基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法研究*

蔡　闖，成思源，蔡　敏，楊雪榮，張湘偉

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州　510006)

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基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法研究*

蔡闖，成思源，蔡敏，楊雪榮，張湘偉

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州510006)

當前，逆向工程中以還原原始設計意圖和面向再設計為主要目的逆向建模方法是研究的熱點方向。通過對基于曲面和基于實體特征的逆向建模方法進行分析和研究，提出一種基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法，并闡述了這種混合逆向建模方法的建模流程和應用領域。以逆向建模軟件Geomagic Studio和Geomagic Design Direct為平臺，通過典型實例驗證了這種混合逆向建模方法的可行性和優勢所在，為基于逆向工程的復雜幾何模型的重構和再設計提供了一種有效的解決方法。

曲面特征；實體特征；混合建模；逆向工程

0　引言

逆向工程中，CAD模型重構的三個主要應用領域是：再制造，質量控制，基于重構模型修改的再設計[1]。逆向建模是指針對已有的產品模型，利用三維數字化測量設備如三坐標測量儀和光學測量儀，準確、快速地測量出產品表面的三維數據，然后在逆向建模軟件中對測量數據進行處理，以重建產品CAD模型[2]。

結合基于曲面[3]的逆向建模方法中復雜自由曲面擬合功能的優勢，以及基于實體特征[4]的逆向建模中對規則幾何特征的識別、提取和再設計功能，本文提出一種基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法，能快速、有效地重構具有復雜、多種類型特征的產品實物的實體模型的逆向建模方法。

這種方法可以有效解決同時包含復雜曲面特征和規則實體特征的模型，例如渦輪葉片等，由于種種原因無法獲取其原始設計CAD模型的重構，以及在重構出的CAD模型的基礎上對破損零件進行修復的難題。

1　基于特征的建模方法

為了適應新技術的發展需要，將重構出的自由曲面和較為簡單、規則的特征(如拉伸體、旋轉體)通過布爾運算轉化為較為復雜的實體，人們開始研究基于特征的造型技術，其中特征可以分為兩類：曲面和實體特征，并提出了基于曲面和基于實體特征的建模方法。

基于曲面的逆向建模方法的建模思路是：點云數據經過預處理之后，封裝得到三角多邊形網格模型，對其進行網格劃分，同時根據不同網格面區域所隱含的幾何曲面特征來進行劃分；再以人機交互的方式指定各子網格面區域所隱含的幾何曲面特征，以及各子網格面區域之間的連接類型；然后對子網格面區域內的幾何曲面特征進行擬合，以重構其幾何曲面特征；最后對重構得到的幾何曲面進行裁剪縫合操作以重構出曲面模型。這種方法重構得到的是曲面模型，可以自動化地擬合得到精度較高的復雜自由曲面[5]。不足之處為需要將重構得到模型轉換到正向建模軟件中，通過裁剪縫合操作得到實體模型后，才能進行再設計[6]。

基于實體特征的逆向建模方法的思路是：點云數據經過預處理之后，封裝得到三角多邊形網格模型，對其提取實體特征的二維輪廓曲線，然后應用實體建模操作構造得到相應的實體特征，能提取的實體特征包括了拉伸體、旋轉體、掃掠體和放樣體；然后對重構得到的多個實體特征進行布爾運算，繼而進行倒角操作，以得到最終的實體模型。基于實體特征的逆向建模方法可從網格面模型中識別并提取實體特征，而且能通過直接編輯修改實體特征以實現再設計，可以高效率的重構出原始掃描數據不完整的模型。但是，由于只能重構較為規則的實體特征，因此應用范圍較窄存在一定的局限性。通常適合一些特征較規則的零件模型的重構[7]。

2　基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法的應用

隨著現代制造業的發展，工業產品和零部件的外觀特征不再是僅由平面、二次曲面等規則曲面構成，或是僅由復雜的自由曲面構成[8]。因此若要對外觀越來越多樣性的產品或零部件模型進行逆向建模重構，在當前各類建模方法的建模能力受限的情況下，需結合不同建模方法的長處來實現復雜模型的逆向重構。

基于曲面和基于實體特征的逆向建模方法應用比較廣泛。基于曲面的逆向建模方法重構得到的是曲面模型，可以自動化地擬合得到精度較高的復雜自由曲面。基于實體特的逆向建模方法可從網格面模型中識別并提取實體特征，而且可通過直接編輯修改實體特征以實現重構CAD模型基礎上的再設計。

