曹旺萍

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院,江蘇 無錫 214121)

基于Geom agic的玩具蝦逆向建模方法

曹旺萍

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院,江蘇 無錫 214121)

通過三維激光掃描設(shè)備獲得的玩具蝦點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用逆向工程軟件Geom agic Studio進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、多邊形和曲面片的編輯處理而實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建玩具蝦NURBS曲面模型的方法。

Geom agic;點(diǎn)云數(shù)據(jù);NURBS曲面;蝦模型

逆向工程(Reverse Eng ineering,RE),可以在無圖紙或者圖紙不完整以及無CAD模型的情況下,利用快速原型系統(tǒng)(RA PID p ro to typ ing, RP)、計(jì)算機(jī)輔助制造(Com pu ter A ided M anufatu re ,CAM)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Produc tD ate M anagem en t,PDM)等先進(jìn)技術(shù)將實(shí)物樣件或者手工模型進(jìn)行處理和管理,轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、汽車等領(lǐng)域。

目前逆向工程主要有兩種模式,一種仍然是按正向的思路來進(jìn)行,以三維CAD平臺(tái)為主,逆向軟件為輔。逆向軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理,并獲取一些必要的局部特征線,主要特征構(gòu)建及實(shí)體造型通常還是在CAD里進(jìn)行。這種方式的難點(diǎn)是曲面片的劃分和曲面片之間的平滑過渡。另外一種模式是根據(jù)產(chǎn)品點(diǎn)云生成三角網(wǎng)格模型,然后自動(dòng)生成NURBS曲面模型,最終生成完整的、由眾多曲面片光滑拼接而成的曲面模型。

Geom agic Stud io軟件是由美國(Raind rop)雨滴公司出品的逆向工程應(yīng)用軟件,它以先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型、曲面構(gòu)建理論為基礎(chǔ),能快速整理曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù),自動(dòng)產(chǎn)生網(wǎng)格,可建構(gòu)任意復(fù)雜的精確曲面模型,創(chuàng)造從原型曲面測量點(diǎn)云到多邊形數(shù)據(jù)的高品質(zhì)三維模型。運(yùn)用這個(gè)軟件可以從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格,并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。

1 玩具蝦的逆向建模

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、優(yōu)化階段(poin t phase)點(diǎn)云階段包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去除雜點(diǎn)及噪音點(diǎn)、點(diǎn)云取樣、點(diǎn)云封裝等。

1.1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接 為了得到完整的點(diǎn)云,需要從多個(gè)不同的方向進(jìn)行多次掃描,再將各分塊點(diǎn)云統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下?？刹捎肕 anval Regiseration功能進(jìn)行拼接,這時(shí)可以利用零件本身的特征進(jìn)行對(duì)齊,然后再運(yùn)用G lobal Registration功能對(duì)所有的點(diǎn)進(jìn)行全局對(duì)齊,使得拼接誤差最小。

1.1.2 去除雜點(diǎn)及噪音點(diǎn) 接下來,必須先處理掉點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的離散點(diǎn),這些點(diǎn)通常都是遠(yuǎn)離主點(diǎn)云并且并不參與我們想要的任何幾何形狀的表達(dá)。可用Select D isconnected和Selec t ou tliers功能來刪除雜點(diǎn)。選擇Selec tD isconnec ted功能,設(shè)置分離(Separation)選項(xiàng)選擇L ow并把Size設(shè)為5.0。點(diǎn)OK后,系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)選擇所有和主點(diǎn)云分離的離散點(diǎn)。選擇select ou tliers功能,設(shè)置Sensitiv ity為100。使用D elete鍵刪除被選中的離散點(diǎn)。

