基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法研究*

蔡　闯，成思源，蔡　敏，杨雪荣，张湘伟

(广东工业大学 机电工程学院，广州　510006)



基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法研究*

蔡闯，成思源，蔡敏，杨雪荣，张湘伟

(广东工业大学 机电工程学院，广州510006)

当前，逆向工程中以还原原始设计意图和面向再设计为主要目的逆向建模方法是研究的热点方向。通过对基于曲面和基于实体特征的逆向建模方法进行分析和研究，提出一种基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法，并阐述了这种混合逆向建模方法的建模流程和应用领域。以逆向建模软件Geomagic Studio和Geomagic Design Direct为平台，通过典型实例验证了这种混合逆向建模方法的可行性和优势所在，为基于逆向工程的复杂几何模型的重构和再设计提供了一种有效的解决方法。

曲面特征；实体特征；混合建模；逆向工程

0　引言

逆向工程中，CAD模型重构的三个主要应用领域是：再制造，质量控制，基于重构模型修改的再设计[1]。逆向建模是指针对已有的产品模型，利用三维数字化测量设备如三坐标测量仪和光学测量仪，准确、快速地测量出产品表面的三维数据，然后在逆向建模软件中对测量数据进行处理，以重建产品CAD模型[2]。

结合基于曲面[3]的逆向建模方法中复杂自由曲面拟合功能的优势，以及基于实体特征[4]的逆向建模中对规则几何特征的识别、提取和再设计功能，本文提出一种基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法，能快速、有效地重构具有复杂、多种类型特征的产品实物的实体模型的逆向建模方法。

这种方法可以有效解决同时包含复杂曲面特征和规则实体特征的模型，例如涡轮叶片等，由于种种原因无法获取其原始设计CAD模型的重构，以及在重构出的CAD模型的基础上对破损零件进行修复的难题。

1　基于特征的建模方法

为了适应新技术的发展需要，将重构出的自由曲面和较为简单、规则的特征(如拉伸体、旋转体)通过布尔运算转化为较为复杂的实体，人们开始研究基于特征的造型技术，其中特征可以分为两类：曲面和实体特征，并提出了基于曲面和基于实体特征的建模方法。

基于曲面的逆向建模方法的建模思路是：点云数据经过预处理之后，封装得到三角多边形网格模型，对其进行网格划分，同时根据不同网格面区域所隐含的几何曲面特征来进行划分；再以人机交互的方式指定各子网格面区域所隐含的几何曲面特征，以及各子网格面区域之间的连接类型；然后对子网格面区域内的几何曲面特征进行拟合，以重构其几何曲面特征；最后对重构得到的几何曲面进行裁剪缝合操作以重构出曲面模型。这种方法重构得到的是曲面模型，可以自动化地拟合得到精度较高的复杂自由曲面[5]。不足之处为需要将重构得到模型转换到正向建模软件中，通过裁剪缝合操作得到实体模型后，才能进行再设计[6]。

基于实体特征的逆向建模方法的思路是：点云数据经过预处理之后，封装得到三角多边形网格模型，对其提取实体特征的二维轮廓曲线，然后应用实体建模操作构造得到相应的实体特征，能提取的实体特征包括了拉伸体、旋转体、扫掠体和放样体；然后对重构得到的多个实体特征进行布尔运算，继而进行倒角操作，以得到最终的实体模型。基于实体特征的逆向建模方法可从网格面模型中识别并提取实体特征，而且能通过直接编辑修改实体特征以实现再设计，可以高效率的重构出原始扫描数据不完整的模型。但是，由于只能重构较为规则的实体特征，因此应用范围较窄存在一定的局限性。通常适合一些特征较规则的零件模型的重构[7]。

