基于Geomagic Studio的汽车连杆锻件逆向建模技术 - 文章

基于Geomagic Studio的汽车连杆锻件逆向建模技术

作者：吉林大学赵毅王明辉

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本文提出了全逆向造型的概念，研究了其适应范围和造型方法，并以汽车连杆锻件为例，描述了三维扫描、三角网格面生成及优化处理到自动生成NURBS曲面的过程及其关键技术。结果表明，采用全逆向造型技术可大大简化建模过程，提高建模速度。

一、曲面造型概述

汽车连杆是汽车中的重要部件，随着我国汽车工业的飞速发展，其产量也日益增大。我所正在研究的汽车连杆辊压塑性精成形工艺具有设备投资少、能量利用率高、模具寿命长和材料利用率高等优点，对提高锻造连杆的市场竞争力具有重要的现实意义。在研究中，需要连杆锻件的三维模型以进行模具设计和CAE分析，但大多连杆锻件只有实物，通常难以获得其二维工程图，这样就需要采用逆向工程来进行建模，而曲面重构是其中的关键内容和难点。

曲面造型(Surface Modeling)是计算机辅助几何设计 (Computer Aided Geometric Design， CAGD)和计算机图形学(Computer Graphics)的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由Coons、Bezier等大师于20世纪60年代奠定其理论基础。如今经过30多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲面(Rational B-spline Surface)参数化特征设计和隐式代数曲面(Implicit Algebraic Surface)表示这两类方法为主体，以插值(Interpolation)、拟合(Fitting)、逼近(Approximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。

1963年美国波音飞机公司的Ferguson首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，并引入参数三次曲线。从此曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。1964年美国麻省理工学院的Coons发表一种具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可定义一块曲面。但这种方法存在形状控制与连接问题。1971年法国雷诺汽车公司的Bezier提出一种由控制多边形设计曲线的新方法。这种方法不仅简单易用，而且漂亮地解决了整体形状控制问题，把曲线曲面的设计向前推进了一大步，为曲面造型的进一步发展奠定了坚实的基础。但Bezier方法仍存在连接问题和局部修改问题。到1972年，de-Boor总结、给出了关于B样条的一套标准算法，1974年Gordon和Riesenfeld又把B样条理论应用于形状描述，最终提出了B样条方法。这种方法继承了Bezier方法的一切优点，克服了Bezier方法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，又轻而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题，从而使自由型曲线曲面形状的描述问题得到较好解决。但随着生产的发展，B样条方法显示出明显不足，不能精确表示圆锥截线及初等解析曲面，这就造成了产品几何定义的不唯一，使得曲线曲面没有统一的数学描述形式，容易造成生产管理混乱。为了满足工业界进一步的要求，1975年美国Syracuse大学的Versprille首次提出有理B样条方法。后来由于Piegl和Tiller等人的功绩，终于使非均匀有理B样条(NURBS)方法成为现代曲面造型中最为广泛流行的技术。NURBS方法的提出和广泛流行是生产发展的必然结果。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写，是非统一有理B样条的意思。具体解释是：

◎Non-Uniform(非统一）：是指一个控制顶点影响力的范围能够改变。当创建一个不规则曲面时这一点非常有用。同样，统一的曲线和曲面在透视投影下也不是无变化的，对于交互的3D建模来说这是一个严重的缺陷；

◎Rational(有理）：是指每个NURBS物体都可以用数学表达式来定义；

◎B-Spline(B样条）：是指用路线来构建一条曲线，在一个或更多的点之间以内插值替换的。

简单地说，NURBS就是专门做曲面物体的一种造型方法。NURBS造型总是由曲线和曲面来定义的，所以要在NURBS表面里生成一条有棱角的边是很困难的。就是因为这一特点，我们可以用它做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果，如人的皮肤，面貌或流线型的跑车等。

二、全逆向造型技术

随着白光扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善、计算机技术的飞速发展，以曲面重构为主要内容的逆向工程近几年得到了长足的发展。虽然逆向工程缺乏一个通行的方法，但从应用实践上来看，目前逆向工程主要有两个模式：

