基于Geomagic Design X軟件曲面創建的分析研究

摘要：曲面是產品造型中最基本的構成要素，曲面質量直接關系到產品質量，分析逆向工程軟件Geomagic DesignX軟件各種曲面創建方法的特點和應用場合，通過實踐操作可知所得到的曲面符合預期需求，同時也為應用其他軟件構面提供指導意義。

關鍵詞：逆向工程;Geomagic DesignX;曲面創建;曲面特點

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0232-03

逆向工程技術，簡稱抄數技術，是以現有產品為模型，通過數字化測量設備和逆向軟件重構產品的數字模型數據，利用獲取的點云數據來反求產品特征曲線的重構與編輯、特征曲面的重構與編輯并輸出產品的CAD模型。目前主流的正逆向軟件都具備逆向建模功能，Geomagic Design X軟件是功能最全面的逆向工程軟件，它能夠在不借助第三方軟件的前提下將點云數據重構CAD模型，是將原始點云數據轉換為CAD數據的優秀工具。

曲面是產品造型中最基本的構成要素，曲面質量的好壞直接關系到產品的表面是否符合工藝性要求、審美要求和質量要求，Geomagic Design X逆向軟件提供強大的曲面構建功能，針對不同曲面類型提供了多種創建曲面的方法以便能夠構建符合質量要求的曲面。

1 Geomagic Design軟件中曲面的創建方法

DX軟件提供基礎曲面命令、基本造型構面命令、面片擬合命令、境界擬合命令、放樣命令、放樣向導命令和面填補命令等七種常見的構建曲面的方法，利用這些功能創建滿足要求的各類曲面特征。

1.1 基礎曲面命令構面

利用基礎曲面命令可以構建幾何結構規則的曲面類型，可以構建平面、圓柱面、圓錐面、球面和圓環面等六種曲面類型。利用此命令構建曲面的前提是需提前劃分好點云數據上的領域特征，操作時只需要拾取相應特征的領域即可構建相應的曲面特征類型。例如下圖1所示的圓錐面創建，當此領域顯示為圓錐時用鼠標放在圖示的領域上點擊即可。

這種構面曲面的方法操作簡單，只要領域劃分合理，基本上就能得到所需的規則曲面。但由于此種方法是直接利用拾取領域來獲取曲面，會導致多個規則曲面之間的尺寸誤差和位置誤差，如對曲面的質量要求較高還需在后續操作中進一步處理。

1.2 基本指令構面

無論是正向建模還是逆向建模，常見的基本指令都有拉伸、回轉、掃描等命令，基本指令也是構建幾何結構規則曲面最常用的方法。這些基本指令的操作方式在正逆向軟件中基本一樣，需要先選取一個基準面繪制草圖，然后利用拉伸、回轉、掃描等方式形成所需的規則特征曲面，基本操作步驟如圖2和如圖3所示。

利用基本指令構面符合產品的正向設計思路，而且在草圖中能夠嚴格在尺寸和位置精度，因此所創建的曲面在精度上和質量上都能得到保障，是構建規則曲面的首選方法。

1.3 面片擬合命令構面

面片擬合功能是DX軟件相對于其他正向軟件所特有的快速創建曲面的命令。它是將曲面擬合至所選領域或單元面上進而構建滿足要求的曲面，該命令構面的原理類似于正向設計中的四邊構面方法，它利用所劃分的領域自動判斷出U-V線來構建曲面，同時可以利用許可偏差f曲面的公差）和控制點數（增加或減少U-V線的數量）來改善曲面的質量以滿足產品的表面要求，如圖4和圖5所示。

通過面片擬合構建的曲面表面質量高、曲面連續性好，適合于大部分非幾何規則的曲面創建，但是該命令對領域的劃分要求較高，特別是一些曲率變化較大的區域用面片擬合所創建的曲面質量非常差。所以面片擬合命令主要用來曲率變化不大的大曲面構建，對于曲率變化較大的曲面則后續通過曲面的裁剪、填補等操作來進行細節處理。

