基于Geomagic Design X 中面片拟合、放样向导的研究

夏亚涛

（商丘职业技术学院， 河南 商丘 476000）

引言

Geomagic Design X（原名geomagic Spark）是一款强大的正逆向混合设计软件，具有模型扫描、三维点云处理、三角面片创建编辑、实体建模装配、工程图导出等功能，可无缝连接主流CAD 软件，包括Pro/E、SolidWorks、UG 和Auto CAD 等。在逆向工程中，三角面片文件生成后，如果精度较高，可以直接导出面片进行切片，然后进行3D 打印，但大多数情况下需要创建三维模型实体，其中曲面是建模造型中最基本的构成要素，曲面的质量直接关系到最终成品的质量[1-3]。

Geomagic Design X 具有强大的曲面构建方式，如面填补、放样、境界拟合、面片拟合和放样向导等，其中面片拟合和放样向导是较常用的两种曲面创建方式[4-5]，本文通过对这两种方式的比较，为后续选择合适的曲面创建方式作参考。

1 曲面片分割和领域划分

Geomagic Design X 中曲面片（patch）的分割是得到高精度曲面的重要因素，曲面片分割要以曲面实际分析为前提。曲面片不能分得过于精细，否则得到的曲面太碎；曲面片也不能分得过大，否则不能很好地捕捉点云的形状，得到的曲面质量也较差。划分曲面片的基本原则为：一个是使每块曲面片的曲率变化尽量均匀，这样拟合曲面时就能够更好地捕捉到点云的外形，降低拟合误差；另一个是使每块曲面片尽量为四边域曲面。

点云生成面片之后，如果要使用面片拟合和放样向导命令，前提是需要对所建模的曲面生成领域。领域是指模型表面所渲染的不同颜色的色块，采用不同的色块，根据曲面曲率的变化，代表不同曲率的曲面。可以将领域理解为不同颜色的色块附着在不同曲率的三角面片之上，它反映当前STL 模型的特征，用于后续提取STL 面片形状和尺寸信息。领域是用于拟合面片和进行放样向导的重要依据，领域分割的精确度直接影响后续生成曲面的精度。在使用领域时，一般采用两种方式，一种为自动刷领域，另一种为手动刷领域。对于自动刷领域，其精度主要取决于敏感度的设定，而手动刷领域的精度主要取决于对相似曲面曲率的把握。

2 面片拟合

面片拟合是Geomagic Design X 软件的独有功能，很多设计公司购买这款软件就是为了面片拟合这个较实用的功能。面片拟合命令必须要和领域配合使用，也就是首先需要对面片文件（stl）划分领域，领域划分越精确，后续拟合曲面时的精度越高。它是将曲面拟合至所选领域的三角面片上进而构建满足要求的曲面，其与正向建模中四边成面的方法类似。在使用面片拟合功能时，首先选取领域元素或者单元面，并设置许可偏差值和最大控制点数，面片拟合利用所刷的领域随机选择U-V 线来创建曲面，通过U 轴和V 轴控制点数来控制整个网格密度，密度越高则网格越贴近领域，即拟合精度越高。面片拟合图示，如图1和图2 所示。

图1 面片拟合（控制点数）

图2 面片拟合（拟合精度）

3 放样向导

放样向导命令和放样命令非常类似，只是放样命令是构建3D 样条曲线作为U-V 线，而放样向导是通过利用所构建的领域自动生成U-V 线，可快速构建U 线或V 线是开放或者封闭的轮廓线。放样向导和面片拟合同样需要选取领域后才能执行命令，只不过它是在领域面内放置断面数，以断面和领域的交线作为样条曲线，然后通过连接这些曲线生成曲面，如下页图3 所示。在创建断面个数时，放置的断面和样条点数目的多寡，决定了生成的曲面精度，如下页图4 所示。放样向导命令具体使用步骤，首先还是选取领域或者单元面；其次选取路径，可以选择平面或者曲线两种形式；再次选择断面并输入插入断面的个数，最后选择轮廓类型，分为3D 轮廓和参照平面+面片草图，单击下一阶段完成命令。

图3 放样向导（断面放置）

图4 放样向导（曲面精度）

4 面片拟合与放样向导的对比分析

通过上述介绍，对面片拟合与放样向导有了一定的了解，但是在什么场景用哪一种方式生成曲面是本文重点要研究的内容。

关于体偏差的颜色，绿色代表在公差允许范围之内；蓝色代表建模实体小于STL 面片尺寸；而红色代表建模实体超出STL 面片尺寸。在上述电风扇叶片例子当中，由于叶片曲度平缓，U-V 线变化不明显，无论选择哪一种曲面生成方式，通过体偏差命令都可以看到最后得到的面片拟合曲面精度大致相似，面片拟合得到的曲面精度会稍好一些，如图5 和图6 所示。

图5 面片拟合体偏差

图6 放样向导体偏差

而对于一些曲率跨度较大、管径类曲面或者U-V曲线变化明显的面片区域，如果继续使用面片拟合就会出现面片扭曲的状况，如图7 所示。在这些区域使用放样向导较合适，可以通过增加放置截面的数目来增加拟合精度，选取所刷领域平面作为路径，得到所需曲面，如图8 所示。

图7 面片扭曲

图8 增加放置截面的放样向导

通过对比，可以发现虽然在此位置选用放样向导命令可以快速得到所需曲面，但是得到的面片精度确有所欠缺。

5 结语

本文运用Geomagic Design X 对多个例题分别采用面片拟合和放样向导进行曲面创建，通过对比分析发现，对于曲率平缓的大曲面，采用面片拟合不仅建模效率会有所提升，而且拟合精度和表面质量要超过放样向导。而对于变管径类或者曲率变化明显的曲面，调用放样向导命令能够快速完成曲面建模。不同的曲面建模方式在不同环境中使用，但多数情况下还需要这两种方式配合使用。