一、引言

　　在逆向工程技術(shù)中，傳統(tǒng)曲面造型方式(Classical surfacing)遵從典型的逆向工程流程，即點(diǎn)——線——面及點(diǎn)——面。通過使用Bezier和NURBS曲面，直接由曲線或測量點(diǎn)來創(chuàng)建曲面的一種曲面造型方式，包括了以往流行的曲面造型方法，需要大量的人工交互，造型質(zhì)量的人為影響因素較大。

　　快速曲面造型方式(Rapid surfacing)是通過對(duì)點(diǎn)云的網(wǎng)格化處理、建立多面體化表面來實(shí)現(xiàn)的。它順應(yīng)了當(dāng)前許多CAD造型系統(tǒng)和快速原型制造系統(tǒng)中模型多邊形表示的需要，已成為目前應(yīng)用最為廣泛的一類方法。

　　二、傳統(tǒng)曲面造型方式

　　1.產(chǎn)品模型分析

　　在逆向產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為提高逆向工程重建產(chǎn)品數(shù)字化模型的二次設(shè)計(jì)能力，必須進(jìn)行產(chǎn)品分析以剖析產(chǎn)品原型的設(shè)計(jì)意圖及造型方法，例如基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品特征構(gòu)成和建模順序。

　　然后基于各種測量數(shù)據(jù)進(jìn)行原始設(shè)計(jì)參數(shù)還原處理，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后導(dǎo)入CAD系統(tǒng)中進(jìn)行產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，重建與原始設(shè)計(jì)意圖一致的產(chǎn)品數(shù)字化模型，再進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)。這是技術(shù)消化、吸收和創(chuàng)新的最佳途徑。

　　2.數(shù)據(jù)采集

　　數(shù)據(jù)采集是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用點(diǎn)接觸采集點(diǎn)集數(shù)據(jù)，用激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)和制造。在接觸式測量方法中，三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)是應(yīng)用最為廣泛的一種測量設(shè)備;而在非接觸式測量方法中，結(jié)構(gòu)光法被認(rèn)為是目前最成熟的三維形狀測量方法，在工業(yè)界廣泛應(yīng)用。海克斯康公司研發(fā)的柔性三坐標(biāo)測量機(jī)INFINITE，其測量系統(tǒng)Scanworks是這種方法的典型代表。但每種測量方法都有其優(yōu)勢與不足，在實(shí)際測量中，兩種測量技術(shù)的結(jié)合將能夠?yàn)槟嫦蚬こ處砗芎玫膹椥裕兄谀嫦蚬こ痰倪M(jìn)行。

　　3.傳統(tǒng)方式的特點(diǎn)和策略

　　傳統(tǒng)曲面造型方式可以使用多種曲面片模型來創(chuàng)建復(fù)雜的曲面模型，而其中最常用的有參數(shù)多項(xiàng)式曲面模型、邊界插值曲面模型和掃描曲面模型。典型的參數(shù)多項(xiàng)式曲面模型又包括Bezier曲面模型、B-Spline曲面模型和NURBS曲面模型。對(duì)傳統(tǒng)曲面造型方式來說，曲線是曲面重建的關(guān)鍵因素，要用于后續(xù)的曲面生成和曲面裁剪。因此，曲線的質(zhì)量直接影響最終曲面模型的質(zhì)量。在曲線、曲面的編輯和調(diào)整上，傳統(tǒng)曲面造型方式的CAD系統(tǒng)往往都提供了功能多樣的方法。

　　在實(shí)際產(chǎn)品中，產(chǎn)品的外形特征往往不是簡單地由一張曲面構(gòu)成，而是由多張曲面混合而成，所以在實(shí)施曲面重建時(shí)，傳統(tǒng)曲面造型方式通常具有兩種建模策略：(1)由點(diǎn)云直接擬合曲面片，而后對(duì)所有的曲面片進(jìn)行調(diào)面、求交、裁剪和拼接等處理，生成最終的曲面模型;(2)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片處理并擬合出特征線或是互動(dòng)地在點(diǎn)云上構(gòu)建3D樣條曲線，再通過適當(dāng)?shù)那鏄?gòu)建方式創(chuàng)建與特征對(duì)應(yīng)的曲面片。當(dāng)然，這兩種建模策略并不相互排斥，在具體的曲面模型重建過程中，往往需要根據(jù)特定的點(diǎn)云特征選擇一種或者同時(shí)使用兩種策略來實(shí)現(xiàn)最終曲面模型的重建。

　　傳統(tǒng)曲面重構(gòu)方法延續(xù)了傳統(tǒng)正向CAD曲面造型的方法，并在點(diǎn)云處理與特征區(qū)域分割、特征線的提取與擬合以及特征曲面片的創(chuàng)建方面提供了功能多樣化的方法。配合建模人員的經(jīng)驗(yàn)，容易實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的曲面重建。但是，進(jìn)行曲面重建需要投入大量的建模時(shí)間和熟練建模人員的參與，特別是在要求構(gòu)建A曲面時(shí);并且，基于NURBS曲面建模技術(shù)在曲面模型幾何特征的識(shí)別、重建曲面的光順性和精確度的平衡把握方面，對(duì)建模人員的建模經(jīng)驗(yàn)提出了更高的要求，傳統(tǒng)曲面造型方式的曲面重建幾乎成為了少數(shù)人手中的一項(xiàng)“黑色技藝”，在一定程度上影響了逆向工程的推廣和應(yīng)用.

