【文章內(nèi)容簡介】 第 17 頁 共 39 頁 再重新建構(gòu)曲面模型， 產(chǎn) 生 CAD 數(shù) 據(jù)，快速 制造或 NC 加工。目前在 點 云生成曲面的 過 程中，主要有三種曲面構(gòu)造的方案：其一是以 BSpline 或 NURBS曲面為基礎(chǔ) 的曲面構(gòu)造方案；其二是以三角 Bezier 曲面為基礎(chǔ) 的曲面構(gòu)造方案；其三是以多面體方式 來 描述曲面物體。 由于 CAD/CAM 的發(fā)展，各種自由曲面與自由曲面的理論應(yīng)運而生，如Bezier 曲面、 BSpline 曲面、 NURBS 曲面 、 Loft 曲面 (Loft Surface)、構(gòu)造基準(zhǔn)曲面 (Construct Surface) 、旋轉(zhuǎn)曲面 (Revolved Surface) 、網(wǎng)格曲面 (Net Surface)等。 由三維掃描儀所得到的點云數(shù)據(jù)來建立曲面的方式一般可以分為兩種：一種是以近似的方式、另一種是以插補的方式來將順序的點數(shù)據(jù)建立成為曲面，以下分別就這兩種方法做一簡單介紹： 1) 近似法 (approximation) 以近似法來重建曲面，首先必須先指定一個容許誤差值 (tolerance)，并在 U、 V 方向建立控制點的起始數(shù)目，以最小平方法來擬合出 (fit)一個曲面后將量測之點投射到曲面上并分別求出點到面的誤差量，控制誤差量至指定的容許誤差值內(nèi)以完成曲面的建立，如果量測的數(shù)據(jù)很密集或是指定的容許誤差很小，則運算 的時間會相當(dāng)?shù)木?。以近似法來擬合曲面的優(yōu)點是擬合的曲線不需要通過每個量測點，因此對于量測時的噪聲將有抑除的作用。所述，使用近似法時通常是點云數(shù)據(jù)點多且含噪聲較大的情況下。 2. 插補法 (interpolation) 以插補的方式來進行曲面的建立，則是將每個截面的點數(shù)據(jù)，分別插補得到通過這些點的曲線，再利用這些曲線來建立一個曲面。以插補的方式進行曲面數(shù)據(jù)建立，其優(yōu)點在于得到曲面一定會通過量測之?dāng)?shù)據(jù)點，因此如果數(shù)據(jù)量大的話，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因為如此，如果量測時點數(shù)據(jù)含大量的噪聲則在重建曲面時大量 的噪聲將被含入而產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。所述，以插補法來重建曲面較佳的使用時機是對于數(shù)據(jù)量少且所含入噪聲較小的點群數(shù)據(jù)。 因此對于掃描點數(shù)據(jù)而言，由于點數(shù)據(jù)量大以近似法來重建曲面將會較插補法節(jié)省控制點的儲存空間，而且對于掃描時所滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來建立曲面，卻會耗費大量的計算機內(nèi)存及較多時間在曲面的計算上，因此我們在建立曲面的過程中應(yīng)配合所測量得的數(shù)據(jù)點陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 共 39 頁 數(shù)目及精度來決定曲面重建所使用的方法。 近年來，運用 Auto CAD軟件進行二維圖形的測繪已經(jīng)得到很大的普及。但是，二維平面圖 不能完整和準(zhǔn)確地體現(xiàn)出設(shè)計者的設(shè)計思想，而且，二維圖紙無法對設(shè)計對象進行后續(xù)的結(jié)構(gòu)有限元分析、運動分析、公差分析、以及數(shù)控加工代碼的生成，而這些分析往往是必不可少的，只有三維實體造型才能滿足這些要求。越來越多的三維設(shè)計軟件如 MDT, Solid Works、Pro/E、 UG等，都得到了廣泛的應(yīng)用。建立三維模型，有助于理解零件的特征，更加直觀方便，而且對于快速制造很必要。 本次設(shè)計逆向方案的確定 目前逆向工程的解決方案主要有以下三大類： ○ 1 沿襲正向建模思路，從點到線再從 線到面。