基于Geomagic Design X软件曲面创建的分析研究

摘要：曲面是产品造型中最基本的构成要素，曲面质量直接关系到产品质量，分析逆向工程软件Geomagic DesignX软件各种曲面创建方法的特点和应用场合，通过实践操作可知所得到的曲面符合预期需求，同时也为应用其他软件构面提供指导意义。

关键词：逆向工程;Geomagic DesignX;曲面创建;曲面特点

中图分类号：TP391文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0232-03

逆向工程技术，简称抄数技术，是以现有产品为模型，通过数字化测量设备和逆向软件重构产品的数字模型数据，利用获取的点云数据来反求产品特征曲线的重构与编辑、特征曲面的重构与编辑并输出产品的CAD模型。目前主流的正逆向软件都具备逆向建模功能，Geomagic Design X软件是功能最全面的逆向工程软件，它能够在不借助第三方软件的前提下将点云数据重构CAD模型，是将原始点云数据转换为CAD数据的优秀工具。

曲面是产品造型中最基本的构成要素，曲面质量的好坏直接关系到产品的表面是否符合工艺性要求、审美要求和质量要求，Geomagic Design X逆向软件提供强大的曲面构建功能，针对不同曲面类型提供了多种创建曲面的方法以便能够构建符合质量要求的曲面。

1 Geomagic Design软件中曲面的创建方法

DX软件提供基础曲面命令、基本造型构面命令、面片拟合命令、境界拟合命令、放样命令、放样向导命令和面填补命令等七种常见的构建曲面的方法，利用这些功能创建满足要求的各类曲面特征。

1.1 基础曲面命令构面

利用基础曲面命令可以构建几何结构规则的曲面类型，可以构建平面、圆柱面、圆锥面、球面和圆环面等六种曲面类型。利用此命令构建曲面的前提是需提前划分好点云数据上的领域特征，操作时只需要拾取相应特征的领域即可构建相应的曲面特征类型。例如下图1所示的圆锥面创建，当此领域显示为圆锥时用鼠标放在图示的领域上点击即可。

这种构面曲面的方法操作简单，只要领域划分合理，基本上就能得到所需的规则曲面。但由于此种方法是直接利用拾取领域来获取曲面，会导致多个规则曲面之间的尺寸误差和位置误差，如对曲面的质量要求较高还需在后续操作中进一步处理。

1.2 基本指令构面

无论是正向建模还是逆向建模，常见的基本指令都有拉伸、回转、扫描等命令，基本指令也是构建几何结构规则曲面最常用的方法。这些基本指令的操作方式在正逆向软件中基本一样，需要先选取一个基准面绘制草图，然后利用拉伸、回转、扫描等方式形成所需的规则特征曲面，基本操作步骤如图2和如图3所示。

利用基本指令构面符合产品的正向设计思路，而且在草图中能够严格在尺寸和位置精度，因此所创建的曲面在精度上和质量上都能得到保障，是构建规则曲面的首选方法。

1.3 面片拟合命令构面

面片拟合功能是DX软件相对于其他正向软件所特有的快速创建曲面的命令。它是将曲面拟合至所选领域或单元面上进而构建满足要求的曲面，该命令构面的原理类似于正向设计中的四边构面方法，它利用所劃分的领域自动判断出U-V线来构建曲面，同时可以利用许可偏差f曲面的公差）和控制点数（增加或减少U-V线的数量）来改善曲面的质量以满足产品的表面要求，如图4和图5所示。

通过面片拟合构建的曲面表面质量高、曲面连续性好，适合于大部分非几何规则的曲面创建，但是该命令对领域的划分要求较高，特别是一些曲率变化较大的区域用面片拟合所创建的曲面质量非常差。所以面片拟合命令主要用来曲率变化不大的大曲面构建，对于曲率变化较大的曲面则后续通过曲面的裁剪、填补等操作来进行细节处理。

