基于曲面和实体特征的混合逆向建模方法探索

摘 要：针对目前已有工业产品重构建模研究实践过程存在的缺陷，研究人员以实际复杂产品重构过程为例，分析了曲面与实体特征混合逆向建模方法的应用现状，并针对逆向建模方法运用问题提出了混合方法运用的对策。结果表明，当将基于曲面与实体特征的逆向建模方法混合运用后，不仅降低了工业产品修复的造价成本，还能大幅提升工业产品重构的准确性。

关键词：曲面；实体特征；混合逆向建模方法；涡轮叶片

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.208

0 引言

当前工业发展在产品关键设备修复工作开展所消耗的成本巨大，为改善这一现状，研究人员应将现有的科学技术成果充分运用。对已有产品建模方法运用的问题情况进行分析，并将现有的逆向建模方法运用于实际建模重构工作的开展，即对混合逆向建模方法的运用进行控制，以提高产品重构的精度。如此，我国工业发展就不会受到产品修复成本高昂所造成的阻碍，进而使行业以更趋快速、稳定的状态服务于现代化经济建设的全面发展。

1 研究曲面和实体特征混合逆向建模方法的现实意义

当前阶段，逆向工程建设过程运用的模型重构技术，主要解决产品生产质量效果的控制问题、再制造问题以及重构模型的修改设计问题。具体的技术运用过程，就是将三维数字化测量设备作为控制工具，如光学测量仪与三坐标测量仪，来快速准确的獲取产品表面三维数据信息。如此，就可将其作用于逆向建模软件，来对测量数据进行处理，以实现产品CAD模型的重建。在对已有产品进行逆向建模的过程中，面向曲面，其复杂自由曲面的拟合功能具有无法替代的优势；面向实体特征，其对规则几何特征的提取、识别以及再设计优势，均能为复杂、多种类特征的产品进行重构。为此，相关人员应加大上述两种逆向建模方法的应用研究力度，即将现有曲面与实体特征的逆向建模方法混合起来，以实现重构作用优势的最大化目标[1]。

2 曲面和实体特征混合逆向建模方法的应用现状

为进一步提升工业建设的快速发展步伐，产品重构模型的构建，需将自由曲面更为简单规则作为科研方向[2]。对于复杂的已有产品，应在简单规则化后，采用布尔运算方法将已有产品的三维数据信息转换为实体。经实践证实，从已有产品重构特征出发对已有工业产品进行重构建模研究的成果有两种，即曲面与实体特征。其中曲面主要用于复杂产品的重构，实体特征，则用于规则工业产品的重构建模。该方法运用过程为，先对已有产品情况进行点云数据的采集获取，经预处理后，就可采用建模方法生成三角多边形的网格模型。这里的建模方法是指封装处理。如此，就可根据不同网格面区域包含的集合曲面特征，来对网格进行划分。当已有产品重构模型构建人员进行到此步后，就能以人机交互方式，来制定各个网格面曲面特征与子网格面区域的连接类型，并通过拟合，来实现产品曲面特征的重构。为提高重构建模结果获取的准确性，研究人员还要对几何曲面的裁剪缝合操作进行曲面模型重构[3]。

当上述产品建模重构方法运用于实践，模型就能以自动化拟合状态，掌握工业产品高精度的曲面数据信息。但在实践运用过程，要想将模型转换至正向建模软件中，就要经过裁剪缝合与再设计，来实现建模控制目标。故，采用基于实体特征的逆向建模方法，即在预处理点云数据后，将封装获得的三角多边形网格模型进行二维轮廓曲线的实体特征获取，继而得到相应的实体特征。为得到最终的实体模型，还应对重构获得的多个实体特征进行布尔运算与倒角控制。

值得注意的是，已有产品重构逆向建模方法应用人员，还能从网格面的模型入手，来识别提取产品的实体特征数据信息，进而经直接编辑来修改实体特征进行实现再设计的目标。但实际运用重构过程仅能作用于规则的实体特征，为解决改善这一问题现状，需将不同的建模方法利用起来，以使其优势更好地运用于复杂模型的逆向重构研究[4]。

将基于曲面与基于实体特征的两种建模方法混合运用思路是，对已有产品的原始数据进行采集与预处理，并在获得三角多变的网格模型后，对其进行精简处理，以使其表面的质量效果更趋效用。此后，就可在软件平台上，对处理后的网格面模型进行产品曲面特征与实体特征的拟合。如图1所示，为基于曲面与实体特征的混合逆向建模流程示意图。

但就目前来说，混合逆向建模方法的运用软件市场环境局限性较大，即无法满足重构模型进度的要求，因此，降低了产品重构对CAD模型的再设计工作开展的便捷性。因此，相关人员应将其进行优化研究，以提高工业发展的快速稳定效果[5]。

