|
摘要：根据目前逆向工程CAD建模中存在的问题，提出一种基于三角Bezier曲面模型初始表达的跨平台产品逆向工程CAD建模策略，既能利用三角Bezier曲面的优势，又能有效地与通用CAD软件集成。对涉及产品逆向建模方案、数字化测量规划、实际建模过程和再创新设计等具体内容进行了详细阐述，并结合具体实例说明了该方法的可行性和有效性。
关键词：曲面造型；逆向工程；三角曲面；B样条曲面
1 概述
利用多个CAD软件集成解决复杂产品的逆向工程CAD建模问题具有许多优点，一方面，这种基于高速数字化测量技术支持的逆向工程CAD建模方法，使产品逆向工程设计能够充分利用商品化三维CAD软件等现有资源来解决基于原形的产品快速CAD建模和创新开发问题；另一方面，由于增加了专门处理“点云”数据的软件和技术，使复杂产品逆向设计的效率和质量都有很大提高[1～3]。
目前专门针对逆向工程CAD建模的软件有很多，如STRIM100、Surfacer、DelCopy等。这些软件在处理测量数据造型方面有各自的特点，但主要思想基本是相同的[4]，即由点构造曲线，再从曲线构造曲面。这种处理方式是目前逆向工程CAD建模中最为普通的方法。以STRIM100软件为例，处理逆向工程CAD产品建模的主要步骤如下：1制定测量规划；2读入测量数据；3校核、编辑测量数据；4以交互方式建立特征曲线；5校核所建曲线质量；6生成曲面模型；7对曲面模型进行校核；8转化为实体模型并进行补充造型。
可以看出，逆向工程CAD建模过程是一个由“点”到“线”再到“面”，最后生成实体的复杂过程，一般采用B样条或NURBS曲面等具有统一参数域的矩形曲面作为数学模型。在这种方法中，曲线的质量最终决定了曲面的品质。随着产品复杂程度的提高，只有通过分块构造才能使曲面的参数线在局部区域基本保证与几何特征的对应关系，从而保证模型局部质量。采用这种方法解决复杂产品逆向工程建模时，在曲线构造和分析处理方面往往需要花费很多的时间。如轿车车门内饰板零件，一般需要60～80个工作日才能完成CAD建模。
由于三角曲面对数据拓扑关系具有较宽的适应性和良好的保形性，使三角曲面特别适合于描述产品外形中自由曲面部分，这也正是逆向工程CAD建模中最难处理的部分。因此，以三角曲面模型作为产品逆向工程CAD建模的数学方法对提高逆向工程CAD建模的速度和精度有重要意义[2，5～9]。目前，关于三角曲面的理论和应用算法，如数据三角化、曲面平滑、曲面求交、曲面裁剪和曲面过渡等问题的研究已经取得了很多成果[6～9]，使三角曲面在逆向工程CAD建模中的实际应用成为可能。
为了将三角曲面的特点和优势与商业CAD软件有效集成，本文提出了一种基于三角曲面初始表达的跨平台逆向工程CAD建模策略，以达到既能充分利用三角曲面模型在逆向工程CAD建模领域的优越性，又能解决专用逆向工程CAD软件与通用CAD软件集成的目的。
2 基于三角曲面模型的逆向工程CAD建模方法
为了达到上述目的，在基于三角曲面模型的逆向工程CAD产品建模方法中，存在以下两个方面的关键技术：1根据测量数据构造三角曲面模型；2根据三角曲面模型重构B样条曲面模型，实现三角曲面模型与通用CAD软件之间有效集成。将已有的三角曲面模型转换为B样条曲面模型并进入通用CAD/CAM软件中完成产品的全部造型和再创新设计工作，是产品逆向工程的关键步骤。
为了充分利用三角曲面的建模优势，注意到复杂产品构成的多样性，我们将三角曲面模型与通用CAD软件相结合，用三角曲面模型表达产品的自由曲面部分，用通用CAD软件中现有的造型方法表达产品的规则部分，并进行局部细节补充设计，充分发挥各自的特点，快速、准确地建立产品的CAD模型。图1说明了这种基于三角曲面模型的复杂产品逆向工程CAD建模方法及过程。我们将该过程分为产品认识阶段、产品建模阶段和产品制造阶段3个部分。 （图片） 2.1 产品认识阶段
