基于NX的人工膝关节曲面构造法

曹冉+叶锋+范家豪+赵开宇

摘要：该文首先介绍了曲面重构的方法和步骤，据此分析了两种曲面构造法的优点和缺点，最后以人工膝关节的逆向设计为例，根据实际要求，选择了合理的曲面重构方案，对此类零件的逆向设计有一定的借鉴作用。

关键词：NX 曲面构造；点云； 曲线

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0258-01

Abstract： This article first introduces the method and procedure of the surface reconstruction， on the basis of analysis of the two kinds of surface construction method， the advantages and disadvantages of the artificial knee joint of reverse design， for example， according to the actual requirements， choose the reasonable surface reconstruction scheme， for the reverse design of such parts has the certain model function.

Key words： NX the surface structure； point cloud； curve

逆向工程又叫反向工程，用一定的测量设备对实物或模型进行测量，获得三维轮廓点数据，再根据测量点数据通过三维几何建模方法重新构建实物的CAD模型，反向推出产品的设计数据的过程[1]。曲面重构是逆向工程中重要的一个步骤，这是通过采集到的点云数据，通过构建点、线、面对模型进行还原，也是对后续产品进行再设计的一个基础，可以根据实际的要求对模型进行修改。

1 曲面常见的重构方法

1.1 常规曲面构造法

方案一：首先对采集到的点云数据的几何拓扑结构进行分析，来确定模型的基本曲面，然后找到能体现这些曲面的特征部位，截取它们的特征点，通过不同的曲线将这些点串联起来，得到特征线，最后通过网格曲线构建曲面。或者运用扫掠命令，按照采集到的片体轮廓走势构建艺术样条，通过曲率来调整样条，通过扫掠生成曲面。

方案二：这种方法不需要构建任何曲线，而是通过电脑软件将点云数据快速生成非参数化的拟合曲面[2]，然后手动调节控制点达到所需要的形状。所以要先对模型表面造型进行分析，将由明显特征处或者是曲率变化较大处划分成单独区域，如果划分的区域能够很好地表达模型的特征部位，那么所划分的区域越少越好，以此来减小误差。

2 不同曲面构造法的优劣点

方案一：由点到线到面，这种方法是将采集到的点云数据通过曲线连接起来，这些曲线会影响拟合成的曲面质量，因此将点云拟合成高质量的网格曲线是关键。通过网格曲线构造曲面时，在连接数据点的过程中，需要将连接的曲线与扫描采集到的片体贴合，并且使之分布间隔均匀，轮廓走势一致以确保曲率误差最小，光顺度在G1上连续。然后根据片体的外轮廓的走势，在上面截取特征部位的轮廓曲线，最后根据轮廓曲线上的采樣点拟合构建曲线，用通过网格曲线的方法构建曲面。这种方法是根据采集到的片体外轮廓截取点来构建曲线的，可以根据实际情况来改变面的走势，所以误差较小，但是由于可以根据要求人为的改变面的走势，而且很难在G2上连续，曲面光顺较差。

方案二：这种方法很难保证中间曲面是否与模型相同，虽然生成的中间曲面比较光顺，但与原来的点云差距比较大，所以构成的曲面与原模型误差较大。并且拟合曲面的方法较少，所以当遇到比较复杂的模型时，需要按照曲率划分为不同的区域，这也增加了构建的曲面与采集到的片体间的误差。

3 案例分析

由于本次逆向设计的模型是膝关节，对表面光顺要求不是很高，所以采用方案一。首先利用非接触式的三维扫描仪采集到点云数据，然后用Geomagic Qualify软件，修剪掉噪声点，进行片体的修补，接着调整坐标系，得到膝关节片体如图1所示。接着根据得到的膝关节片体图，利用NX8.5截取截面曲线截的点，如图2所示。将曲面变化较大的点截取下来，利用曲线将它们连起来，得到一条条曲线，再用网格曲线命令将这些曲线生成基本曲面，最后通过过度曲面，完成造型，如图3所示。

4 结束语

本文主要说明了逆向设计中，根据采集到的数据，利用这些数据来重构曲面的方法。着重分析了两种方案的曲面构造方法及两种方案的优劣点，在此基础上以实际案例为例，说明了膝关节由采集的片体到完成造型的一个过程。

参考文献：

[1] 尹亚楠.车身逆向过程应用中的曲面光顺[J].科技信息， 2005（9）：21-22.

[2] 刘峰.基于NX的摩托车车身曲面逆向设计[J]. 浙江水利水电学院学报， 2003（4）：74-77.

[3] 李大鹏.三坐标测量机在逆向工程中的应用[J]. 机械设计与制造， 2007（7）：72-73.

[4] 周煜，杜发荣，高峰.汽车覆盖件逆向设计方法[J]. 汽车技术，2006（10）：6-7.

[5] 周建强，李建军，王兵. 逆向工程技术的研究现状及发展趋势[J]. 现代制造技术与装备， 2006（3）：4-5.

[6] 黄靖.某型摩托车仪表及仪表罩三维逆向设计[C]. 中国航空学会管理科学分会学术交流会， 2015.