方案上获得的曲面不理想，应该使用别的方案继续尝试[6]。海豚鱼身已经获得了重建所需的曲线骨架，考虑采用放样曲面创建，操作步骤如下：

（1）把GeomagicStudio里的曲线用参数转换的方法转到Solidworks软件里。

（2）空间曲线的处理。图2中的曲线（分型线）是从逆向软件中获得的空间曲线，把它转换到正向软件后，由于曲面建模的需要，要对曲线进行一定的编辑修改，操作如下：首先，由于转换过来的曲线需要反复使用，不应该直接修改，应先复制一份然后修改：新建3D草图→转换实体引用。其次，删除多余部分：用“分割实体”、“删除”命令去除多余部分。最后填补空缺：分型线贯穿鱼身和翼鳍，把翼鳍轮廓去除后，分型线出现了缺口，这部分需要手工补齐:采用样条曲线，按照曲线的走向把缺口补齐，注意分别在仰视、俯视方向调整曲线；然后用“套和样条曲线”把三部分合并成一条曲线，如图5。

（3）平面曲线的处理。图3中的曲线（侧轮廓线）是从逆向软件中获得的平面曲线，同样也需要进行一定的编辑修改。首先，从逆向软件转换过来的曲线无论是空间的还是平面的都默认为空间曲线，为符合建模要求，需要把截面线重画为平面曲线。针对图3侧轮廓先选用对称中心平面作为草图平面，然后，点选相应的平面创建草图，用“转换实体引用”命令把参数曲线引用到草图。接着编辑草图：草图具有多余或空缺部分，参照空间曲线的处理方法，修改和填补曲线。

而图4中的曲线（截面线）的草图平面创建方法：先点选曲线，然后用“创建基准平面”命令创建。同样用“转换实体引用”命令把参数曲线引用到草图，然后使用与空间曲线类似的草图编辑方法，对该曲线进行修改。

（4）重建曲面：点选侧轮廓线、分型线为引导线，顺序点选各截面线为轮廓线创建放样曲面，如图6。

海豚其它区域曲面重建方法类似，这里不再一一赘述。经过各区域曲面的重建，然后用“曲面缝合”命令转换成实体，最终得到模型如图7。

3 传统曲面造型所得产品的再设计

检验模型能否进行再设计的标准是模型是否具有修改的柔性。海豚模型的曲面是依靠曲线骨架创建而成，尝试对海豚的侧轮廓线进行更改，发现由该曲线构建的曲面也跟随发生变化。再尝试对海豚进行整体变形操作，如图8：

从改变后的效果可以看到：模型通过曲面的改变能够得到各种造型，而曲面质量并没下降，因而本论文所采用的传统曲面造型方法可以达到再设计的要求。

4 总结

本文针对曲面类产品研究了正逆混合的建模方法。在对产品数据进行了必要的逆向处理之后分别采用了快速曲面造型方式和传统曲面造型方式进行重构。重构的结果发现快速曲面造型方式能高效地实现逆向成型，但是建模的结果不利于再设计。而传统曲面造型方式所得模型，能实现造型的各种改变而不影响曲面质量，符合再设计的要求。本文重点介绍在Geomagic Studio软件获取特征曲线的方法，以及在Solidworks软件逆向所得曲线进行曲面重建的方法以及产品造型改变的方法，为曲面产品的逆向成型及再设计提供了有效的参考。

［1］柯映林．反求工程CAD建模理论、方法和系统[M].北京：机械工业出版社，2005．

［2］吴问霆，成思源，张湘伟，等.手持式激光扫描系统及其应用[J].机械设计与制造，2009（11）：46-47.

［3］李志新，黄曼慧，成思源．逆向工程中的CAD建模技术及软件系统[J]．机床与液压，2007，35（9）：1934-1938．

［4］余国鑫，成思源，张湘伟著．典型逆向工程CAD建模系统的比较[J]．机械设计，2006，23（12）：1-3．

［5］曾华明.逆向工程中的曲面重构技术研究[D].重庆大学论文,2004.

［6］方昊佳．面向产品创新设计的CAD造型关键技术研究[D].广东工业大学，2013.

［责任编辑：李书培］