（1）仍然是按正向的思路来进行，以三维CAD平台为主，以逆向软件为辅，在这里逆向软件的主要作用是进行点云处理，并获取一些必要的局部特征线，同时构建一些主要的曲面，特征构建及实体造型通常还是在CAD里进行。这里，难点是曲面片的划分和曲面片之间的平滑过渡。

（2）根据产品点云生成三角网格模型，然后自动生成NURBS曲面模型，最终获得完整的、由众多曲面片光滑拼接而成的曲面模型。

Geomagic studio就是这样一款软件，用Fit Surfaces命令可拟合出C1阶连续的多个NURBS曲面片。现在逆向工程大多采用第一种方法，这样做的缺点是常常会与实物之间存在较大误差，另外要在不同的软件之间反复切换，效率比较低。第二种方法本文称之为全逆向建模。

目前，全逆向建模主要适应于一些主要由多个曲面构成、较少尖锐边角、标准几何特征和结构较少的物体，同时对曲面要求不高，如工艺品、钣金件等。目前连杆锻件就是这样的一种零件，主要由7个特征构成，如图1所示，它的造型对曲面要求不高，因而本文采用全逆向建模来进行重构。

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1——连杆大头 2——大头端部 3——大头加强筋 4——连杆杆部 5——连杆小头 6——螺栓座 7——大头连皮
图1 汽车连杆锻件结构图

全逆向建模的步骤如下：

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图2

下面将对汽车连杆锻件按全逆向建模的思路进行逆向重构。

三、汽车连杆的全逆向

曲面重构

1.三维扫描

全逆向建模的第一步是得到物体完整的点云，本文用3DSS白光扫描仪来扫描。白光三维扫描仪（White Light 3D Scanner）是上个世纪末期从西方工业国家兴起的一种新的三维扫描技术，是一种采用结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的三维非接触光学测量技术，可在数秒内对视区内的所有曲面进行照相扫描，曲面上的点云几乎同时被解算出来，有别于传统的逐点扫描和激光逐线扫描。其最显著的特点是速度非常快，大大提高了扫描效率，采用3DSS三维扫描仪可以在较短的时间内得到实物的高密度高精度点云。

连杆是一种上下左右轴对称的零件，可以根据这一特点减少扫描和点云处理的工作量。因为是上下对称的，所以可以只扫描上表面和侧面（过中线）。尽管是左右对称的，似乎也只要扫描上半部分的一半即可，但实践中寻找左右对称中心线并对点云进行镜像比较麻烦，并且有可能造成误差，所以我们还是对上半部分全部扫描。

为了得到上半部分完整的点云，需要从多个不同的方向进行多次扫描，我们事先在锻件上粘贴五到六个标志点，利用3DSS的自动拼接功能，把各分块点云统一到同一个坐标系下。也可采用Geomagic的手动拼接功能进行拼接，这时可以利用零件上本身的特征进行对齐，就不需要在锻件上粘贴参考点；然后再运用Geomagic的全局优化命令对所有的点云进行全局对齐，使得拼接误差最小；最后，要把已经拼接好的分块点云合并成一个点云，在此之前应对各块点云做适当的裁剪，把一些质量不好的点剔除掉。通常合并后的点云有多处重叠，可用均匀采样命令对点云进行抽样，这样可得到点距基本均匀的点云。

2.三角网格化及编辑

运用Geomagic studio 的Wrap命令对点云进行三角化，设置中等噪声抑制参数有利于得到比较光顺的STL文件。如果关键部分有缺失，则要回到点云模式，对缺失部分重新扫描。由于三角面的质量直接影响到最后的曲面质量，必须要进行细致的处理，处理的原则是要得到完整、光顺但不变形的三角面网格模型。主要采用如下的操作：

◎去除毛刺（spike）:质量不好的点云重叠在一起后，会产生这种现象，看上去很粗糙，用此功能可以消除之。这一功能只是选择性地对有毛刺的地方进行光顺处理，不会对整体进行平滑，因而不会使三角面模型变模糊。

◎局部磨光：类似于用砂纸手工打磨实物，可对局部凹凸不平处进行光顺处理。

◎孔洞修补：局部的孔洞可通过修补来解决，无需补扫。因为孔洞的边界往往比较杂乱，所以修补应遵循先删后补的顺序，用边界选择工具可方便地把边界上的三角面挑选出来并删除掉，直到孔洞周边的三角面无翘曲、曲率基本一致。选取“基于曲率填充”选项进行修补，可取得近似无痕迹的修补效果。某些部位虽无孔洞但三角面杂乱，也可以删掉这些杂乱三角形，再进行修补。

