基于Geomagic Studio的沙滩车覆盖件快速曲面重建

张宏伟

摘要：本文依据逆向工程软件Geomgic Studio的基本工作流程，对沙滩车覆盖件进行了从点云到生成曲面的完整过程介绍。通过采用多边形处理，编辑曲面片的方法，使得的沙滩车覆盖件逆向曲面的平滑度得到了提高，形状误差减小，大大提高生产效率。

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.

关键词：逆向工程;快速曲面重建;偏差分析

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

中图分类号：U472.43                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0038-03

0  引言

沙滩车覆盖件的外形轮廓复杂，结构尺寸大，采用传统的正向设计方法存在设计周期长、精度低、修改量大等缺陷。逆向设计正是解决上述问题的重要手段，尤其适合复杂外形曲面的设计，具有设计速度快，质量高等优点。

逆向工程重新制造零件产品包括两方面的工作内容：产品的数字化和曲面重建。其中曲面重建是整个过程中最关键、最复杂的一个环节。相较于同类逆向软件CATIA，Geomagic Studio以三角Bezier曲面和NURBS曲面两种曲面重构理论，可以自动根据点云来构建任意复杂的精确曲面模型，该软件拥有效率高，曲面质量好的特点这就是所谓的快速曲面重建。Geomagic Studio快速曲面重建的流程为：①点云预处理;②基于点云构建三角曲面片;③对三角曲面片进行多边形处理;④对模型进行曲面编辑得到最后的CAD模型。

1  点云数据处理

由于三维扫描仪的自身扫描误差，显相剂喷涂均匀程度以及扫描环境等等原因，会产生一些坏点，比如体外点，噪音点以及产生点云重叠。对此类问题，Geomagic Studio通过“选择非连续项”、“选择体外孤点”、“减少噪音”等工具进行处理。很多大型的扫描件会有很多点云数据，会影响软件处理速度，通过软件中自带的采样工具来减少点云数量加快软件的处理速度。Geomagic Studio中有四种采样方式：统一采样、曲率采样、格栅采样、随机采样。大部分点云数据都采用统一采样，如果点云曲率改变较多，可以调整曲率优先的大小。

为了下一步集中进行多边形处理和曲面重构，需把处理好的点云模型进行拼接，再将经过拼接后的点云数据，最终进行合并封装处理。点云拼接如图1所示。其中图1（a）为固定件，图1（b）为浮动件，通过多点拼接工具选择两个部件的共同点即图1（a）、图1（b）中椭圆区，之后拼接得到图1（c）拼接后的点云模型。把拼接好的点云模型进行合并，分装得到多边形模型。

2  多边形处理

多边形处理是把点云数据通过软件自身计算评估转换成三角曲面片模型，方便快速曲面重建。在形成三角曲面片过程中会产生非流行边、自相交、高度折射边、尖状物、小组件以及孔等曲面片问题。这就需要对多边形阶段进行相应的编辑修改，这也正是确保平滑曲面的重要步骤之一。首先要进行删除重叠，非连接三角曲面片等处理，经过软件自动处理后进行就会出现坏孔，这时就需要通过软件中的填充孔工具，利用整体填充、填充部分的、生成桥以及清理三角片等填充方法对坏孔进行修补。如图2所示。其中图2（a）是经过多边形工具修整后的坏孔，图2（b）为利用了整体填充的方式填充孔后的修补效果。其中整体填充使用去曲率变化较小的平面，而填充部分与生成桥两种方法应用去曲率变化大的情况。

填充孔之后要对三角曲面片进行检查，来观察不平整或者曲面片严重失真的情况。再通过去除特征和砂化曲面片等工具进行局部修整，如图3、图4所示。

图3、图4中的图a均为不平整三角片，分别利用去除特征和砂化的效果得到了以上b图修正后的结果，去除特征的方法是根据曲面周围的曲率变化，来求该不平整特征适用于表面严重不平整，而砂化适用于曲面局部细化的修改。

修整好所有模型内的三角平面，接着要进行编辑边界。由于扫描过后一般扫描模型的边界都是不整齐的，需要我们手动进行编辑边界，通过减少边界控制点的个数以及编辑张力大小来修整边界，如图5所示，其中圖a中的绿线为原始扫描不平整边界，通过编辑修改边界控制点可以得到图b中平直的边界。

当三角曲面片修整满意时，最后利用网格医生对其进行相应的自相交、高度折射边、尖状物等问题三角曲面片的检测，最后要达到网格医生分析栏中所有问题均为0。

多边形阶段是整个快速曲面成形的质量保证，需要通过其多边形修补、平滑等以及边界的编辑操作对其进行精细修整，达到理想的三角曲面片模型。处理后对三角曲面片与原点云模型进行误差比较以便于偏差分析，如图6所示。

其中偏差最大距离为0.668mm，平均距离为0.016mm。从数据上看误差很小，满足逆向设计要求。

3  曲面重建

Geomagic Studio提供了两种曲面重建的方法：形状阶段和制作阶段。形状阶段是逆向思想的集中体现，尽可能的来反映扫描模型的原始数据，而制作阶段则是逆向和正向的集合，方便于复杂模型的分区域拟合曲面（包括自由曲面与规则曲面），针对沙滩车覆盖件曲面复杂精度要求不高，因而选择使用形状阶段来拟合曲面，便可迅速地提高覆盖件的逆向设计的效率。

进入曲面重建的形状阶段后，首先对模型进行探测轮廓线，如图7所示。通过对曲面轮廓线的探测以获得该模型的外形轮廓，其中通过调整曲率敏感性，分隔符敏感性以及最小区域来计算轮廓区域，手动调整轮廓线区域，观察模型实体描绘出模型轮廓区域，抽取轮廓线。之后细分延伸轮廓线，对轮廓线进行必要的修改调整防止轮廓线形成自交，对其进行升级/约束。

开始构造曲面片，之后点击修理曲面片，软件会自动识别有问题曲面片如：相交路径、较小的曲面片角度以及高度焦点。之后通过绘制曲面片、合并、松弛等工具来减少问题曲面片。通过细微曲面片的调整后，最终通过修理曲面片来检查错误，通过走查工具来一个一个检测问题曲面片，分别接合不同的方法来修整曲面片。如图8所示，图8（a）为问题曲面片网格，经过对相应区域网格边界的重新编辑得到图8（b）修改后的曲面片网格，以保证无问题曲面片出现。在修理曲面片中错误数为零时，开始执行构造格栅命令，其中请保持修复相交曲面片和检查几何图形，并最后拟合曲面，得到沙滩车覆盖件的平滑曲面如图9所示。从图9中可以看出本次逆向设计的曲面质量较好。

最后进行处理后的曲面模型与原扫描的点云模型进行3D偏差比较来进行偏差分析评判其平顺性，如图10所示。其中可以看出平均偏差值为0.050mm，标准偏差值为0.076mm。从偏差分析的数据可以看出，该重建曲面平均偏差较小，最后得到曲面模型已经达到其进度要求，通过编辑多边形和编辑曲面片可以高效地得到质量较好的曲面。

4  结语

本文接合Geomagic Studio对快速曲面建模的相關操作流程进行了介绍分析。首先介绍了点云数据处理，之后通过实例具体对多边形编辑和曲面编辑的方法应用进行了描述，并对两次处理后的数据进行偏差分析。通过最后的偏差精度比较，看出了这种的逆向设计方法适合于这种外形轮廓复杂，精度要求较低的覆盖件设计，大大提高了曲面重建的效率。

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