新一代快速曲面造型技术--Geomagic Fashion

作者：哈尔滨工程大学 谢韶旺 徐岩

欢迎访问e展厅 展厅 6 三坐标测量机展厅 三坐标测量机, 关节臂测量机, 逆向工程/测量机软件, ... 逆向工程技术中，传统曲面造型方式遵从典型的逆向工程流程，即点——线——面及点——面，使用Bezier和NURBS曲面直接由曲线或测量点来创建曲面的一种曲面造型方式，是以手动操作为主的曲面造型方法，需要大量的人工交互，造型的质量人为影响因素大。 快速曲面造型方式是通过对点云的网格化处理，建立多面体化曲面来实现的。顺应了当前许多CAD造型系统和快速原型制造系统模型多边形表示的需要，已成为目前应用最为广泛的一类方法。 快速曲面造型方式与传统曲面造型方式的典型区别是，传统曲面造型方式面向的是特征，所以在曲面重建时，其根本的流程是由特征到模型整体；而快速曲面造型方式则面向的是模型整体，在曲面重建时进行区域分割，其目的只是为了改善后续创建曲面的品质。所以，在某种意义上讲，在快速曲面造型方式中并没有什么真正的特征。实施曲面重建时，快速曲面造型方式通常也具有两种建模策略：(l)、点云多边形化后，使用Bezier曲面片进行拟合，并由此创建各曲面片之间满足G’连续的Bezier曲面模型。而后Bezier曲面模型进行Bezier-NURBS转换，从而获得相应的NURBS曲面模型，用于下游CAD的工程应用；(2)、点云多边形化后，先对多边形模型进一步用四边形划分，而后对四边形化处理的模型使用NURBS曲面片进行拟合，直接得到NURBS曲面模型。 由Geomagic软件公司开发的Fashion模块，采用了目前世界上最先进的重构技术，结合了快速曲面造型与传统曲面造型方式的优势。在保证原有曲面生成的速度的同时，生成的曲面质量也大大得到了提高。 Geomagic 软件公司是一家专业从事数字形状采样及处理(DSSP)软件开发与销售的公司。公司总部位于美国北卡罗来纳州的三角开发区，在欧洲和亚洲设有分公司。目前，产品正被广泛应用于全球6500多家用户。通过为顾客获取最大的价值，Geomagic以年收入增长率超过30%的速度快速成长，正成为数字形状采样及处理(DSSP)的领先者。 Geomagic公司的逆向工程软件（Geomagic Studio）和三维检测软件(Geomagic Qualify)，可轻易地从扫描所得的点云数据，经数据处理后创建出完美的多边形网格，并自动转换为NURBS曲面，其逆向曲面重建模块能快速地处理点云资料，并自动封装为多边形网格，以构建复杂模型的精确曲面，针对逆向工程各阶段的信息(如点、网格断面线、特征线分析对比等)提供了快速的处理工具。Geomagic逆向设计的原理是基于空间三角片来逼近还原CAD实体模型。在建模策略上，Geomagic采用的是CAD规则曲面与自由形状曲面相结合，并直接拟合曲面模型的策略，其具体的曲面重建流程被划分为点阶段、多边形阶段和造型曲面这三个相互紧密联系的阶段来进行。 Fashion作为新开发的模块，一方面使得重构的自由形状曲面质量更加光顺，另一方面可以自动或手动将模型中的各个曲面分类（拉伸面、旋转面、拔模面、平面、柱面、圆锥面等）。使用各种工具和参数控制曲面拟合，由平面、柱面、锥面、拉伸面、旋转面和自由形状曲面组合创建出单一缝合曲面，并可以提取优化的轮廓曲线；通过使用检测选项、顺序察看命令或可视化工具分析曲面拟合结果，最终将轮廓曲线或准CAD曲面导出，为IGES或STEP文件进行其他处理。 以如下模型为例，在Geomagic Fashion中通过快速曲面造型方式实现曲面重建过程。图1所示为所采集的点云数据。这样模型的曲面重建，若要通过传统曲面造型方式中的任何一种建模策略都是难以在短时间内实现的。而利用快速曲面造型方式，在Geomagic中则可以在非常短的时间内即可完成；图2显示的是模型点云处理过的多边形化结果；图3是对多边形化模型基于曲率的区域划分，这是快速曲面造型方式中最为关键的一步，它决定着后续曲面重建的质量；图4所示是对各曲面区域轮廓线显示结果，该进程决定着最终曲面重建的精度，轮廓线划分越细，曲面重建的精度就越好；图5是轮廓线编辑和延伸结果显示；图6显示各个主曲面的分类结果，在Geomagic Fashion 里，通过不同的颜色表达各个曲面的特征，如绿色代表平面，黄色代表圆柱面，红色代表自由形状曲面，棕色代表拉伸面等。这种特征的选择基于软件的算法自动分类，同时也可以通过手动改动某些特定曲面特征。该软件还提供自动与手动相结合的功能，选择某一曲面上特定的某些区域进行拟合，这样可以保证曲面的拟合更加精确；图7完成所有主曲面与连接曲面拟合并进行拼合完成整个模型的曲面重构工作。在拟合主曲面过程中，可以对一些含有参数的特征曲面进行参数调整，使其拟合达到理想的效果；在拟合连接曲面过程中，可以对某些区域以尖角的方式进行处理，从而在主曲面与主曲面之间以尖角拟合；图8是最终曲面与原始点云匹配对比获得误差分析结果，评估曲面质量与拟合的精度。 如上所述，在快速曲面造型模块Geomagic Fashion中，曲面重建的进程分为紧密联系的流程式的点、多边形、Fashion曲面三个阶段来实现，由此可以看出，决定曲面重建质量的因素中，人为的因素要比传统曲面造型方式下小得多。Fashion通常会自动给出好的区域分类，对于大型的曲面模型，可以使用组分类拟合代替一次性全部拟合，彰显个性化功能。 Fashion是Geomagic Studio 10新增加模块，此模块相比之前的做面方式有如下优点：1、功能更加强大，用最新的生成曲面方法，做成的曲面比原有功能做成的曲面要光顺许多。2、使用更加方便：生成曲面的方法前后逻辑关系明显，使用过程中一气呵成，使用它可以有效、快速和自动地从3D扫描数据生成准确的数字模型。3、工业上可接受的CAD布局（非曲面片）；输出的IGES/STEP档更小；减少了CNC编码创建的时间；改善了加工性能。4、将物理对象的数字表现形式集成到工程设计工作流程中。5、避免在传统 CAD软件中从零开始的设计流程，生产效率提高十倍。6、以不断变化的速度自定义产品。捕获现有形状并构造优化的数字生产模型，完成快速制造和批量定制。创建保持原始形状属性的新的功能组件和结构。将最终模型直接发送至数字生产设备。 因此，在实施曲面重建的过程中，必须根据曲面重建质量和速度来选择重构方式。一般而言，采用快速曲面模型重构方式具有较强的优势，Geomagic Fashion模块可以广泛应用逆向工程、设计和分析，定制设备的批量生产，按订单生产制造，早期零部件的自动重建的数字资源存盘。应用行业包括汽车、航空、制造业、医疗建模、艺术和考古领域。 (end)

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