由于掃描過程中的波動(dòng)、掃描儀的不正確校正或者是糟糕的工件表面等等,會(huì)造成曲面表面上粗糙的,并且是不期望出現(xiàn)的點(diǎn)數(shù)據(jù),這樣的點(diǎn)稱為噪聲點(diǎn)。為了減少噪聲點(diǎn),用Reduce N o ise功能,以使得掃描點(diǎn)云能更準(zhǔn)確地表達(dá)工件的真實(shí)表面。選擇Reduce N o ise,選擇Free-fo rm shapes,并拖動(dòng)Sm oo thness L evel滑動(dòng)條到中間位置,然后點(diǎn)確定就可以進(jìn)行減少噪音的過程,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)利用噪音點(diǎn)進(jìn)行平均化以得到更光滑的表面。圖1為經(jīng)過處理后的玩具蝦點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 處理后的玩具蝦點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.1 H and led sh rim p po in t c loud

1.1.3 點(diǎn)云取樣 接著要對(duì)玩具蝦點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣,取樣的作用是在減少點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下還能保持相對(duì)精確的形狀。當(dāng)封裝時(shí)可粗略地產(chǎn)生相同尺寸的多邊形,此處采用U n ifo rm Sam p le較合適,選擇由目標(biāo)定義間距的方式,這樣系統(tǒng)將會(huì)刪除部分點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.1.4 點(diǎn)云封裝 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成后,進(jìn)入W rap階段,把優(yōu)化后的玩具蝦點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,實(shí)質(zhì)上是用許多細(xì)小的空間三角片來逼近還原CAD實(shí)體模型。所以三角片質(zhì)量的好壞直接影響其后擬合玩具蝦的NURBS曲面質(zhì)量。點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入W rap選項(xiàng),選擇Su rface選項(xiàng)然后點(diǎn)OK便可進(jìn)入W rap階段。圖2為經(jīng)過封裝后的玩具蝦模型。

圖2 封裝后的玩具蝦模型Fig.2 W raped sh rim p ofm odel

1.2 多邊形的編輯階段(po lygon phase)

接下來要對(duì)封裝后的多邊形進(jìn)行編輯,也就是對(duì)模型進(jìn)行破洞的修補(bǔ)、表面的光順、簡化多邊形、多邊形的檢測與校正以提高玩具蝦表面的質(zhì)量。

1.2.1 破洞的修補(bǔ) 從圖2中可看出,因?yàn)椴杉瘯r(shí)的數(shù)據(jù)缺失產(chǎn)生了破洞,可以用Fill Ho les命令進(jìn)行基于曲率的填充功能進(jìn)行破洞填補(bǔ)。

1.2.2 表面的光順 可用D efeatu re功能來快速去除表面的不光順處,這個(gè)命令減少了先刪除幾何形狀再基于曲率的填充空隙的步驟,對(duì)于一些表面的小腫塊也可用Sandpaper功能對(duì)表面進(jìn)行打磨。

1.2.3 簡化多邊形 可用D ecim ate Po lygons功能來減少三角網(wǎng)格并保持細(xì)微的特征,Reduce to percen tage的數(shù)值為50,減少50%的三角網(wǎng)格。

1.2.4 多邊形的檢測與校正

為了防止多邊形在空間的交錯(cuò)及2個(gè)表面多邊形連接時(shí)不匹配,可用Fix in tersec tions功能來對(duì)多邊形進(jìn)行修復(fù)。圖3為編輯后的多邊形模型。

圖3 編輯后的多邊形模型Fig.3 Ed ited po lygonm odel

1.3 成形階段(shape phase)

完成多邊形的編輯處理后,進(jìn)入形狀階段,包括檢測曲率、構(gòu)建及編輯曲面片、構(gòu)建網(wǎng)格、擬合曲面等以完成玩具蝦的NURBS曲面重構(gòu)。

1.3.1 探測曲率 使用D etec t Cu rvatu re功能,采用A u to estim ate的方式,Cu rvatu re L evel為0.3, Sim p lify Con tou r L ines,點(diǎn)確定后自動(dòng)探測曲率。