結合基于曲面的逆向建模方法中復雜自由曲面擬合功能，以及基于實體特征的逆向建模方法中規則幾何特征的識別、提取和再設計功能，能有效、快速地重構具有復雜、多樣外觀特征的實體模型。這種方法的思路是：首先對原始采集數據進行預處理，封裝得到三角多邊形網格面模型，再對網格面模型進行去噪、精簡、光順等優化處理，以便能得到表面質量較好的多邊形網格模型；然后在不同平臺下分別應用基于曲面和基于實體特征的逆向建模方法從處理后的網格面模型中分別擬合出曲面特征和規則實體特征，最后通過數據交換對擬合實體特征進行布爾運算以重構最終的實體模型。基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法的建模流程如圖1所示。

圖1　基于曲面和實體特征的混合逆向建模流程

目前，已有的逆向建模方法和應用軟件的建模范圍比較狹窄，重構模型的精度無法滿足下游的CAD/CAE要求，或對重構的CAD模型進行再設計時不夠便捷。基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法，為復雜產品的實體模型重構提供了可靠的借鑒方案。

3　實例

本文將介紹應用基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法，在逆向建模軟件Geomagic Studio和Geomagic Design Direct中重構渦輪葉片實體模型的詳細建模流程[9]。

據統計，在我國每年都大約有600萬美元的渦輪葉片修復需求[10]。雖然已有國內公司通過引進國外公司的修復、再制造技術專利已在國內開展葉片修復服務，但在技術上仍然受到一定限制，且費用昂貴。這種新的設計方法為復雜產品實物(如渦輪的葉輪)的CAD模型重構提供了一個有效的途徑。對彌補國內渦輪葉片修復領域的技術不足具有一定意義。

3.1網格面處理

通過手持式掃描儀獲取模型的表面點云數據，然后在Geomagic Studio中對點云數據進行預處理，并封裝成網格面模型[11]。

本文所用的案例是渦輪發動機的葉輪模型，從其原始網格面數據(圖2a)可以看出，網格面模型的表面存在一些凹坑、數字、字母凸紋等，需對這些區域進行光順處理。在Geomagic Studio的多邊形模塊下有豐富的網格面處理工具，經過松弛、減少噪音、去除特征等工具處理后的網格面模型如圖2b所示。處理后的網格面模型經網格面檢查工具檢測出不容易被肉眼發現的錯誤，如釘狀物、孔洞等錯誤網格面片，并修復后才可從網格面模型中擬合目標曲面，否則曲面擬合時將出現錯誤曲面、誤差較大等情況。

(a) 處理前　　　　　　　　(b) 處理后

3.2擬合曲面

觀察該葉輪模型的葉片特征后可知其葉片分為大、小葉片兩種，而且它們均為陣列特征，共16片。因此，在擬合葉片的曲面特征時，只需擬合大、小葉片的各兩張曲面，其它葉片的曲面可在實體模型重構時，應用基于實體特征的逆向建模方法重構出來。另外，葉輪中軸頂部的凹面不屬于球面和旋轉面，需應用基于曲面的逆向建模方法擬合重構。擬合曲面時，首先選擇相應的網格面區域以確認在所選區域擬合曲面，如圖3a中黃色輪廓線內的網格面區域即為選定的曲面擬合區域，擬合得到的曲面如圖3b中藍色曲面所示。在Geomagic Studio中將擬合的葉片曲面存為iges格式的數據，處理后的葉輪網格面模型存為stl格式數據，用于在后續操作中分別導入Geomagic Design Direct中進行基于實體特征的逆向建模。

(a) 選定擬合區域　　　　　(b) 曲面擬合結果

擬合復雜自由曲面后，應用其偏差分析工具檢查擬合結果。若偏差過大，應調整曲面的擬合參數和邊界，以獲取更佳的擬合結果。擬合曲面的偏差分析結果如圖4所示，其中，標準偏差值為0.015mm。

圖4　復雜自由曲面擬合結果的偏差分析

3.3提取實體特征

把處理后的葉輪網格面模型的stl格式數據導入到Geomagic Design Direct中。渦輪葉片模型的中間部分是旋轉體特征，由于模型上葉片特征過于扭曲，導致無法選中恰當的子網格面區域以直接提取旋轉體特征。但選擇坐標系中的基準面作為截面以獲取旋轉體的截面線草圖、將z軸作為旋轉軸，如圖5a所示，同樣可以重構得到旋轉體特征。對旋轉體的截面線草圖編輯處理后，應用旋轉工具重構的旋轉體如圖5b所示。

