基于Geomagic Studio的沙灘車覆蓋件快速曲面重建

張宏偉

摘要：本文依據逆向工程軟件Geomgic Studio的基本工作流程，對沙灘車覆蓋件進行了從點云到生成曲面的完整過程介紹。通過采用多邊形處理，編輯曲面片的方法，使得的沙灘車覆蓋件逆向曲面的平滑度得到了提高，形狀誤差減小，大大提高生產效率。

Abstract： This article introduces the complete process from point cloud to generating surface of ATV covering parts，which is based on the basic work flow of reverse engineering software Geomagic Studio.It is the adoption of the method of the polygon and surface polygon that improves the smoothness of the covering parts surfaces，reduce the form error and enhance productivity greatly.

關鍵詞：逆向工程;快速曲面重建;偏差分析

Key words： reverse engineering;rapid surfacing reconstruction;deviation analysis

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0038-03

0? 引言

沙灘車覆蓋件的外形輪廓復雜，結構尺寸大，采用傳統的正向設計方法存在設計周期長、精度低、修改量大等缺陷。逆向設計正是解決上述問題的重要手段，尤其適合復雜外形曲面的設計，具有設計速度快，質量高等優點。

逆向工程重新制造零件產品包括兩方面的工作內容：產品的數字化和曲面重建。其中曲面重建是整個過程中最關鍵、最復雜的一個環節。相較于同類逆向軟件CATIA，Geomagic Studio以三角Bezier曲面和NURBS曲面兩種曲面重構理論，可以自動根據點云來構建任意復雜的精確曲面模型，該軟件擁有效率高，曲面質量好的特點這就是所謂的快速曲面重建。Geomagic Studio快速曲面重建的流程為：①點云預處理;②基于點云構建三角曲面片;③對三角曲面片進行多邊形處理;④對模型進行曲面編輯得到最后的CAD模型。

1? 點云數據處理

由于三維掃描儀的自身掃描誤差，顯相劑噴涂均勻程度以及掃描環境等等原因，會產生一些壞點，比如體外點，噪音點以及產生點云重疊。對此類問題，Geomagic Studio通過“選擇非連續項”、“選擇體外孤點”、“減少噪音”等工具進行處理。很多大型的掃描件會有很多點云數據，會影響軟件處理速度，通過軟件中自帶的采樣工具來減少點云數量加快軟件的處理速度。Geomagic Studio中有四種采樣方式：統一采樣、曲率采樣、格柵采樣、隨機采樣。大部分點云數據都采用統一采樣，如果點云曲率改變較多，可以調整曲率優先的大小。

為了下一步集中進行多邊形處理和曲面重構，需把處理好的點云模型進行拼接，再將經過拼接后的點云數據，最終進行合并封裝處理。點云拼接如圖1所示。其中圖1（a）為固定件，圖1（b）為浮動件，通過多點拼接工具選擇兩個部件的共同點即圖1（a）、圖1（b）中橢圓區，之后拼接得到圖1（c）拼接后的點云模型。把拼接好的點云模型進行合并，分裝得到多邊形模型。

2? 多邊形處理

多邊形處理是把點云數據通過軟件自身計算評估轉換成三角曲面片模型，方便快速曲面重建。在形成三角曲面片過程中會產生非流行邊、自相交、高度折射邊、尖狀物、小組件以及孔等曲面片問題。這就需要對多邊形階段進行相應的編輯修改，這也正是確保平滑曲面的重要步驟之一。首先要進行刪除重疊，非連接三角曲面片等處理，經過軟件自動處理后進行就會出現壞孔，這時就需要通過軟件中的填充孔工具，利用整體填充、填充部分的、生成橋以及清理三角片等填充方法對壞孔進行修補。如圖2所示。其中圖2（a）是經過多邊形工具修整后的壞孔，圖2（b）為利用了整體填充的方式填充孔后的修補效果。其中整體填充使用去曲率變化較小的平面，而填充部分與生成橋兩種方法應用去曲率變化大的情況。