1.3.2 構(gòu)建及編輯曲面片 使用Construc t Patches功能,采用A u to estim ate方式,計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)蝦的特征分布情況構(gòu)建蝦曲面片布局圖。構(gòu)建出的曲面片在需要比較精細(xì)的地方有比較多且小的嵌片,在比較平坦的地方有比較少且大的嵌片。

自動(dòng)構(gòu)建好的曲面片需進(jìn)一步調(diào)整,使用Relax Con tou rL ines功能可使輪廓線變得挺直。使用Geom agic的Relax B oundaries L inear功能可使邊界線平均分布,且可以預(yù)防邊界線有互相交叉的情況。編輯后的曲面片如圖4所示。

1.3.3 構(gòu)造格柵 調(diào)整好玩具蝦的曲面片布局圖后,使用Construc t G rids功能,將會(huì)在每個(gè)嵌片內(nèi)

圖5 構(gòu)造玩具蝦格柵Fig.5 G rids of construc tion

1.3.4 構(gòu)建NURBS曲面模型 構(gòu)造格柵后,用Fit su rfaces功能擬合NURBS曲面,我們要的曲面是要比較精細(xì)的,設(shè)定Con tro l……Po in ts為20, Tension為0.1,生成如圖6所示的玩具蝦NURBS曲面模型。

接下來,要比較構(gòu)建的曲面與掃描資料之間的誤差有多少。使用3D Com pare功能,在M ax. Positive輸入1.0mm,按下En ter鍵,在M in Positive輸入0.25mm,按下En ter鍵,點(diǎn)A pp ly開始分分布U-V網(wǎng)格線,NURBS曲面的控制點(diǎn)將會(huì)依據(jù)這些網(wǎng)格而產(chǎn)生,定義Reso lu tion值為20(分辨率越高,曲面越精細(xì),分辨率越低,曲面越平順,取20～50較理想),選擇修復(fù)相交區(qū)域,選擇檢查幾何圖形。構(gòu)造好的玩具蝦格柵如圖5所示。析,結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.008 532?？奢敵鯥GES、STL、STEP等十幾種格式的文件,供UG、Pro/E等CAD軟件作進(jìn)一步修改,生成蝦CAD曲面模型。

圖4 編輯后的曲面片圖Fig.4 Ed ited patches

圖6 玩具蝦NURBS曲面模型Fig.6 M odels of NURBS curved su rface

2 結(jié) 論

運(yùn)用Geom ag ic stud io,可以快速地獲得玩具蝦的NURBS曲面模型,大大降低曲面重構(gòu)難度。對(duì)于曲面要求不高的零件運(yùn)用Geom agic stud io軟件進(jìn)行逆向建模可顯著提高效率,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

[1] 李 燕,黃 凱.基于Geom agic的三維人體建模技術(shù)[J].紡織學(xué)報(bào),2008,29(5):130-132.

[2] 趙 毅,王明輝.基于Geom agic Stud io的汽車連桿鍛件逆向建模技術(shù)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2007(10):60-62.

[3] 宋 景.Geom agic軟件在貴州少數(shù)民族文化遺產(chǎn)保護(hù)方面的運(yùn)用[J].貴陽學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,4(1):42-44.

Sh rim p Reve rse M o ld ing Based on the Geom ag ic

CAO W ang-p ing
(M echanical Techno logy Institu te,W ux i Institu te of Techno logy,W ux i 214121,China)

Th rough sh rim p poin t c loud data ob tained by 3D laser scanning equ ipm en t,ed iting and p rocessing po in t c loud data,po lygons,and su rface patches using reverse engineering softw are-Geom agic S tud io, rap id ly realized them ethods of construc ting the sh rim p m odels of NURBS cu rved su rface.

geom agic;c loud data;NURBS su rface;sh rim p m odeling

TP 391.9

A

1671-7880(2010)01-0035-03

2009-10-30

曹旺萍(1973— ),女,江蘇南京人,實(shí)驗(yàn)師,技師。