這種方案一般處理過程如下：首先從數(shù)據(jù)點中提取原始物體的截面線、特征線或邊界線，然后采用掃成、蒙皮、裁剪等一系列常規(guī)曲面構(gòu)造方法，得到主要以 NURBS取信表示的 CAD模型。這是一種直觀的準(zhǔn)逆向工程的思路，適合于簡單易于構(gòu)建的模型的創(chuàng)建。 ○2 完全逆向工程的做法：即由點云數(shù)據(jù)直接反求 CAD模型。目前主要在復(fù)雜曲面方面得到較多應(yīng)用。通常有兩種表達方式：一種是用三角 Bezier曲面片來逼近模型，首先對點云數(shù)據(jù)三角化，然后根據(jù)三角形網(wǎng)格進行 C2連續(xù)的三角 Bezier曲面片插值重建 。另外一種是用 NURBS曲面表示，通過用戶指定重構(gòu)曲面的次數(shù)和范圍，自動進行參數(shù)分割，由點云數(shù)據(jù)反求 NURBS曲面的控制頂點。這種方法計算耗費大，對數(shù)據(jù)的噪聲以及參數(shù)分割的好壞要求嚴(yán)格，主要使用于復(fù)雜曲面的重構(gòu)方面。 ○3 反向提取與正向設(shè)計結(jié)合：直接由點云數(shù)據(jù)提取特征參數(shù)，在導(dǎo)入 Pro/E等通用 CAD/CAM系統(tǒng)進行正向設(shè)計。在本次逆向工程的設(shè)計中，分析藝術(shù)品烏龜模型后，發(fā)現(xiàn)其較少有規(guī)律可循，致使正向設(shè)計十分困難進行。因此，擬采用完全逆向工程的做法，考慮到精度和其他因素，將結(jié)合完全 逆向中兩種做法：首先用三角 Bezier曲面片來逼近模型，然后用 NURBS曲面表示，通過用戶指定陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 共 39 頁 重構(gòu)曲面的次數(shù)和范圍，自動進行參數(shù)分割，由點云數(shù)據(jù)反求 NURBS曲面的控制頂點進行逆向。 綜上所述：本次設(shè)計中，主要存在以下幾部分：點云的預(yù)處理、點云處理、曲面重構(gòu)、實體建模。在點云預(yù)處理階段擬采用逆向軟件 Imageware進行處理，主要完成去噪、整理、修整點云的作用 。在點云處理階段采用Pro/E中小平面特征模塊進行處理，主要在進一步深層次的處理點云的基礎(chǔ)上，進行消除破洞、數(shù)據(jù)精簡、對小平面進行包絡(luò)處理、小調(diào)粗調(diào)、 小平面精調(diào)和精整以及生成集管等工作。曲面重構(gòu)階段主要采用 Pro/E中重新造型模塊，擬采用自動創(chuàng)建樣條曲面的方式生成樣條曲面，在在此基礎(chǔ)上采用修改數(shù)學(xué)屬性、修改曲面、曲面重新構(gòu)造三種方式對曲面進行調(diào)整修正，以使本次的復(fù)雜曲面達到需要的精度和構(gòu)思意圖。實體建模部分主要完成對上一步修整調(diào)節(jié)后的曲面進行實體化過程。 本章小結(jié) 本章介紹了復(fù)雜曲面逆向工程的過程，其包括點云掃描、點云處理、曲面重構(gòu)、實體建模。其中著介紹了點云處理的一般步驟和曲面重構(gòu)的常見方法。也介紹了在此過程中應(yīng)該注意的問題。在選擇處理方法時應(yīng) 該注意根據(jù)所逆向的模型選擇合理的處理手段，以達到事半功倍的效果。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 共 39 頁 模型分析→掃描方案確定→進行掃描→點云處理→點云數(shù)據(jù)過濾→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→ Pro/E 小平面特征處理→重新造型特征處理→曲面完成→曲面實體化→快速成型 數(shù)據(jù)獲取和處理 掃描過程一般采用三維掃描儀，需在掃描時需要噴上顯影劑，進行多方位掃描，掃描后一般采用 surfacer 打開文件對點云數(shù)據(jù)進行拼接。這時可以對這些局部進行補充，即對這些部分進行局部掃描，將點云補充完整。