(a) 旋轉體的截面線　　　　　　(b) 旋轉體

繼續導入葉片曲面iges格式的數據。大、小葉片的實體特征重構都是應用拉伸和布爾運算操作來實現的，重構過程相同，以小葉片的構造為例進行介紹。首先選擇小葉片特征兩個曲面中的曲面1作為目標曲面，再拉伸目標曲面以生成實體，然后拉伸曲面2的邊界增大其范圍。最后，將拉伸目標曲面得到的實體作為主對象、增大的曲面2作為刀具對象，經布爾運算后構造得到小葉片的實體特征。小葉片實體構造的過程如圖6所示。

圖6　小葉片的實體重構

3.4正向建模

各個實體特征重構完成后，首先對構造的葉片實體特征進行陣列處理：將z軸作為陣列中心，陣列的個數為8，其中對大、小葉片進行陣列操作的方法和數量一樣。然后對旋轉體特征、葉片實體陣列特征和曲面特征進行布爾運算以重構最終的實體模型，最后得到的渦輪葉片實體模型如圖7所示。

圖7　重構的葉輪實體模型

將封裝得到的原始網格面模型光順處理后作為參考對象，以重構的實體模型為測試對象進行誤差分析進行重構葉輪精度評價。分析的結果如圖8所示，標準偏差為0.08mm。

圖8　實體模型的精度分析

4　結論

本文主要分析了基于曲面的逆向建模方法和基于實體特征的逆向建模方法的特點，并結合這兩種方法的優勢，提出了基于曲面和實體特征的混合逆向建模方法。這種混合逆向建模方法可以高精度的擬合出復雜自由曲面，同時能對實體特征進行識別與提取，參數化再設計。該方法的提出對同時包含復雜自由曲面和規則實體特征產品實物的CAD模型重構提供了一個可行的方法，為航空發動機葉輪的修復與模型重構提出了一種新的思路。

[1] Varady T, Martin R,Cox J.Reverse Engineering of Geometric Models-An Introduction, Computer-Aided Design,1997,29: 525-568.

[2]蔡敏，成思源，楊雪榮，等.基于Geomagic Design Direct的殘缺數據實體重構[J].組合機床與自動化加工技術,2015(3):21-23.

[3] Motavalli S. Review of reverse engineering approaches [J]. Computers & Industrial Engineering,1998,35(l-2)：25-28.

[4] 譚昌柏.逆向工程中基于特征的實體模型重建關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2006.

[5] Benk?P, Martin R, Várady T. Algorithms for reverse engineering boundary representation models [J].Computer-Aided Design,2001,33(11)：839-851.

[6] Roseline Bénière, Gérard Subsol, Gilles Gesquière, et al. A comprehensive process of reverse engineering from 3D meshes to CAD models. Computer-Aided Design.2013,45:1382-1393.

[7] Jun Wang, Dong xiao Gu, Ze yun Yu, et al. A framework for 3D model reconstruction in reverse engineering. Computers & Industrial Engineering,2012,63:1189-1200.

[8] 余國鑫.逆向工程曲面重建技術的研究與應用[D].廣州:廣東工業大學,2008.

[9] 賀美芳.基于散亂點云數據的曲面重建關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2006.

[10] 渦輪葉片修復新技術[EB/OL]. 2015,http://www.delcam.com.cn/news/oct5_06.htm.

[11] 成思源,楊雪榮.Geomagic Design Direct逆向設計技術及應用[M].北京：清華大學出版社,2015.

(編輯趙蓉)

Mixed Reverse Modeling Method Based on Surface and Entity Feature Research

CAI Chuang, CHENG Si-yuan, CAI Min, YANG XUE-rong, ZHANG Xiang-wei

(College of Electromechanics Engineering, Guangdong University of Technology , Guangzhou 510006,China)

At present, the reverse modeling method whose main purpose is to restore the original design intent and redesign is a hotspot of research direction in reverse engineering. Through analyzing and researching the reverse modeling methods based on surface and entity features, a kind of mixed reverse modeling method intergrated surface with entity features was put forward, and the process and application fields of the mixed reverse modeling method was also given. With the reverse modeling software Geomagic Studio and Geomagic Design Direct as platform, the feasibility and advantage of the mixed reverse modeling method is verified through typical example, which provided an effective solution for the reconstruction and redesign of the complex geometric model based on reverse engineering.

surface feature；entity feature；mixed modeling；reverse engineering

1001-2265(2016)04-0009-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.003

2015-06-10

國家自然科學基金資助項目(51105078)；廣東省科技計劃項目(2014A040401078，2013B061000006，2011A060901001)

蔡闖(1988—)，男，武漢人，廣東工業大學碩士研究生，研究方向為逆向工程，(E-mail)245055527@qq.com。

TH166;TG659

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