3 曲面和实体特征混合逆向建模方法的应用实例分析

以在逆向建模软件Geomagic Design Direct与Geomagic Studio中运用曲面与实体特征的混合逆向建模方法为例，具体的重构产品为涡轮叶片。

据权威数据统计，要想满足我国涡轮叶片的修复需求，须消耗600万美元的成本，才能保证各行各业涡轮叶片设备运行使用的安全可靠效果。为此，相关人员拓展了该复杂产品实物的CAD模型重构研究，以降低涡轮叶片使用的造价成本。

3.1 网格面的处理

对于模型表面点云数据的获取，需采用手持式扫描仪，并利用Geomagic Studio软件平台，预处理已有工业产品特征的点云数据，继而通过封装生成产品重构的网格面模型。印建模重构的已有工业产品涡轮叶片，是涡轮发动机的叶轮模型，因而，获取网格面模型的原始数据时，导致其表面出现了数字、凹凸纹等问题。故，混合逆向建模方法运用人员还需对问题区域进行光顺优化处理。此外，在多边形网格面模型的情况下，相关人员还要对网格面的处理工具进行丰富控制，即通过松弛、降噪与去除特征处理来保证三角多边形网格面模型重构建模的控制效果。对于网格面模型的处理，还要运用网格面检查工具找出钉状物或是孔洞不易被发现的网格面片，并通过修复处理，来提高目标曲面拟合的质量效果。与此同时，网格面片的修复处理，还能控制曲面拟合的错误问题，进而提高产品混合逆向建模方法运用的效果价值[6]。

3.2 曲面拟合控制

在观察叶轮模型的叶片特征后，就可根据叶片的具体情况，将其分为两种，即大叶片与小叶片，并确定其均呈阵列特征。此特征背景下，相关人员在拟合叶片的曲面特征时，只需取大小叶片两张曲面进行实体模型的重构，以使16片叶片的实体特征均能通过逆向建模方法重构出来。此外，由于叶轮中轴顶部的凹面不属于旋转面和球面，因此，相关人员应采用曲面逆向建模方法来进行拟合重构。当网格面模型作用于Geomagic Studio软件时，需将拟合叶片的曲面存为iges格式数据，并把处理后的叶轮网格面模型存为stl格式的数据，以为后续Geomagic Design Direct建模软件的导入操作提供便利。对于偏差过大的问题，应调整曲面的边界与拟合参数，来获取满足标准偏差值要求，0.015mm的拟合结果[7]。

3.3 实体特征的提取

建模研究人员需将坐标系中的基准面作为截面，以获取旋转体的截面线草图，并将z轴作为旋转轴。以此，同样能够实现叶片旋转体特征的重构。在处理完旋转体截面线草图后，应运用旋转工具，来对旋转体进行重构。而后，还要继续导入叶片曲面的数据信息，并通过布尔运算与拉伸操作，来实现实体特征的重构。以小叶片的构造重构过程为例，先要选择两个曲面特征的其中一个曲面，作为目标曲面，再通过目标曲面的拉伸，来生成实体。此后，还要对剩余的一个曲面进行拉伸，以增加其边界的范围。如此，经过布尔运算后，就可获得的小叶片实体特征。

3.4 正向建模

当涡轮叶片的各个实体特征重构完成后，先要对构造的叶片实体特征进行阵列处理，即将z轴作为阵列中心，并把阵列的个数确定为8。由于大小叶片的阵列操作数量与方法一致，因此，研究人員可将旋转体特征与特片实体的阵列特征进行运算，以获得最终的实体模型重构结果。值得注意的是，封装所得的网格面模型，需经过光顺的质量效果优化控制，并将其作为参考对象，以对产品重构的实体模型进行准确性测试，进而在重构精度效果控制的情况下，强化混合逆向建模方法运用的效果价值[8]。

4 结束语

综上所述，曲面与实体特征的混合逆向建模方法运用，需在掌握重构产品特征的情况下，通过软件将获取的特征信息进行转换，以保证产品模型数据重构的精确性。事实证明，只有这样，才能将复杂的已有产品，以高精确状态进行重构，进而降低产品修复所消耗的成本。为此，工业产品模型重构研究人员应将上述分析内容与分析结果运用于各类复杂的工业产品设备，以在降低修复成本消耗的同时，将产品运行使用的效果价值充分发挥出来。

参考文献：

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[3]徐岗，朱亚光，李鑫，许金兰，汪国昭，许健泉.插值边界的四边网格离散极小曲面建模方法[J].软件学报，2016，27（10）：2499-2508.

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[8]孙立镌，梁颖，孙大松.自由曲面特征的定义与识别技术的研究[J].计算机工程与应用，2011，47（16）：204-206-234.

作者简介：沈羽（1984-），河南平顶山人，硕士，讲师，主要从事CAD/CAM、数控技术方面的教学与研究。