在 Imageware13 中打開后得到如圖 圖 導(dǎo)入后的原始點云 點云數(shù)據(jù)清理 進行點數(shù)據(jù)處理是進行曲面重構(gòu)的第一步。在逆向工程軟件 Imageware13中打開。該點云數(shù)據(jù)中存在很多的不需要的點，為了后面處理方便首先需陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 共 39 頁 要把點云中明顯的不需要的點刪除掉。使用 修改 抽取 圈選點 命令圈選不需要的數(shù)據(jù)，以及明顯的噪聲點。 在去掉明顯不需要的點數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)量還是比較龐大，而且分布不均勻，為了使點的分布比較合理，使用命令 修改 數(shù)據(jù)簡化 距離采樣 進行點云數(shù)據(jù)過濾。過濾如 圖 3. 1 所示。 圖 3. 1 過濾后的點云數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)出通用格式 Imageware 類型的文件不能直接在其他三維造型軟件中打開。為了解決這一問題，國際上出現(xiàn)了一種描述三維幾何的標(biāo)準(zhǔn)格式 IGS 格式。以這種格式導(dǎo)出的三維模型就可以在其他三維設(shè)計軟件中繼續(xù)修改了。為了后期的三維模型可以在其他的三維軟件中打開，在 Imageware 中把精簡數(shù)據(jù)后的文件另存為擴展名為 IGS 的文件。 小平面（ Facet）特征是 Pro/ENGINEER 中一個主要的點云處理工具，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 共 39 頁 它所針對的處理對象通常是采用激光掃描得到的密集點云；密集點云可以在小平面特征中經(jīng)過去雜、降噪和取樣、補孔和清理等步驟的處理最后生成適合于下一步造型參考的小平面。小平面特征的引入，使得 Pro/ENGINEER對于外部的逆向處理軟件的依賴大為降低，借助小平面特征， wildfire 在根據(jù)密集點云逆向造型的應(yīng)用大為拓寬。 造型前準(zhǔn)備 打開 Pro/E，修改工作目錄，新建一個零件，鍵入文件名，取消選中“使用缺省模版”復(fù)選框，選擇 mmns_part_solid 選項，如 圖 3. 2 所示。 圖 3. 2 設(shè)置新文件選項 輸入點云數(shù)據(jù) 單擊菜單欄中“插入” /“小平面特征”命令，在彈出的“打開”對話框中選擇并打開要輸入的點云數(shù)據(jù)，如 圖 3. 3 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 共 39 頁 圖 3. 3 輸入點云數(shù)據(jù) 圖 3. 4輸入選項 打開后，在彈出的如 圖 3. 3 所示的“輸入選項”對話框中之指定坐標(biāo)系，直接單擊對話框中的“確定 ” 按鈕以默認(rèn)方式將點云數(shù)據(jù)調(diào)入小平面特征工作區(qū)域。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 共 39 頁 點云數(shù)據(jù)處理 針對整個點云數(shù)據(jù)，單擊工具欄中的“刪除界外值”按鈕 ，在彈出的 圖 3. 5 所示的對話框中輸入靈敏度，單擊“確定”按鈕。系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的靈敏度對點云數(shù)據(jù)進行處理并刪除界外值。 圖 3. 5 靈敏度設(shè)置 圖 3. 6 去除噪音 單擊工具欄中的“去除噪聲”按鈕 ，在彈出的 圖 3. 5 所示的對話框 中選擇降噪模式，此命令將剔除點云中的粗大噪聲點。 單擊工具欄中的“填充”按鈕 ，在選定區(qū)域?qū)c云進行填充處理，即對點云有破洞的地方進行修補。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 共 39 頁 單擊工具欄中的“示例”按鈕 ，按照一定規(guī)則對點云數(shù)據(jù)進行精簡處理，刪除冗余數(shù)。