基于Geomagic Design Direct的截面特征提取与逆向建模

基于Geomagic Design Direct的截面特征提取与逆向建模*

蔡闯，成思源，杨雪荣，张湘伟

(广东工业大学 机电工程学院，广州510006)

摘要：当前逆向工程已成为一种消化、吸收先进技术，实现产品的创新设计和快速开发的重要技术手段。随着各种特征技术的不断发展和引进，基于特征的逆向建模方法逐渐成为逆向工程新的发展方向。根据已有的建模方法，提出一种在二维草图模式下截面特征轮廓线提取与参数化设计的逆向建模新思路。并以Geomagic Design Direct软件为平台，实现了二维草图模式下特征轮廓线的提取与参数化再设计的逆向建模方法，为产品的快速建模和创新设计提供了一种新的途径。

关键词：逆向工程；Geomagic Design Direct；截面特征；参数化建模

文章编号：1001-2265(2015)09-0042-03

收稿日期：2014-11-19；修回日期：2014-12-22

基金项目：*广东省教育部产学研结合项目 (2011A091000040,2012B091100190)；广东省科技计划项目(2011A060901001)；广州市科技计划项目资助(2013J4300019)

作者简介：蔡闯(1988—)，男，武汉人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为逆向工程，(E-mail) 245055527@qq.com。

中图分类号：TH132;TG506

Sectional Sketch Extraction and Reverse Modeling Based on Geomagic Design Direct

CAI Chuang, CHENG Si-yuan, YANG XUE-rong, ZHANG Xiang-wei

(College of Electromechanics Engineering,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

Abstract：Currently, reverse engineering has become a kind of digesting and absorbing advanced technology, to realize product innovation design and rapid development of the important technical means, is an important component of advanced manufacturing technology. Reverse modeling method based on feature is the basis of reverse engineering CAD hybrid modeling method, with the continuous development of all kinds of characteristics of technology and the introduction, gradually becoming a new researching direction of reverse engineering. According to the existing modeling methods, this paper proposes a reverse modeling method based on the characteristics of cross section contour extraction. With Geomagic Design Direct software being a platform, to achieve the characteristics of the extraction of contour line, and complete reverse modeling process. Proved that the characteristics of contour extraction and reverse modeling method can be designed for rapid modeling and provide a new method for products innovation.

Key words： reverse engineering；geomagic design direct；feature extraction；parametric modeling

0引言

逆向工程(Reverse Engineering，简写为RE)也可以称为反求工程。它是一种从已有的实物样本获取数学模型并制造得到新产品的技术，已经成为当前CAD/CAM系统中一个研究和应用热点方向，并逐渐发展成为一个相对独立的技术领域[1]。

当前应用比较广泛的逆向建模方法主要有特征建模、非特征建模和混合建模[2]。特征建模方法指将正向设计中的特征技术引入到逆向工程中产生的一种新的逆向工程CAD建模思路，它通过抽取表达原始设计意图的、蕴涵在测量数据中的特征，创建出基于特征表达的参数化CAD模型[3]。本文主要提出了一种基于二维草图截面轮廓线的提取与参数化设计的逆向建模方法。重点是通过截面法获取多边形网格模型不同特征的二维截面轮廓线，截面轮廓线拟合的质量直接影响到重构出的实体模型。在草图模式下对截面轮廓线进行分析，对修改好的截面轮廓线进行拉伸、旋转、拔摸或扫掠，得到各个特征的实体模型，运用布尔运算，最终得到实物的CAD模型。这种方法可以很方便的对不同特征的二维截面草图进行提取，然后在理解模型设计意图的基础上进行参数化修改和再设计，最终重构出实物的CAD模型。

1基于Geomagic Design Direct的截面特征提取

1.1点云数据的获取及预处理

逆向工程技术第一个阶段的主要任务是获取实物或零件表面的点云数据，点云数据质量对接下来的处理有很重要的影响[4]。因此，需要在现有的技术手段中，选择合适的方法，从而获得较理想的点云数据。根据传感器测量头在测量时是否与实物模型接触，通常把测量方法分为两大类：接触式、非接触式[5]。

无论用什么方式测量，在数据的采集过程中总会包含一些杂点、噪声点甚至是误采集的点云数据[6]。可以根据测量的目的，最终需要的点数据的数量，点云中的点间距的不同要求，通过Geomagic Design Direct软件中点阶段的处理，来完成对采集点云数据的预处理。

1.2截面特征的提取

逆向工程随着信息技术的不断发展以及计算机硬件性能的不断提升，商业化逆向工程建模软件不断发布。主要有：Surfacer、CopyCAD、Paraform、Geomagic Studio、Rapidform、ImageWare、以及ICEM Surf中的逆向模块等[7]。这些功能主要包括特征曲线(边界)的识别，二次曲面[8]特征的识别，但是这些软件都无法在二维草图模式下对截面轮廓线进行编辑，同时无法对不同特征进行参数化的修改[9]。

Geomagic Design Direct是基于SpaceClaim工程的直接建模平台上开发的，可以从网格对象直接建模和抽取二维截面几何形状来形成CAD面和实体[10]。Geomagic Design Direct的主要优势是，在传统的逆向软件基础上，融入了正向建模的模块，可以快速提取出不同原始特征(包括旋转体、拉伸体、扫掠体)的二维截面轮廓线[11]，在草图模式下对截面轮廓线进行分析，然后进行参数化修改和再设计，拉动后重构出特征实体，如图1所示。最后进行布尔运算得出实物的实体模型。Geomagic Design Direct在建模过程中不需要在正逆向软件间来回的转换，它丰富的正向处理功能不仅可以更好的处理模型数据，而且大大的提升了数据处理的效率[12]。