产品认识阶段就是通过对产品的外形特征分析，推断出产品的设计过程，为产品的反求建模提供一个准确的指导，也可将该阶段称为反向设计分解阶段。通过反向设计分解，确定整个产品在逆向工程CAD建模过程中应该采用何种手段、需要哪些数据才可以完成产品建模工作，即确定产品造型和再创新设计方案。
一般来讲，对一个实物样件可以将外形分为规则部分(如平面、圆柱、圆孔或一些筋板、凸台等可由通用CAD软件充分表达的部分)和不规则部分(如自由曲面区域)。根据这个划分，可以将不规则部分利用三角曲面模型进行建模；对于规则部分利用通用CAD软件进行补充设计。这样在建模时就可以根据两部分各自的特点采用不同的手段。同时这种划分也影响到数据测量方法。对于需要采用三角曲面模型建模的不规则部分在测量时需要用密集的数据来描述曲面的形状；而规则部分在测量时仅测量关键的位置和形状数据等少数信息即可。
图2所示产品是型号工程中的气道零件。从产品样件可以看出，该零件由规则部分(包括平面A、平面B、小圆角C、D和孔A、B)和不规则部分(中间的自由曲面部分)构成。通过对产品的分析可以认为，过渡圆角C、D部分可以由平面B、A分别与自由曲面部分求交然后倒圆角得到，而且经过这样处理的圆角部分相当于再次设计的结果，与产品的原设计能够较好地吻合；孔A、B可以由测量的边界通过在平面A、B上裁剪得到。因此，可以将上述规则部分留在通用CAD软件中进行，而对自由曲面部分进行三角曲面造型。（图片）
图2 基于三角曲面模型的产品逆向工程CAD建模 由于测量手段和技术的限制，对实物进行数据测量时往往不能完全到达实物的边界，有些情况下实物样件的边界部分存在磨损或缺陷。因此CAD模型的边界不能完全依靠测量数据确定，而是应该在曲面延伸的基础上，利用测量数据在某一方向上的准确性，对曲面进行裁剪得到模型的准确边界。
在某些情况下，产品的曲面部分可能存在孔洞或其它缺陷(如图2中零件的孔)，对这些孔洞部分如果直接利用测量数据造型，同样存在上述边界确定问题。较好的处理手段是在测量孔洞内边界的基础上将其在整体构造的曲面模型中裁剪出来，既符合设计思路，又保证模型质量。此时需要在测量前对产品样件进行处理，对于需要利用三角曲面模型裁剪得到的孔洞可以利用石膏或其它材料将孔洞部分预先填充起来，并与其它部分一起进行测量和整体造型，然后裁剪得到；对于可以在通用CAD软件中利用裁剪方式得到的孔洞则可以单独测量其位置、形状等数据。
通过上述分析可以看出，产品造型方案的确定对后续步骤起关键作用，后续工作都是在造型方案的指导下进行的。
2.2 产品建模阶段
(1)制定测量规划 测量规划的制定需要以产品造型方案为基础，并考虑具体采用何种测量设备。根据测量设备不同，有时需要将整个产品外形划分为若干区域分别进行测量。测量分块的原则需要结合测量设备、测量方式、产品实物和造型人员对数据的要求确定，不能在产品分析不完全、不与造型人员沟通的情况下进行测量。做到“测需要测的数据”，避免测量数据不能为造型所用，或为后续工作留下隐患。
对图2所示的产品，可以制定如下测量规划：对自由曲面部分，利用扫描测量得到密集的扫描数据，进行三角曲面建模；对平面部分，只测量几条扫描线即可；采用单点测量方式准确测量产品的边界，对复杂的三维边界应保证测准一个方向上的数据，确保最终模型裁剪边界的准确性；对小孔部分单独测量，包括孔的位置和直径等。
(2)测量及测量数据修正 在测量规划的指导下，利用测量设备对产品进行测量。一般情况下，由于所测量的零件都存在误差和缺陷，需要对测量数据进行必要的修正。修正的内容包括剔除测量过程中产生的噪声点，对测量数据进行局部光顺处理等。
(3)根据测量数据构造三角曲面 由测量数据构造三角曲面模型是三角曲面在逆向工程中应用的重点。在三角曲面构造过程中，除了保证三角曲面的保形性以外，三角曲面的品质也是我们非常关注的问题。由于三角曲面的品质对三角形网格的连接关系十分敏感，因此三角网格的连接优化问题尤其重要。三角曲面的品质好，对后续重构四边曲面(B样条曲面)就奠定了一个好的基础；反之，品质不好的三角曲面会严重影响重构曲面的光顺。图3a、图3b分别是图2产品中根据测量数据构造的三角曲面模型。（图片）
