基于逆向工程的CAD模型重构.pdf

C A D C A E C A P P C A M 现代制造工程 M o d e mM 蚰u f a c t u r in gE n 舀n e e r in g 2 0 1 5 年第2 期 基于逆向工程的C A D 模型重构 王婷 苏红磊 宁夏职业技术学院机电系 银川7 5 0 0 0 2 摘要 c A D 模型重构采用逆向参数化建模方法为产品后续分析 制造提供了数学模型 成为了设计新理念 因而被广泛 应用 以花瓣 蝎子为例 讲述了u G I m a g e w a r e 和G e o m a g ics t u d io 三个逆向设计软件重构的过程 分析了三者的设计 思路和应用特点 总结了各自优势及差异性 对构建参数化模型过程中的关键技术进行了分析 提供了一定的参考价值 关键词 逆向工程 花瓣 蝎子 G e o m a g ics t u d io 软件 I I I la g e w a r e 软件 u G 软件 中图分类号 7 I H l6 4 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 l 3 1 3 3 2 0 1 5 0 2 0 0 8 9 0 4 T h eC A Dm o d e lr e c o 璐t r 眦t io nb 嬲e do nr e v e r s ee n g i耻e r in g W a n gT in g S uH o n g le i D e p a n m e n to fE le c t r ic sa n dM e c h a n ic s N in 铲iaP o ly t e c h in c Y in c h u a I l7 5 0 0 0 2 C h in a A b s t r a c t U s in gr e v e r s ep a r a m e t r icm o d e lin gm e t I o d t lleC A Dm o d e l r e c o n s t m c t io np r o V id e sm a t lle m a t ic a lm o d e lf o rp r o a n a ly s is 蛐dm 锄缸a c t 面n g0 fp r o d u c t s a llda s an e wid e a isw id 由印p lie d T a k in ge x 锄p le so fp e t a ls 粕ds c o r p io 璐 d e s c r ib e st ller e c o n s t m c t io np m c e s so ft llr e er e v e r s ed e s ig ns o f h a r e U G I m a g e w a r e 姐dG e o m a 西cS t u d io I na d d it io n a n a ly s e st lI ed e s ig nt llo u g h t s 锄da p p ly in gc h a r a c t e r is t ic s0 ft llet h r e es o f h a r e 粕ds u m m d z e st h ea d v 蚰t a g e sa n dd i如r e n c e sr e s p e c t iv e ly u n d e r p iI lI lin gt le 粕a ly s iso fk e yt e c lI I lo lo g yint llep r o c e s so fp a r 姗e t r icm o d e lin g c a no 任矗s o m er e f e 陀I n ia l v a lu eo ns u b s e q u e n ts t u d ie s 1 e yw o r d s r e v e 璐ee n 西n e e r in g p e t a ls s c o r p io n G e o m a 季cS t I ld io I m a g e w a r e U G 0引言 逆向工程 R e v e r s eE n 舀n e e r in g R E 也称反求工 程 是指根据实物模型测得的数据构造出C A D 模型 继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造 并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来 达到对实物模型的逼近或优化 以满足后续的加工要 求 是从数字化点的产生到c A D 模型的一个推理过 程 J 在工业高速发展的今天 c A D 软件已经不仅仅 拘于依照参数及变量描述曲线 更存在大量的自由曲 面 逆向工程已经广泛地应用于医学 模具制造等领 域 总而言之 