2　基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法的应用

随着现代制造业的发展，工业产品和零部件的外观特征不再是仅由平面、二次曲面等规则曲面构成，或是仅由复杂的自由曲面构成[8]。因此若要对外观越来越多样性的产品或零部件模型进行逆向建模重构，在当前各类建模方法的建模能力受限的情况下，需结合不同建模方法的长处来实现复杂模型的逆向重构。

基于曲面和基于实体特征的逆向建模方法应用比较广泛。基于曲面的逆向建模方法重构得到的是曲面模型，可以自动化地拟合得到精度较高的复杂自由曲面。基于实体特的逆向建模方法可从网格面模型中识别并提取实体特征，而且可通过直接编辑修改实体特征以实现重构CAD模型基础上的再设计。

结合基于曲面的逆向建模方法中复杂自由曲面拟合功能，以及基于实体特征的逆向建模方法中规则几何特征的识别、提取和再设计功能，能有效、快速地重构具有复杂、多样外观特征的实体模型。这种方法的思路是：首先对原始采集数据进行预处理，封装得到三角多边形网格面模型，再对网格面模型进行去噪、精简、光顺等优化处理，以便能得到表面质量较好的多边形网格模型；然后在不同平台下分别应用基于曲面和基于实体特征的逆向建模方法从处理后的网格面模型中分别拟合出曲面特征和规则实体特征，最后通过数据交换对拟合实体特征进行布尔运算以重构最终的实体模型。基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法的建模流程如图1所示。

图1　基于曲面和实体特征的混合逆向建模流程

目前，已有的逆向建模方法和应用软件的建模范围比较狭窄，重构模型的精度无法满足下游的CAD/CAE要求，或对重构的CAD模型进行再设计时不够便捷。基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法，为复杂产品的实体模型重构提供了可靠的借鉴方案。

3　实例

本文将介绍应用基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法，在逆向建模软件Geomagic Studio和Geomagic Design Direct中重构涡轮叶片实体模型的详细建模流程[9]。

据统计，在我国每年都大约有600万美元的涡轮叶片修复需求[10]。虽然已有国内公司通过引进国外公司的修复、再制造技术专利已在国内开展叶片修复服务，但在技术上仍然受到一定限制，且费用昂贵。这种新的设计方法为复杂产品实物(如涡轮的叶轮)的CAD模型重构提供了一个有效的途径。对弥补国内涡轮叶片修复领域的技术不足具有一定意义。

3.1网格面处理

通过手持式扫描仪获取模型的表面点云数据，然后在Geomagic Studio中对点云数据进行预处理，并封装成网格面模型[11]。

本文所用的案例是涡轮发动机的叶轮模型，从其原始网格面数据(图2a)可以看出，网格面模型的表面存在一些凹坑、数字、字母凸纹等，需对这些区域进行光顺处理。在Geomagic Studio的多边形模块下有丰富的网格面处理工具，经过松弛、减少噪音、去除特征等工具处理后的网格面模型如图2b所示。处理后的网格面模型经网格面检查工具检测出不容易被肉眼发现的错误，如钉状物、孔洞等错误网格面片，并修复后才可从网格面模型中拟合目标曲面，否则曲面拟合时将出现错误曲面、误差较大等情况。

(a) 处理前　　　　　　　　(b) 处理后

3.2拟合曲面

观察该叶轮模型的叶片特征后可知其叶片分为大、小叶片两种，而且它们均为阵列特征，共16片。因此，在拟合叶片的曲面特征时，只需拟合大、小叶片的各两张曲面，其它叶片的曲面可在实体模型重构时，应用基于实体特征的逆向建模方法重构出来。另外，叶轮中轴顶部的凹面不属于球面和旋转面，需应用基于曲面的逆向建模方法拟合重构。拟合曲面时，首先选择相应的网格面区域以确认在所选区域拟合曲面，如图3a中黄色轮廓线内的网格面区域即为选定的曲面拟合区域，拟合得到的曲面如图3b中蓝色曲面所示。在Geomagic Studio中将拟合的叶片曲面存为iges格式的数据，处理后的叶轮网格面模型存为stl格式数据，用于在后续操作中分别导入Geomagic Design Direct中进行基于实体特征的逆向建模。