(a)网格模型 (b)光照模型
图3 由扫描测量数据构造的三角曲面模型 (4)三角曲面转化为四边曲面 本文提出的分区域重构曲面方法，充分利用了三角曲面提供的几何信息，对三角曲面模型按照区域分块结果分区域重构B样条曲面，最终得到整体G′光滑拼接的组合B样条曲面模型，实现了三角曲面向四边曲面的转换，为复杂产品逆向工程CAD建模方法解决了一个难点问题。图4a、图4b分别是图2产品中三角曲面部分转换为B样条曲面后的线框图和光照图。（图片）
(a)线框模型 (b)光照模型
图4 重构的B样条曲面 (5)产品再创新设计 对产品零件中一些规则实体，如筋板、凸台等，可以利用通用CAD软件的强大功能进行补充造型，也可以在此模型基础上完成局部创新设计。通过IGES文件将重构好的B样条曲面输入到通用CAD软件中，同时将规则实体的相关测量数据也输入到系统中进行补充造型。在通用CAD软件中可以实现自由曲面部分的延伸、求交、裁剪、过渡等工作，同时利用边界测量数据对曲面进行边界裁剪，确定产品的最终边界，得到需要的CAD模型。
2.3 产品制造检验阶段
完成产品的CAD建模后就可以利用通用CAD/CAM软件产生NC代码完成数控加工或通过RP设备完成产品原型制造。对加工出的零件进行品质和精度检验与评价，判断所用CAD模型是否达到要求，否则可对CAD模型进行修改，最终设计制造出符合用户要求的产品。
3 结论
本文以逆向工程CAD软件QuickForm为基本平台，提出了基于三角曲面模型的逆向工程CAD建模方法。该方法充分利用了三角曲面模型在测量数据造型方面的优势，将三角曲面模型与通用CAD/CAM软件结合起来，达到高效、准确建立产品CAD模型的目的。
本文提出的建模方法经过航空、汽车、摩托车等不同应用领域大量产品造型实例的验证(图5～图8分别是汽车零件和摩托车零件的造型实例)。（图片）
图5 汽车零件的扫描测量数据 图6 产品的曲面模型 （图片）
图7摩托车零件的扫描测量数据 图8产品的曲面模型 通过这些实例充分说明它是解决复杂产品逆向工程CAD快速建模的一种有效手段。以此技术为基础研究开发的逆向工程软件QuickForm将与快速原型系统相结合，可进一步在产品快速开发和创新设计领域推广应用。
参考文献：
[1] MotavalliS. Review of Reverse Engineering Aproaches. Computers & Industrial Engineering, 1998, 35(1):25～28
[2] TamasV, RalphRM. Research Reverse Engineer-ing of Geometric Models - an Introduction. CAD, 1997, 29(4):255～268
[3] Bernard A. Reverse Engineering for Rapid Product Development: a State of the Art. SPIE, 1999, 3835 :50～63
[4] 卢秉恒.RP技术与快速模具制造.西安：陕西科学技术出版社，1998
[5] FarinG. TriangularBersteinBezierPatches. CAGD，1986，3(3)：83～127
[6] 柯映林.离散数据几何造型技术及其应用研究：[博士学位论文].南京：南京航空航天大学，1992
[7] 李江雄，柯映林.基于特征的复杂曲面反求建模技术研究.机械工程学报，2000，36(5)：18～22
[8] 李江雄.复杂曲面逆向工程CAD建模技术研究：[博士学位论文].杭州：浙江大学，1998
[9] 陈志杨.基于三角曲面原型的B样条曲面重构理论及其在逆向工程中的应用研究：[博士学位论文].杭州：浙江大学，2001
作者简介：
陈志杨，男，1971年生。浙江大学(杭州市 310027)计算机学院博士后研究人员。研究方向为逆向工程CAD造型、曲面建模、图形图像处理等。发表论文5篇。
12/25/2004
|