有自由曲面的地方就有逆向制造的空 间 逆向工程的融入极大地提升了工业产品的创新 及优化空间 同时 模型重构后与数据源的符合度又 影响了后续制造 曲面重构首先从点云数据开始 数据的采集通常 有许多方法 最初是通过对图片或照片来建立模型 对空间信息进行可视化表达 其数据来源就是数码相 宁夏科技支撑计划项目 2 0 1 2 z Y c 0 1 9 机 当采集的信息由图像变为物体几何特征时 数据 来源就是三维扫描仪 目前市面上主要使用的是非 接触光学扫描仪 分白光及激光两种 实物经扫描后 生成的数据 即点云 本文从点云数据人手 以花瓣 蝎子为例阐述C A D 模型的重构过程 分析U G I m a g e w a r e 及G e o m a g ics t u d io 软件在曲面重构过程中各 自的优势及差异性 1 U G 自由曲面重建 u G 软件逆向造型遵循点一线一面的原则 属于传统 曲面造型范畴 但是造型思路较为清晰 易于理解 当看到一个实物 首先视觉的感官刺激是面 其次是 轮廓 也就是说可以把一个面分解为无数条线 线再 分解为无数个点 反过来 当面对无数个点组成的面 的时候 就可以选取合适的点连接成线 再将特征轮 廓线通过扫掠 曲线网格等方式作出面 例如一个花 瓣点云数据如图1 所示 做出1 8 花瓣 再阵列即可 首先就是由点到线的过程 为了保证1 8 花瓣在阵列 8 9 2 0 1 5 年第2 期 现代制造工程 M o d 咖M 蚰u f 如t 曲n gE n 画n e e r in g 后能够封闭 必须保证特征轮廓线上的点在投影方向 为一条直线 否则就会出现图2 a 所示的情况 造成图 形不完整 同时 如果为了更真切地表达跟原物的接 近度 理论上把所有特征轮廓线上的点都选择上才最 真实 其实不然 选择所有点做出来的面全部都是褶 皱 如图2 b 所示 所以说 对于点云数据一定要处 理 要有选择性取点 根据制件的形状 特征大致确定 构面方法 做到有的放矢 点与点的间隔尽量均匀 变 圆角为尖角以备后续处理 对于曲面来说 只有曲线 光顺 才能保证曲面光滑 曲线所必备的环节就是光 顺 样条的美感决定面的质量 其次是由线到面的过 程 如图3 所示的花瓣曲面造型可以采用 边曲面 曲线网格等方式 最后再进行细节处理 即圆角处理 面与面拼接处要求较高的曲面边界曲率连续性 整个 过程对建模人员操作技巧及熟练程度要求较高 同时 生成的文件较大 所以要注意构面应尽量简洁 不要 细碎 为后续的N C 处理打好基础 图1 花瓣点云数据 a 不完整 硝破 割 芭瓣 线构建 i 题 2 I m a g e 协r e 自由曲面重建 I m a g e w a r e 是典型的逆向软件 也是依据点一线 面 的思路进行 I m a g e w a r e 软件采用独一的O E P 运算 当读取一组数量庞大的点群数据时 将点群中所有的 9 0 罔3花辩f j 而造型 点视为一个图素 因此 读取时没有点数的限制 从而 具有强大的点云数据处理功能 I m a g e w a r e 软件根据 点云构造的曲面光滑 柔顺且连续性好 为质优的A 级曲面 c L A s sA 还可以进行误差评价 与数据源形 成一个闭合环节 可以保证最真实 贴切地接近c A D 模型 I m a g e w a r e 软件通常与u G 软件相辅使用 用 I m a g e w a r e 作面 用u G 细化 由于I m a g e w a r e 软件同 u G 软件有直接接口 不需要转存为车 I G S 术 s I L 等 格式 大大地节省了时间 提升了设计与造型编修效 率 但是I m a g e w a r e 软件多年未进行更新 操作指令 较一般三维软件差异性大 I m a g e w a r e 软件构建大面 质量为优等 而处理圆角等细节较难掌握 如图1 所示的点云数据 选取特征轮廓线 创建封 闭B 样条曲线 通过F c lo u da n dc u n e s 产生曲面 对于图1 所示的点云数据来说 曲率较为平缓 贴标的 空洞并不影响自由曲面生成 如图4 a 所示调整控制点 可获得A 级曲面 调节控制点在曲面u I 方向线上 和其他控制点的相互位置关系 使得形状光滑 从而 获得更好的曲面光顺性 增加曲面u y 方向阶次 控 制点的增多将增加曲面调节的难度 需要调节控制 点要注意调节阶次 曲线过渡要自然 尽可能光顺 否 则影响后续质量 曲面完成后 可以对重构质量进行 评估与误差检测 根据检测结果调整曲面 提升曲面 品质 将调整好的面直接导人u G 经实体阵列 倒圆 角后的花瓣如图4 b 所示 圆角能否实现取决于在 I m a g e w a r e 中所制作的面的质量 要自然 尽量地与假 想的理论交汇面符合 随时通过接口实现U G 与 I m a g e w a r e 的数据更新 细节修补多采用u G 软件中的 曲线网格 通过四条边界实现面修复 细节修补后的 