(a) 选定拟合区域　　　　　(b) 曲面拟合结果

拟合复杂自由曲面后，应用其偏差分析工具检查拟合结果。若偏差过大，应调整曲面的拟合参数和边界，以获取更佳的拟合结果。拟合曲面的偏差分析结果如图4所示，其中，标准偏差值为0.015mm。

图4　复杂自由曲面拟合结果的偏差分析

3.3提取实体特征

把处理后的叶轮网格面模型的stl格式数据导入到Geomagic Design Direct中。涡轮叶片模型的中间部分是旋转体特征，由于模型上叶片特征过于扭曲，导致无法选中恰当的子网格面区域以直接提取旋转体特征。但选择坐标系中的基准面作为截面以获取旋转体的截面线草图、将z轴作为旋转轴，如图5a所示，同样可以重构得到旋转体特征。对旋转体的截面线草图编辑处理后，应用旋转工具重构的旋转体如图5b所示。

(a) 旋转体的截面线　　　　　　(b) 旋转体

继续导入叶片曲面iges格式的数据。大、小叶片的实体特征重构都是应用拉伸和布尔运算操作来实现的，重构过程相同，以小叶片的构造为例进行介绍。首先选择小叶片特征两个曲面中的曲面1作为目标曲面，再拉伸目标曲面以生成实体，然后拉伸曲面2的边界增大其范围。最后，将拉伸目标曲面得到的实体作为主对象、增大的曲面2作为刀具对象，经布尔运算后构造得到小叶片的实体特征。小叶片实体构造的过程如图6所示。

图6　小叶片的实体重构

3.4正向建模

各个实体特征重构完成后，首先对构造的叶片实体特征进行阵列处理：将z轴作为阵列中心，阵列的个数为8，其中对大、小叶片进行阵列操作的方法和数量一样。然后对旋转体特征、叶片实体阵列特征和曲面特征进行布尔运算以重构最终的实体模型，最后得到的涡轮叶片实体模型如图7所示。

图7　重构的叶轮实体模型

将封装得到的原始网格面模型光顺处理后作为参考对象，以重构的实体模型为测试对象进行误差分析进行重构叶轮精度评价。分析的结果如图8所示，标准偏差为0.08mm。

图8　实体模型的精度分析

4　结论

本文主要分析了基于曲面的逆向建模方法和基于实体特征的逆向建模方法的特点，并结合这两种方法的优势，提出了基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法。这种混合逆向建模方法可以高精度的拟合出复杂自由曲面，同时能对实体特征进行识别与提取，参数化再设计。该方法的提出对同时包含复杂自由曲面和规则实体特征产品实物的CAD模型重构提供了一个可行的方法，为航空发动机叶轮的修复与模型重构提出了一种新的思路。

[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，杨雪荣，等.基于Geomagic Design Direct的残缺数据实体重构[J].组合机床与自动化加工技术,2015(3):21-23.

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

[4] 谭昌柏.逆向工程中基于特征的实体模型重建关键技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.

[5] BenkÖP, 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] 余国鑫.逆向工程曲面重建技术的研究与应用[D].广州:广东工业大学,2008.

[9] 贺美芳.基于散乱点云数据的曲面重建关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2006.

[10] 涡轮叶片修复新技术[EB/OL]. 2015,http://www.delcam.com.cn/news/oct5_06.htm.

[11] 成思源,杨雪荣.Geomagic Design Direct逆向设计技术及应用[M].北京：清华大学出版社,2015.

(编辑赵蓉)

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

国家自然科学基金资助项目(51105078)；广东省科技计划项目(2014A040401078，2013B061000006，2011A060901001)

蔡闯(1988—)，男，武汉人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为逆向工程，(E-mail)245055527@qq.com。

TH166;TG659

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