填充孔之后要對三角曲面片進行檢查，來觀察不平整或者曲面片嚴重失真的情況。再通過去除特征和砂化曲面片等工具進行局部修整，如圖3、圖4所示。

圖3、圖4中的圖a均為不平整三角片，分別利用去除特征和砂化的效果得到了以上b圖修正后的結果，去除特征的方法是根據曲面周圍的曲率變化，來求該不平整特征適用于表面嚴重不平整，而砂化適用于曲面局部細化的修改。

修整好所有模型內的三角平面，接著要進行編輯邊界。由于掃描過后一般掃描模型的邊界都是不整齊的，需要我們手動進行編輯邊界，通過減少邊界控制點的個數以及編輯張力大小來修整邊界，如圖5所示，其中圖a中的綠線為原始掃描不平整邊界，通過編輯修改邊界控制點可以得到圖b中平直的邊界。

當三角曲面片修整滿意時，最后利用網格醫生對其進行相應的自相交、高度折射邊、尖狀物等問題三角曲面片的檢測，最后要達到網格醫生分析欄中所有問題均為0。

多邊形階段是整個快速曲面成形的質量保證，需要通過其多邊形修補、平滑等以及邊界的編輯操作對其進行精細修整，達到理想的三角曲面片模型。處理后對三角曲面片與原點云模型進行誤差比較以便于偏差分析，如圖6所示。

其中偏差最大距離為0.668mm，平均距離為0.016mm。從數據上看誤差很小，滿足逆向設計要求。

3? 曲面重建

Geomagic Studio提供了兩種曲面重建的方法：形狀階段和制作階段。形狀階段是逆向思想的集中體現，盡可能的來反映掃描模型的原始數據，而制作階段則是逆向和正向的集合，方便于復雜模型的分區域擬合曲面（包括自由曲面與規則曲面），針對沙灘車覆蓋件曲面復雜精度要求不高，因而選擇使用形狀階段來擬合曲面，便可迅速地提高覆蓋件的逆向設計的效率。

進入曲面重建的形狀階段后，首先對模型進行探測輪廓線，如圖7所示。通過對曲面輪廓線的探測以獲得該模型的外形輪廓，其中通過調整曲率敏感性，分隔符敏感性以及最小區域來計算輪廓區域，手動調整輪廓線區域，觀察模型實體描繪出模型輪廓區域，抽取輪廓線。之后細分延伸輪廓線，對輪廓線進行必要的修改調整防止輪廓線形成自交，對其進行升級/約束。

開始構造曲面片，之后點擊修理曲面片，軟件會自動識別有問題曲面片如：相交路徑、較小的曲面片角度以及高度焦點。之后通過繪制曲面片、合并、松弛等工具來減少問題曲面片。通過細微曲面片的調整后，最終通過修理曲面片來檢查錯誤，通過走查工具來一個一個檢測問題曲面片，分別接合不同的方法來修整曲面片。如圖8所示，圖8（a）為問題曲面片網格，經過對相應區域網格邊界的重新編輯得到圖8（b）修改后的曲面片網格，以保證無問題曲面片出現。在修理曲面片中錯誤數為零時，開始執行構造格柵命令，其中請保持修復相交曲面片和檢查幾何圖形，并最后擬合曲面，得到沙灘車覆蓋件的平滑曲面如圖9所示。從圖9中可以看出本次逆向設計的曲面質量較好。

最后進行處理后的曲面模型與原掃描的點云模型進行3D偏差比較來進行偏差分析評判其平順性，如圖10所示。其中可以看出平均偏差值為0.050mm，標準偏差值為0.076mm。從偏差分析的數據可以看出，該重建曲面平均偏差較小，最后得到曲面模型已經達到其進度要求，通過編輯多邊形和編輯曲面片可以高效地得到質量較好的曲面。

4? 結語

本文接合Geomagic Studio對快速曲面建模的相關操作流程進行了介紹分析。首先介紹了點云數據處理，之后通過實例具體對多邊形編輯和曲面編輯的方法應用進行了描述，并對兩次處理后的數據進行偏差分析。通過最后的偏差精度比較，看出了這種的逆向設計方法適合于這種外形輪廓復雜，精度要求較低的覆蓋件設計，大大提高了曲面重建的效率。

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