基于Geomagic Design X軟件曲面創(chuàng)建的分析研究

摘要：曲面是產(chǎn)品造型中最基本的構(gòu)成要素，曲面質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，分析逆向工程軟件Geomagic DesignX軟件各種曲面創(chuàng)建方法的特點和應(yīng)用場合，通過實踐操作可知所得到的曲面符合預(yù)期需求，同時也為應(yīng)用其他軟件構(gòu)面提供指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：逆向工程;Geomagic DesignX;曲面創(chuàng)建;曲面特點

中圖分類號：TP391文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0232-03

逆向工程技術(shù)，簡稱抄數(shù)技術(shù)，是以現(xiàn)有產(chǎn)品為模型，通過數(shù)字化測量設(shè)備和逆向軟件重構(gòu)產(chǎn)品的數(shù)字模型數(shù)據(jù)，利用獲取的點云數(shù)據(jù)來反求產(chǎn)品特征曲線的重構(gòu)與編輯、特征曲面的重構(gòu)與編輯并輸出產(chǎn)品的CAD模型。目前主流的正逆向軟件都具備逆向建模功能，Geomagic Design X軟件是功能最全面的逆向工程軟件，它能夠在不借助第三方軟件的前提下將點云數(shù)據(jù)重構(gòu)CAD模型，是將原始點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD數(shù)據(jù)的優(yōu)秀工具。

曲面是產(chǎn)品造型中最基本的構(gòu)成要素，曲面質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的表面是否符合工藝性要求、審美要求和質(zhì)量要求，Geomagic Design X逆向軟件提供強大的曲面構(gòu)建功能，針對不同曲面類型提供了多種創(chuàng)建曲面的方法以便能夠構(gòu)建符合質(zhì)量要求的曲面。

1 Geomagic Design軟件中曲面的創(chuàng)建方法

DX軟件提供基礎(chǔ)曲面命令、基本造型構(gòu)面命令、面片擬合命令、境界擬合命令、放樣命令、放樣向?qū)詈兔嫣钛a命令等七種常見的構(gòu)建曲面的方法，利用這些功能創(chuàng)建滿足要求的各類曲面特征。

1.1 基礎(chǔ)曲面命令構(gòu)面

利用基礎(chǔ)曲面命令可以構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)規(guī)則的曲面類型，可以構(gòu)建平面、圓柱面、圓錐面、球面和圓環(huán)面等六種曲面類型。利用此命令構(gòu)建曲面的前提是需提前劃分好點云數(shù)據(jù)上的領(lǐng)域特征，操作時只需要拾取相應(yīng)特征的領(lǐng)域即可構(gòu)建相應(yīng)的曲面特征類型。例如下圖1所示的圓錐面創(chuàng)建，當(dāng)此領(lǐng)域顯示為圓錐時用鼠標(biāo)放在圖示的領(lǐng)域上點擊即可。

這種構(gòu)面曲面的方法操作簡單，只要領(lǐng)域劃分合理，基本上就能得到所需的規(guī)則曲面。但由于此種方法是直接利用拾取領(lǐng)域來獲取曲面，會導(dǎo)致多個規(guī)則曲面之間的尺寸誤差和位置誤差，如對曲面的質(zhì)量要求較高還需在后續(xù)操作中進一步處理。

1.2 基本指令構(gòu)面

無論是正向建模還是逆向建模，常見的基本指令都有拉伸、回轉(zhuǎn)、掃描等命令，基本指令也是構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)規(guī)則曲面最常用的方法。這些基本指令的操作方式在正逆向軟件中基本一樣，需要先選取一個基準(zhǔn)面繪制草圖，然后利用拉伸、回轉(zhuǎn)、掃描等方式形成所需的規(guī)則特征曲面，基本操作步驟如圖2和如圖3所示。

利用基本指令構(gòu)面符合產(chǎn)品的正向設(shè)計思路，而且在草圖中能夠嚴格在尺寸和位置精度，因此所創(chuàng)建的曲面在精度上和質(zhì)量上都能得到保障，是構(gòu)建規(guī)則曲面的首選方法。

1.3 面片擬合命令構(gòu)面

面片擬合功能是DX軟件相對于其他正向軟件所特有的快速創(chuàng)建曲面的命令。它是將曲面擬合至所選領(lǐng)域或單元面上進而構(gòu)建滿足要求的曲面，該命令構(gòu)面的原理類似于正向設(shè)計中的四邊構(gòu)面方法，它利用所劃分的領(lǐng)域自動判斷出U-V線來構(gòu)建曲面，同時可以利用許可偏差f曲面的公差）和控制點數(shù)（增加或減少U-V線的數(shù)量）來改善曲面的質(zhì)量以滿足產(chǎn)品的表面要求，如圖4和圖5所示。

通過面片擬合構(gòu)建的曲面表面質(zhì)量高、曲面連續(xù)性好，適合于大部分非幾何規(guī)則的曲面創(chuàng)建，但是該命令對領(lǐng)域的劃分要求較高，特別是一些曲率變化較大的區(qū)域用面片擬合所創(chuàng)建的曲面質(zhì)量非常差。所以面片擬合命令主要用來曲率變化不大的大曲面構(gòu)建，對于曲率變化較大的曲面則后續(xù)通過曲面的裁剪、填補等操作來進行細節(jié)處理。