1.4 境界拟合命令构面

该命令主要是对三角面片进行网格划分，利用3D面片草图功能在三角面片上绘制纵横交错的3D样条曲线，并使外轮廓形成封闭的类四边形网格曲线。境界拟合命令则能根据所绘制的3D样条曲线自动拟合曲面并使生产的曲面贴合点云数据，进而完成网格曲面的创建。如果三角面片上出现特征变化明显的区域则须通过在网格内增加3D样条曲线或调整许可偏差和控制点数来改善曲面的质量以满足产品的表面要求，如图6和图7所示。

该命令所创建的曲面表面质量较差，曲面的连续性较差，但是构面的效率相对较高，特别适合于面片表面特征变化明显的区域（如工艺品的表面）、其他构面方法不容易实现的区域和对表面质量和平滑度要求不高的场合下。

1.5 放样构面

当面片轮廓上的U或V线非常清晰的情况下，可以利用3D面片草图功能在三角面片上绘制两条或两条以上的3D样条曲线作为U或V线，利用放样命令快速构建曲面。为了提高曲面的表面质量，一般所绘制的3D样条曲线需许可偏差控制和平滑处理，如图8和图9所示。

另外，当多个面的交界处连接质量较差或需进行平滑处理时，一般的操作步骤是先进行曲面的边界修剪，然后在利用修剪后的曲面边界作为轮廓进行放样来构面，此时所创建的曲面通过与已存在的相邻面进行G1或者G2约束来显著的改善曲面的表面质量，如图10所示。

1.6 放样向导构面

放样向导构建曲面类似于放样命令构建曲面，不过放样向导命令是基于划分的领域来自动生成3D曲线或2D曲线作为放样的U或V线，可方便构建U或V线是开放或者封闭的轮廓线，同时可以通过控制断面数的数量来调整曲面的质量。该命令特别适合用于变管径类曲面的创建或者U或V线比较明显的曲面创建。例如图11所示的花洒把手类似于管径类曲面，就可以利用放样向导快速构建曲面。

1.7 面填补构面

面填补命令根据所选曲面边界创建曲面，在修复损坏曲面片或只封闭开放的曲面体方面十分有用。执行面填补命令时，所选取的曲面边线应形成封闭的轮廓线，边线的端点应相交以免构面失败，同时还可以约束曲面与周边曲面的连续性关系，进而控制整个曲面的表面质量，如图13和图14所示。面填补命令构面也是逆向建模过程中由曲面转变为实体的重要环节，通过面填补、缝合等操作即可实现。

2 各种构面方法的特点

综上所述，在DX软件中常见的七种构建曲面的方法，每种命令所创建的曲面都有其自身的特点，见表1所示。

（1）对于规则类曲面，利用基础曲面命令和基本构面命令，优先利用拉伸、旋转、扫描等命令来创建，可提高曲面的表面质量;对于非重要表面或尺寸误差和位置误差等要求不高的曲面也可使用基础曲面命令快速创建曲面。

（2）对于非规则类曲率较小的大曲面，可采用面片拟合命令、放样命令和放样向导命令来完成。

（3）对于变管径类曲面，采用放样向导命令可快速完成。

（4）对于多个曲面的拼接面，一般使用放样命令和面填补命令来完成，同时通过约束与其他面之间的关系提高产品表面的整体质量。

（5）对于要求不高的曲面或者类似艺术品类表面，为了提高曲面的建模效率采用境界拟合命令来快速创建。

3 总结

曲面的创建是构建复杂产品表面的关键，创建的曲面质量直接关系到产品的质量。本文介绍了各种曲面创建方法，通过分析各种创建方法时的构面基础、特点以及应用场合，并通过大量的实践操作证实在不同的场合下和不同的曲面质量要求下这些曲面创建方法是行之有效的。当然曲面的创建有时候需要灵活应用多种方法的联合操作才能满足曲面的要求，本文中提到的思路仅为以后逆向操作中的曲面创建提供操作参考。

参考文献：

[1]惠延波.曲面拟合中境界拟合与面片拟合方法的探究[J].机械研究与应用，2016 （1）：92-94.

[2]陈周五.基于摇臂杆件的逆向工程设计与研究[J].湖南工程学院学报：自然科学版，2019（3）：33-36.

[3]高一宁.基于深度图像的三维重建中三角面片划分算法的研究[D].太原：中北大学，2011：15-16.