　　三、快速曲面造型方法的特點(diǎn)與策略

　　快速曲面造型方式主要通過使用Bezier和NURBS曲面模型來創(chuàng)建復(fù)雜的曲面模型，且對(duì)于Bezier曲面創(chuàng)建的曲面模型，為了便于計(jì)算機(jī)的表達(dá)和顯示，往往需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為NURBS曲面表達(dá)的格式。對(duì)快速曲面造型方式來說，其最大的特點(diǎn)就是快速。它必須要有人工的干預(yù)，在曲面創(chuàng)建之初，建模人員必須要對(duì)所處理的點(diǎn)云對(duì)象和生成的多邊形化模型進(jìn)行一定的處理，同時(shí)還必須給系統(tǒng)的執(zhí)行指定一些預(yù)設(shè)參數(shù);其次，從最終的建模質(zhì)量來看，這種快速是以一定曲面建模質(zhì)量的犧牲為代價(jià)的，該造型方式下的逆向系統(tǒng)目前還不能用來構(gòu)建A曲面，但對(duì)于工程領(lǐng)域中的許多產(chǎn)品或產(chǎn)品中的眾多部件而言，滿足G’連續(xù)的曲面模型已經(jīng)是足夠的。

　　快速曲面造型方法通常包括以下步驟：首先，從點(diǎn)云中重建出三角網(wǎng)格曲面;再對(duì)這個(gè)三角網(wǎng)格曲面分片，得到一系列有四條邊界的子網(wǎng)格曲面;然后，對(duì)這些子網(wǎng)格逐一參數(shù)化;最后，用NURBS曲面片擬合每一片子網(wǎng)格曲面，得到保持一定連續(xù)性的曲面樣條，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，并可以用CAD軟件進(jìn)行后續(xù)處理。快速曲面造型方式的曲面重建方法表示簡單、直觀，適用于快速計(jì)算和實(shí)時(shí)顯示的領(lǐng)域。

　　此外，快速曲面造型方式與傳統(tǒng)曲面造型方式另一個(gè)典型的區(qū)別是，傳統(tǒng)曲面造型方式面向的是特征，在曲面重建時(shí)其根本的流程是由特征到模型整體;而快速曲面造型方式面向的是模型整體，在曲面重建時(shí)進(jìn)行區(qū)域分割其目的只是為了改善后續(xù)創(chuàng)建曲面的品質(zhì)。所以，在某種意義上講，在快速曲面造型方式中并沒有真正的特征。實(shí)施曲面重建時(shí)，快速曲面造型方式通常也具有兩種建模策略：(l)點(diǎn)云多邊形化后，使用Bezier曲面片進(jìn)行擬合，并由此創(chuàng)建各曲面片之間滿足G’連續(xù)的Bezier曲面模型。而后Bezier曲面模型進(jìn)行Bezier-NURBS轉(zhuǎn)換，從而獲得相應(yīng)的NURBS曲面模型，用于下游CAD的工程應(yīng)用;(2)點(diǎn)云多邊形化后，先對(duì)多邊形模型用四邊形進(jìn)一步劃分，而后對(duì)四邊形化處理的模型使用NURBS曲面片進(jìn)行擬合，直接得到NURBS曲面模型。

　　四、Geomagic Studio 10 Fashion技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　1.Geomagic Studio技術(shù)介紹

　　美國Geomagic公司出品的逆向工程軟件(Geomagic Studio)和三維檢測軟件(Geomagic Qualify)，可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過系列數(shù)據(jù)處理后創(chuàng)建出完美的多邊形網(wǎng)格，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，其逆向曲面重建模塊能快速地整理點(diǎn)云資料，并自動(dòng)產(chǎn)生網(wǎng)格以構(gòu)建任何復(fù)雜模型的精確曲面。針對(duì)逆向工程各階段的信息(如點(diǎn)、網(wǎng)格斷面線和特征線分析對(duì)比等)提供了快速的處理工具。Geomagic逆向設(shè)計(jì)的原理是基于空間三角片來逼近還原CAD實(shí)體模型，在建模策略上，Geomagic采用的是CAD曲面與NURBS曲面擬合相結(jié)合，并直接創(chuàng)建曲面模型的策略，其具體的曲面重建流程被劃分為點(diǎn)階段——多邊形階段——Fashion造型階段，這三個(gè)前后緊密聯(lián)系的階段來進(jìn)行。

　　2.Geomagic Studio 10 Fashion技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　Fashion使用最新的曲面生成方法，使曲面質(zhì)量更加光順，而且可以自動(dòng)或手動(dòng)將模型中的各個(gè)曲面分類(包括拉伸面、旋轉(zhuǎn)面、拔模面、平面、柱面和圓錐面等)，使其含有CAD的特征。選取全部或部分的曲面進(jìn)行處理，使用各種工具和參數(shù)控制曲面擬合，由平面、柱面、錐面、拉伸面、旋轉(zhuǎn)面和自由形狀曲面組合創(chuàng)建出單一縫合曲面，提取優(yōu)化的輪廓曲線;使用檢測選項(xiàng)、順序察看命令或可視化工具分析曲面擬合結(jié)果，最終將輪廓曲線或準(zhǔn)CAD曲面導(dǎo)出為IGES或STEP文件進(jìn)行其他處理。