1.4 境界擬合命令構(gòu)面

該命令主要是對三角面片進行網(wǎng)格劃分，利用3D面片草圖功能在三角面片上繪制縱橫交錯的3D樣條曲線，并使外輪廓形成封閉的類四邊形網(wǎng)格曲線。境界擬合命令則能根據(jù)所繪制的3D樣條曲線自動擬合曲面并使生產(chǎn)的曲面貼合點云數(shù)據(jù)，進而完成網(wǎng)格曲面的創(chuàng)建。如果三角面片上出現(xiàn)特征變化明顯的區(qū)域則須通過在網(wǎng)格內(nèi)增加3D樣條曲線或調(diào)整許可偏差和控制點數(shù)來改善曲面的質(zhì)量以滿足產(chǎn)品的表面要求，如圖6和圖7所示。

該命令所創(chuàng)建的曲面表面質(zhì)量較差，曲面的連續(xù)性較差，但是構(gòu)面的效率相對較高，特別適合于面片表面特征變化明顯的區(qū)域（如工藝品的表面）、其他構(gòu)面方法不容易實現(xiàn)的區(qū)域和對表面質(zhì)量和平滑度要求不高的場合下。

1.5 放樣構(gòu)面

當(dāng)面片輪廓上的U或V線非常清晰的情況下，可以利用3D面片草圖功能在三角面片上繪制兩條或兩條以上的3D樣條曲線作為U或V線，利用放樣命令快速構(gòu)建曲面。為了提高曲面的表面質(zhì)量，一般所繪制的3D樣條曲線需許可偏差控制和平滑處理，如圖8和圖9所示。

另外，當(dāng)多個面的交界處連接質(zhì)量較差或需進行平滑處理時，一般的操作步驟是先進行曲面的邊界修剪，然后在利用修剪后的曲面邊界作為輪廓進行放樣來構(gòu)面，此時所創(chuàng)建的曲面通過與已存在的相鄰面進行G1或者G2約束來顯著的改善曲面的表面質(zhì)量，如圖10所示。

1.6 放樣向?qū)?gòu)面

放樣向?qū)?gòu)建曲面類似于放樣命令構(gòu)建曲面，不過放樣向?qū)钍腔趧澐值念I(lǐng)域來自動生成3D曲線或2D曲線作為放樣的U或V線，可方便構(gòu)建U或V線是開放或者封閉的輪廓線，同時可以通過控制斷面數(shù)的數(shù)量來調(diào)整曲面的質(zhì)量。該命令特別適合用于變管徑類曲面的創(chuàng)建或者U或V線比較明顯的曲面創(chuàng)建。例如圖11所示的花灑把手類似于管徑類曲面，就可以利用放樣向?qū)Э焖贅?gòu)建曲面。

1.7 面填補構(gòu)面

面填補命令根據(jù)所選曲面邊界創(chuàng)建曲面，在修復(fù)損壞曲面片或只封閉開放的曲面體方面十分有用。執(zhí)行面填補命令時，所選取的曲面邊線應(yīng)形成封閉的輪廓線，邊線的端點應(yīng)相交以免構(gòu)面失敗，同時還可以約束曲面與周邊曲面的連續(xù)性關(guān)系，進而控制整個曲面的表面質(zhì)量，如圖13和圖14所示。面填補命令構(gòu)面也是逆向建模過程中由曲面轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w的重要環(huán)節(jié)，通過面填補、縫合等操作即可實現(xiàn)。

2 各種構(gòu)面方法的特點

綜上所述，在DX軟件中常見的七種構(gòu)建曲面的方法，每種命令所創(chuàng)建的曲面都有其自身的特點，見表1所示。

（1）對于規(guī)則類曲面，利用基礎(chǔ)曲面命令和基本構(gòu)面命令，優(yōu)先利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等命令來創(chuàng)建，可提高曲面的表面質(zhì)量;對于非重要表面或尺寸誤差和位置誤差等要求不高的曲面也可使用基礎(chǔ)曲面命令快速創(chuàng)建曲面。

（2）對于非規(guī)則類曲率較小的大曲面，可采用面片擬合命令、放樣命令和放樣向?qū)顏硗瓿伞?/p>

（3）對于變管徑類曲面，采用放樣向?qū)羁煽焖偻瓿伞?/p>

（4）對于多個曲面的拼接面，一般使用放樣命令和面填補命令來完成，同時通過約束與其他面之間的關(guān)系提高產(chǎn)品表面的整體質(zhì)量。

（5）對于要求不高的曲面或者類似藝術(shù)品類表面，為了提高曲面的建模效率采用境界擬合命令來快速創(chuàng)建。

3 總結(jié)

曲面的創(chuàng)建是構(gòu)建復(fù)雜產(chǎn)品表面的關(guān)鍵，創(chuàng)建的曲面質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。本文介紹了各種曲面創(chuàng)建方法，通過分析各種創(chuàng)建方法時的構(gòu)面基礎(chǔ)、特點以及應(yīng)用場合，并通過大量的實踐操作證實在不同的場合下和不同的曲面質(zhì)量要求下這些曲面創(chuàng)建方法是行之有效的。當(dāng)然曲面的創(chuàng)建有時候需要靈活應(yīng)用多種方法的聯(lián)合操作才能滿足曲面的要求，本文中提到的思路僅為以后逆向操作中的曲面創(chuàng)建提供操作參考。

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