图1　草图模式下建模

截面轮廓线的提取一般选择特征中合适的位置插入平面，然后进入草图模式，对特征的轮廓线进行分析，如：直线、B-样条曲线、圆弧，对获取的二维截面轮廓线进行参数化修改和再设计，分段进行拟合。最后，对修改好的截面轮廓线进行拉伸、旋转、拔摸或扫掠，得到各个特征的实体模型。运用布尔运算，进行加、减、合并，最终得到实物的CAD模型。截面在该平面的轮廓线会显示在草图栅格上。特征截面轮廓线的提取不仅影响轮廓线的再设计，同时关系到后续重构的三维实体模型的精度，是整个逆向设计过程的关键步骤。须对模型特征结构进行必要分析，从而确定合适的截面位置来提取特征轮廓线。

2实例

下面是一个基于Geomagic Design Direct的涡轮叶片网格面数据的截面提取与参数化逆向建模的例子，整个过程详细的介绍了从叶片点云数据，到网格面模型特征的截面轮廓线提取，到轮廓线参数化再设计，到完成逆向建模生成新的实体模型。

2.1模型特征建模分析

将涡轮叶片网格面模型导入到Geomagic Design Direct，如图2所示，为某种型号涡轮叶片的网格面模型。首先，对模型进行必要的分析，将生成方式不同特征分类，以便合理安排后续的处理步骤。

图2　涡轮叶片特征分解

通过分析，涡轮叶片可以分为两个主要部分：榫头和叶身。榫头是由平行于面1的二维截面上的轮廓线拉伸而成的拉伸实体，为叶片的装夹部分。叶身是由垂直于叶身的多个截面拉伸融合而成的，为叶片气流作用面。基于以上的分析结果，可以确定该模型的逆向建模方案。

2.2榫头实体拉伸重建

扫描的点云数据导入Geomagic Design Direct后，首先进行点云数据的预处理，如果点云数据是多片，先应该进行对齐，然后合并成一片点云数据。然后对点云数据进行降噪、修复、简化、删除尖峰、封装等操作，得到多边形网格数据，传送到“设计”阶段。然后，基于多边形网格面数据，进行模型的重构操作。

(1)拉伸方向的确定

对榫头部分进行分析，可以分为三个实体特征。如图3所示，实体1，实体2，凹槽3。

图3　榫头图解

图4　截面定位

以面1作为基准面，选择平行于面1 的合适位置作为截面所在位置，三个实体特征都可以用拉伸工具以垂直于面1的方向作为拉伸方向来生成。三个不同特征对应的截面位置也各不相同。以实体2的生成过程为例，首先确定截面的基准平面1，选择模型的左视图，单击截面模式，以平面1作为基准平面,如图4所示。然后移动草图栅格到实体2截面所选位置。

(2)轮廓特征提取

实体2的截面轮廓线会显示在栅格上面，然后，根据已有轮廓线和模型设计要求，在草图模式下，利用草图工具，对特征的截面轮廓线进行拟合。包括对点的位置的修改，对直线长度的修改，对圆弧半径的修改，对B-样条曲线的拟合等，如图5所示。轮廓线由直线、圆弧、B-样条曲线组成。

图5　截面轮廓线再设计

图6　榫头实体模型

(3)拉伸实体特征重建

然后，对再设计之后的截面，利用拉伸工具进行拉伸操作。用相同的方法重构出实体1和特征凹槽3，运用布尔减运算，重构得到的榫头的实体模型如图6所示。

2.3叶身实体特征重建

图7　叶身特征分析

对叶身模型，进行分析，可以设计出叶身模型的重构步骤：首先选定面2为截面基准面，插入多个平行于基准面的截面，如图7所示。在草图模式下，分别对每个截面轮廓线进行修改和再设计，最后通过拉伸融合即可重构出叶身的实体模型。

在Geomagic Design Direct“提取”工具栏组中，可以根据特征类型的不同，利用不同的拟合工具拟合出相应的特征的二维轮廓线。现在以其中一个平面作为截面截取的特征轮廓线在草图模式下的修改和再设计为例，进行说明。

在剖面模式下，以其中一个平面作为作为截面，栅格中会显示出叶身的截面轮廓线，运用参数化编辑功能，对截面轮廓线进行修改和再设计，如图8所示。参数化编辑完成后的截面轮廓线，如图9所示。

图8　轮廓线的编辑

图9　编辑后的轮廓线

重复上面的操作过程，得到多个新的轮廓截面，如图10所示，然后进行拉伸融合操作，得到叶身实体模型。运用拉伸工具，单击需要倒角的边，然后拉动，即可进行倒角操作。Geomagic Design Direct中圆角的最小半径为0.1mm。这种倒角操作方便、快捷，提升了操作的效率。对榫头和叶身逆向建模而成的实体模型进行布尔运算，合成为一个整体，如图11所示。

图10　多个新的轮廓截面　图11　重构后的涡轮模型

3结论

Geomagic Design Direct不仅拥有对点云数据丰富的处理功能,特别的是这种基于二维草图模式下的特征截面轮廓线的参数化逆向建模方式，是较其他逆向建模软件最具优势的地方。通过对涡轮模型多边形数据的分析，划分出不同类型的特征，根据特征的形成方式，选取合适的截面位置，从而获取较好的特征轮廓线，使建模精度更高。这种逆向建模方式不仅使操作更加简便，同时有助于产品的快速开发和对产品进行创新设计，为机械、航空、汽车、医疗、艺术等领域产品的设计提供了一种新的方法。

[参考文献]

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(编辑李秀敏)