1.4 境界擬合命令構面

該命令主要是對三角面片進行網格劃分，利用3D面片草圖功能在三角面片上繪制縱橫交錯的3D樣條曲線，并使外輪廓形成封閉的類四邊形網格曲線。境界擬合命令則能根據所繪制的3D樣條曲線自動擬合曲面并使生產的曲面貼合點云數據，進而完成網格曲面的創建。如果三角面片上出現特征變化明顯的區域則須通過在網格內增加3D樣條曲線或調整許可偏差和控制點數來改善曲面的質量以滿足產品的表面要求，如圖6和圖7所示。

該命令所創建的曲面表面質量較差，曲面的連續性較差，但是構面的效率相對較高，特別適合于面片表面特征變化明顯的區域（如工藝品的表面）、其他構面方法不容易實現的區域和對表面質量和平滑度要求不高的場合下。

1.5 放樣構面

當面片輪廓上的U或V線非常清晰的情況下，可以利用3D面片草圖功能在三角面片上繪制兩條或兩條以上的3D樣條曲線作為U或V線，利用放樣命令快速構建曲面。為了提高曲面的表面質量，一般所繪制的3D樣條曲線需許可偏差控制和平滑處理，如圖8和圖9所示。

另外，當多個面的交界處連接質量較差或需進行平滑處理時，一般的操作步驟是先進行曲面的邊界修剪，然后在利用修剪后的曲面邊界作為輪廓進行放樣來構面，此時所創建的曲面通過與已存在的相鄰面進行G1或者G2約束來顯著的改善曲面的表面質量，如圖10所示。

1.6 放樣向導構面

放樣向導構建曲面類似于放樣命令構建曲面，不過放樣向導命令是基于劃分的領域來自動生成3D曲線或2D曲線作為放樣的U或V線，可方便構建U或V線是開放或者封閉的輪廓線，同時可以通過控制斷面數的數量來調整曲面的質量。該命令特別適合用于變管徑類曲面的創建或者U或V線比較明顯的曲面創建。例如圖11所示的花灑把手類似于管徑類曲面，就可以利用放樣向導快速構建曲面。

1.7 面填補構面

面填補命令根據所選曲面邊界創建曲面，在修復損壞曲面片或只封閉開放的曲面體方面十分有用。執行面填補命令時，所選取的曲面邊線應形成封閉的輪廓線，邊線的端點應相交以免構面失敗，同時還可以約束曲面與周邊曲面的連續性關系，進而控制整個曲面的表面質量，如圖13和圖14所示。面填補命令構面也是逆向建模過程中由曲面轉變為實體的重要環節，通過面填補、縫合等操作即可實現。

2 各種構面方法的特點

綜上所述，在DX軟件中常見的七種構建曲面的方法，每種命令所創建的曲面都有其自身的特點，見表1所示。

（1）對于規則類曲面，利用基礎曲面命令和基本構面命令，優先利用拉伸、旋轉、掃描等命令來創建，可提高曲面的表面質量;對于非重要表面或尺寸誤差和位置誤差等要求不高的曲面也可使用基礎曲面命令快速創建曲面。

（2）對于非規則類曲率較小的大曲面，可采用面片擬合命令、放樣命令和放樣向導命令來完成。

（3）對于變管徑類曲面，采用放樣向導命令可快速完成。

（4）對于多個曲面的拼接面，一般使用放樣命令和面填補命令來完成，同時通過約束與其他面之間的關系提高產品表面的整體質量。

（5）對于要求不高的曲面或者類似藝術品類表面，為了提高曲面的建模效率采用境界擬合命令來快速創建。

3 總結

曲面的創建是構建復雜產品表面的關鍵，創建的曲面質量直接關系到產品的質量。本文介紹了各種曲面創建方法，通過分析各種創建方法時的構面基礎、特點以及應用場合，并通過大量的實踐操作證實在不同的場合下和不同的曲面質量要求下這些曲面創建方法是行之有效的。當然曲面的創建有時候需要靈活應用多種方法的聯合操作才能滿足曲面的要求，本文中提到的思路僅為以后逆向操作中的曲面創建提供操作參考。

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