選擇“按曲率抽樣”選項，設(shè)定“百分比”為 80，如 圖 3. 7 所示。 圖 3. 7 “示例”對話框 數(shù)據(jù)保存：單擊工具欄中的“保存 ” 按鈕，在彈出的的對話框中輸 入文件名，選定保存格式，對處理過的點云數(shù)據(jù)進行保存處理，以方便后續(xù)調(diào)用。對點云的處理完成后，就可以進入包絡(luò)階段。從表面看包絡(luò)階段和小平面階段并沒有什么區(qū)別，都是由三角面所組成。區(qū)別在于：包絡(luò)階段包含了所有原始點云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也就是說在包絡(luò)階段雖然點云沒有顯示出來，但在系統(tǒng)內(nèi)部還是保存了這些點云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；而當(dāng)進入小平面階段就會把原始的點云刪掉。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁 共 39 頁 包絡(luò)處理 單擊工具欄的“包絡(luò)”按鈕，系統(tǒng)將對處理過的數(shù)據(jù)點進行三角平面處理。結(jié)果如 圖 3. 8 所示。 圖 3. 8 包絡(luò)處理生成的三角面 1) 小平面粗調(diào)：此階段可運用工具欄中的壓淺、壓深、穿透、去除腹板等命令對小平面進行粗調(diào)處理。粗調(diào)可快速對三角面模型進行修改，但精度不高。 2) 小平面精整：粗調(diào)后，單擊工具欄中的“精調(diào)”按鈕 ，使小平面進入精整階段。與粗調(diào)階段相對應(yīng)，小平面精整階段的自動化程度較低，但能提供更為精細(xì)的三角面。 小平面處理 精調(diào)后，單擊工具欄中的“多面體面”按鈕 ，即可進入小平面處理階段。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 27 頁 共 39 頁 選中需要刪除的小平面， 單擊工具欄中的“刪除”按鈕 ，即可刪除多余的小平面。 單擊工具欄中的“填充”按鈕 ，在彈出的如 圖 3. 9 所示的對話框中進行設(shè)置，選中模型中的破洞，填充后效果如 圖 3. 10 所示。 圖 3. 9 填充設(shè)置 圖 3. 10 破洞填充 單擊工具欄 按鈕旁邊的下三角 彈出如 圖 3. 11 所示的按鈕。單擊“反向邊”按鈕 后，單擊小三角面的一條邊，則該三角面會反向重構(gòu)，如 圖 3. 11 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 28 頁 共 39 頁 圖 3. 11 三角面操作按鈕 圖 3. 12 反向邊操作 單擊工具欄中的“添加小平面”按鈕，依次單擊小平面的三個頂點，系統(tǒng)會以選中的三點為 頂點創(chuàng)建一個三角面，效果如 圖 3. 13 所示。 圖 3. 13 創(chuàng)建三角面 單擊工具欄中的“整理”按鈕 ，在彈出的如 圖 3. 14 所示的對話框陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 29 頁 共 39 頁 中進行設(shè)置，系統(tǒng)將根據(jù)所選模式對小平面進行整理，處理效果如 圖 3. 15所示。 圖 3. 14 “整理對話框” 圖 3. 15 “自由生成”模式整理后 單擊工具欄中的“分樣”按鈕 ，在彈出的對話框中設(shè)置百分比，如 圖 3. 16 所示 .確定后小平面會按百分比保留。 圖 3. 16 小平面分樣 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 30 頁 共 39 頁 單擊工具欄中的“松弛”按鈕 ，在彈出的對話框中設(shè)置松弛參數(shù)，如 圖 3. 17 所示。系統(tǒng)會按照設(shè)置的參數(shù)對小平面的特征進行平滑處理，效果如 圖 3. 17 所示。 圖 3. 17 設(shè)置松弛參數(shù) 圖 3. 18 松弛平滑后 單擊工具欄中的“精整”按鈕 ，在彈出的對話框中