常影張瑞軍

1、吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院　2、江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系

基于NURBS曲線的復(fù)雜零件逆向建模

常影1張瑞軍2

1、吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2、江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系

本文論述了復(fù)雜曲面零件的特點(diǎn)，并分析了NURBS方法在構(gòu)造復(fù)雜曲線和曲面中的特點(diǎn)。然后將NURBS構(gòu)造曲線和曲面的方法與其他的方法進(jìn)行了比較。最后基于Geomagic Studio逆向建模軟件應(yīng)用NURBS曲線對(duì)汽車懸架控制臂進(jìn)行了曲線的生成、網(wǎng)格的自動(dòng)生成和曲面重構(gòu)，并獲得了汽車懸架控制臂的曲面。

復(fù)雜零件；NURBS；逆向建模

引言

目前在生產(chǎn)中，有很多復(fù)雜曲面零件難以用正向建模的方式獲得模型。尤其是面對(duì)再創(chuàng)新和特殊零件修復(fù)的問題時(shí)，正向建模不僅周期長(zhǎng)而且難以達(dá)到理想的效果。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)在普遍采用逆向建模方法。汽車懸架控制臂是汽車中的重要零部件之一，在很大程度上影響汽車的平穩(wěn)性和舒適度。因此，汽車懸架控制臂的加工精度是目前亟待解決的一個(gè)問題，由于汽車懸架控制臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正向建模很難構(gòu)造，這也對(duì)汽車懸架控制臂的建模造成了一定的難度。從實(shí)際中了解到，周邊的中小型企業(yè)對(duì)于較復(fù)雜的零部件或者是圖紙不完整的零件，通常采用逆向建模法。但是由于許多制造商缺乏專業(yè)技術(shù)人員，逆向建模技術(shù)并未得到大范圍推廣。NURBS曲線針對(duì)復(fù)雜曲面的建模能夠很好地完成。因此，本文采用逆向建模方法，基于NURBS曲線曲面造型方法，結(jié)合Geomagic Studio軟件進(jìn)行汽車懸架控制臂建模，可以獲得較高質(zhì)量的汽車懸架控制臂模型。逆向建模已成為現(xiàn)代企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的一種重要設(shè)計(jì)手段［1-2］。NURBS是一種比較常用的建模方式，很多逆向和建模軟件中都會(huì)采用NURBS造型。NURBS方法的突出優(yōu)點(diǎn)是能用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式表示規(guī)則曲面與自由面［3-4］。汽車零部件結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜，所以使用NURBS曲線構(gòu)造型面更精準(zhǔn)。本文用NURBS方法對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行逆向建模。

1　點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得和處理

對(duì)于曲面復(fù)雜的零件，為了縮短建模和設(shè)計(jì)周期，采用逆向建?？梢钥焖俚玫侥Ｐ停⒃诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行修改。在給定零件實(shí)體的情況下，一般首先應(yīng)用三維數(shù)據(jù)掃描儀掃描零件的數(shù)據(jù)點(diǎn)云。有些零件尺寸較大，或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的，可以通過多次掃描，獲得更全的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最終采用逆向建模軟件對(duì)其進(jìn)行擬合處理，得到一個(gè)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Geomagic Studio軟件具有較強(qiáng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能，目前在逆向建模領(lǐng)域中應(yīng)用很廣泛。然后再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)、除噪和填加點(diǎn)等處理，并能夠?qū)⑶姹磉_(dá)清楚。點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不是越多越好，數(shù)據(jù)過多在導(dǎo)入到逆向建模軟件中時(shí)，運(yùn)行和計(jì)算就會(huì)增加時(shí)間，同時(shí)這對(duì)電腦和軟件也有很高的要求，所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的量要適當(dāng)。最后應(yīng)用NURBS曲線獲得零件的曲線，再應(yīng)用NURBS曲面進(jìn)行建模，得到零件的三維模型。然后在對(duì)精簡(jiǎn)后的有用的數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行曲線擬合，最后進(jìn)行曲面重構(gòu)。其主要過程如圖1所示。

圖1　基于NURBS曲線逆向建模流程圖

2　NURBS曲線的應(yīng)用

復(fù)雜零件模型的建立，對(duì)于能夠精準(zhǔn)地表達(dá)出曲面的形狀非常重要。曲線擬合是汽車懸架控制臂逆向建模的基礎(chǔ)，在逆向建模中，通常情況下先將精簡(jiǎn)后的汽車懸架控制臂數(shù)據(jù)點(diǎn)云，通過插值或逼近擬合成NURBS樣條曲線，再利用造型工具完成曲面片造型，再通過延伸、剪裁和過渡等曲面編輯，得到完整的汽車懸架控制臂曲面模型。

應(yīng)用NURBS曲線、曲面進(jìn)行擬合是汽車懸架控制臂逆向建模的主要技術(shù)。本文結(jié)合Geomagic Studio2012軟件生成汽車懸架控制臂的NURBS曲線，如圖2所示。

圖2　汽車懸架控制臂NURBS曲線圖

3　汽車懸架控制臂曲面的重構(gòu)

曲線擬合完成后，可以通過不同的曲面構(gòu)造方法進(jìn)行曲面模型的重構(gòu)。所采用的模型建模方法和零件的特征有關(guān)。針對(duì)不同的零件要采用與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相適應(yīng)的建模方法。如果形狀較為規(guī)則，則通過正向建模法就可以很快完成。對(duì)于汽車上的零部件，不僅要求其形狀美觀，還要求其具有很好的性能，這樣的零部件往往形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易直接構(gòu)造模型，并且通過簡(jiǎn)單的模型建立也很難達(dá)到精度要求。

汽車懸架控制臂曲線擬合完成后，可以通過不同的曲面構(gòu)造方法進(jìn)行曲面模型的重構(gòu)。在逆向建模中，主要有兩種曲面構(gòu)造方法：以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法和以距離加權(quán)插值法為基礎(chǔ)的B樣條法。從目前的研究應(yīng)用來看，用最小二乘法和NURBS相結(jié)合來重構(gòu)汽車懸架控制臂三維模型能夠滿足汽車類零部件建模的曲面需要。根據(jù)所選的復(fù)雜零件的曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用NURBS曲面方法進(jìn)行構(gòu)造，構(gòu)造后的復(fù)雜零件曲面如圖3所示。線比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式具有更好控制物體表面曲線度的優(yōu)越性，從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動(dòng)的造型。本文選擇了汽車懸架控制臂為例進(jìn)行逆向建模，對(duì)汽車類復(fù)雜曲面零件的逆向建模具有一定的借鑒意義。

圖3　汽車懸架控制臂NURBS曲面圖

［1］蔡闖，成思源，楊雪榮等.基于Geomagic Design Direct的截面特征提取與逆向建模［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015，（9）：42-44.

［2］謝韶旺，劉立巖，楊才洪.基于Geomagic Studio技術(shù)實(shí)現(xiàn)葉輪重構(gòu)［J］.航空制造技術(shù)，2010.（1）：102-103.

［3］韓慶瑤，趙保亞，譚建鑫等.NURBS曲線曲面重構(gòu)的方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（3）：137-139.

［4］尹小奎，李奇敏，葉仲泉.NURBS曲面光順方法綜述 ［J］.圖學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（5）：13-18.

4　總結(jié)

本文分析了NURBS曲線在逆向建模中的應(yīng)用，NURBS曲

常影，1988年出生，吉林省長(zhǎng)春市人，助教，碩士，研究方向：模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工及逆向建模等。

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院青年基金項(xiàng)目（吉農(nóng)院合字［2015］第212號(hào)）。