至此，我们能得到一个光顺完整超过上下对称中心的三角面模型。通常，模型下面的边界是参差不齐的（见图3(a)），我们要用一个通过上下对称面的平面来切这个三角面模型。首先构造一个通过小头上平面的基准面，把此面偏置到对称面上，具体的偏置距离可通过卡尺测量或已知条件得到。如图3(b)所示，是切除多余部分得到的STL模型。

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图3(a) 由连杆扫描得到的STL模型

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图3(b) 用中心平面切除后得到的连杆STL模型

3.曲面片自动划分与调整

Geomagic中曲面片的划分是做好曲面的关键，它要以曲面分析为基础。曲面片不能分得太小，否则得到的曲面太碎；曲面片也不能分得过大，否则不能很好地捕捉点云的形状，得到的曲面质量也较差。

划分曲面片的基本原则是：(1)使每块曲面片的曲率变化尽量均匀，这样拟合曲面时就能够更好的捕捉到点云的外形，降低拟合误差；(2)使每块曲面片尽量为四边域曲面。在Geomagic中，曲面片的划分有两层含义，一个是全局意义，即曲面块（Panels）的划分；另一个是局部意义，即每一个Panel内部各个Patchs的划分和排列。要得到高质量的曲面必须做好这两件事情。

◎曲面分块：总的原则是按曲率和特征来划分。本文以特征曲线来划分，在多边形模式(Wrap Phase)下，在三角面模形上勾画曲线（curves）。先利用软件的自动曲线抽取功能，按设定曲率敏感系数自动抽取曲线，再通过手动编辑，使所有曲线准确通过特征线，如图3所示为自动检测到的曲线。

下面再用手绘曲线，或者平面与模型求交的方法，得到一系列曲线，与自动抽取得到的曲线一起，把模型表面分割成若干区域。这些区域尽量成四边形，不要有尖角，四条形的对边曲线长度相近。分割表面的曲线完成后，把这些曲线都转化成边界线（boundaries）。

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图4 自动抽取得到的轮廓线

◎曲面片生成与调整：进入曲面模式(Shape Phase)，自动生成曲面片（patches），见图4(a)。这些曲面片自动地将以上面生成的边界线变为边界，每一个曲面片是一个四边域，内部面片可以改变，但轮廓线是固定的，不能再进行编辑。通常要利用（Shuffle Patches）功能对面片排列再进行调整，调整的原则是使面片分布更整齐，数量合理。如图5(b)所示为连杆调整后的曲面片分布。

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图5(a) 自动生成的曲面片

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图5(b) 调整后的曲面片

4.NURBS曲面自动拟合

当曲面片整理好后，创建网格线(grids)，自动地在每一块曲面片内生成U、V控制线，如图5(a)所示。每一曲面片的网格线数目都是相等的，其数目要视曲面片划分的大小而定，数目太少可能会漏掉一些特征，通常可设为20。

执行“NURBS→fit surfaces”，设置合适的控制点和公差，即可生成由多个NURBS曲面片构成的完成曲面，各曲面片间C1连续，见图6(a)。

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图6(a) 自动生成的网格线

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图6(b) 拟合的连杆NURBS曲面

5.关于锐边的处理

在Geomagic中，通常是生成相互光顺过渡的曲面片，但通过如下的处理可以得到锐边。首先，在Wrap模式下，对边界做锐化处理，可使在点云扫描和处理过程中钝化的边界重新变尖锐；在生成曲线网格线时，可指定需要保留尖锐特征的边界。这样在生成曲面时，在这些边界两边的曲面片就不会做曲率连续过渡，从而保持尖锐边界。

四、结论

通过全逆向技术，可以快速地获得汽车连杆的NURBS曲面模型，大大降低曲面重构难度。可以看到，全逆向技术的关键是完整、光顺三角面网格的获取和曲面片的划分，在这两个前提下，即可自动得到全部的NURBS曲面。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/9/2010)


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