花瓣如图4 c 所示 在使用中应注意 主曲线与交叉曲 线的选择 方向应该一致 同时曲线要封闭 不能出现 断接 为了保证连接面与其他面之间过渡自然 应选 择合适的相切面 公差也是一个重要的影响因素 所 王婷 等 基于逆向工程的c A D 模型重构2 0 1 5 年第2 期 以要合理根据设计要求设置修改默认的0 0 0 1 m m 公差 b 实体阵列 倒圆角后 c 绷 耵修补 图4I m a g e w a r e 花瓣构建 3 G e o 呦g icS t u m o 自由曲面重建 G e o m a g ics t u d io 软件采用N u R B s 曲面片拟合直 接创建N u R B S 曲面模型的策略 分为点 多边形一造型 三个阶段 基于N u R B s 理论 B 样条曲线在设计自由 曲面时显示出了强大的优越性 但只能逼近c A D 实体 模型 因此 不像I m a g e w a r e 软件中对于源数据可以有 选择性地修整 而需要对三角面片精心处理 质量好 坏直接影响N u R B s 曲面拟合效果 下面以蝎子为例 进行说明 3 1 点云处理阶段 点云阶段也就是离散点 噪点的去除 点云注册 合并 封装等处理的过程 由于使用的是光学扫描 仪 扫描时一些浮尘 杂质及原件表面不理想表面都 被作为点云数据 蝎子点云如图5 a 所示 因此 有必要 将影响曲面构造的一些离散点及与实际模型不符的点 删除 将点云数据进行处理后进行封装 成为三角面片 三角面片数量为4 7 28 3 6 蝎子封装如图5 b 所示 a 点云b 封装 图5 蝎子点云及封装 3 2 多边形处理阶段 封装后的模型是由细微的三角面片组成 如图5 所示 不能直接应用于后续的C A E C A M 过程 因 此 要重新制作曲面 不能存在凸点 空洞和凹痕等问 题 因此要精心地对三角面片网格进行修补 适时选 择去除特征 松弛 砂纸和简化多边形等方式处理 否 则会直接影响后续曲面的生成 是曲面重构的重要基 础环节 3 3 曲面造型阶段 曲面造型阶段主要是处理后的三角网格曲面经 过分析 划分 构建曲面片 构建栅格及拟合曲面等操 作完成的N u R B s 重构 是最复杂的环节 曲面编辑 方式有探测轮廓线和探测曲率两种H 如图5 a 所示 的蝎子点云轮廓线不明显 曲面复杂 所以使用探测 曲率进行曲面重构 首先参考红色边缘 见图5 b 绘 制分模线 线条要自然光顺 将蝎子分为上下对称两 部分 其次 尽量将均匀变化的曲率分为一个独立的 边界 缩小曲率突变范围 保证拟合后的曲面更接近 三角网格曲面的外形 从而降低拟合误差 因此 将所 有关节都分为一个子块 便于后续曲面片调整 边界 线调整注意疏密有致 也就是面变化大的地方的构造 线要密 变化不大的地方的构造线要稀 相邻边应尽 量垂直 角度偏差不能太大 以免影响后续的曲面片 四边形的标定 如图6 a 所示 在使用薄片剪裁时 时 常会出现曲线伸展与对象选择不相交的提示 此时 返回多边形 使用砂纸等措施对提示表面进行处理 待表面光顺 方可进行下一步 相交的点云会造成边 界线出现重线 影响曲面片构造 因此要去除 再次 经自动探测曲率 升级降级约束 构造曲面片和栅格 流程后 即可拟合曲面 并通过色谱图分析拟合误差 如图6 b 所示 其中四边曲面片的划分较为关键 要 9 2 0 1 5 年第2 期现代制造工程 M o d e mM 蚰u f a c t u r in gE n 西n e e n g 保证曲面流向过渡自然 4结语 曩 b 曲面拟合及色谱图 图6 蝎子曲面造型 不及G e o m a g icS t u d io 软件要求高 但圆角等细节问题 较难掌控 因此 通常与u G P r o E 等c A D 软件结合 使用 G e o m a g ics t u d io 软件曲面造型方式是面向模型 整体 自动探测合适的拓扑结构 进行区域分割以改 善后续创建曲面品质 从而拟合质优的自由曲面 三 角面片处理功能强大 操作简便 逆向工程极大地缩 短了设计周期 在实际应用中通常依据模型复杂程度 交互使用多种软件 保质保量地完成曲面重建 以保 障后续C A E C A M 的进行 参考文献 1 金涛 童水光 逆向工程技术 M 北京 机械工业出版 社 2 0 0 3 6 0 6 2 2 杨家鹏 胡华丽 姜俊 基于u G 的产品逆向设计的方法 与应用 J 制造业自动化 2 0 1 0 3 2 8 2 8 4 3 彭燕军 王霜 彭小欧 u G I m a g e w a r e 在逆向工程三维模 型重构中的应用研究 J 机械设计与制造 2 0 1 1 5 4 舒翔 曾文 汪刘一 基于逆向工程重构沙发三维模型的 研究 J 制造业自动化 2 0 1 1 3 3 1 1 7 1 1 9 5 黄阳 田凌 基于图像的复杂曲面实体三维建模研究 J 制造业自动化 2 0 1 2 3 4 1 3 6 成思源 吴问霆 杨雪荣 基于G e o