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推进传统设计的混合建模技术

在过去十年里，数字形状采样和处理( dssp )已演变为复杂的计算机辅助设计和产品开发，帮助数以千计的客户把3 D扫描数据转换成数字模型，使其能用于设计、分析、制造和可视化。

DSSP软件由点云数据自动生成NURBS曲面的功能，从而使用户能够准确地捕捉和重建形体。正是这种功能，使其具有如下用途：(1)捕捉物理设计和原型;(2)再生损益零件、模具和工具;(3)复制复杂和有机的形状;(4)准备作为兴建模型造型和CAE应用;(5)使独特零部件能规模定制;(6)保存历史文物.

近年来，现有的CAD技术和数字形状采集和处理的互补的关系已经引入混合建模，所谓的混合建模，就是结合以扫描为本的测量与基于特征的建模的优势。本文讨论了混合建模方法的优势，并说明如何使用它来建立一个本土、参数化复杂的叶轮模型，该模型可以用来制作铸造和生产模具。

结合的优势

传统的CAD模型是利用二维和三维实体(特征)确定的工序建立的。CAD设计员利用他们的技能和经验，通过指定的实体参数来控制实体成型的方式来完成新的设计，即指令性建模。已完成的参数化模型有很大的灵活性，可生成多种变体，便于进行重复设计以及形式和功能多样的快速实验，见图1 。

图1为传统的CAD建模所用的具有挑战性的对像造型的例子。

(图片由Geomagic提供)

当建模从零开始时，传统的CAD方法是好的，但是当用户面临重建一个复杂的表面的挑战时，它就有缺陷了。这要花很多的时间和精力，且不能保证是一个准确的模型。在某些情况下，使用功能为基础的方法重建表面几乎是不可能的，因为难以确定和量化用于控制对象形状的参数。

混合建模提供了一种解决传统CAD重建复杂表面不足的办法。基本几何参数如基准面、曲线和原始特征，可从3 D扫描数据中量出和提取。CAD与DS真实货源SP软件间切换容易，可衡量哪个程序做的更好，从而选之。

捕捉形体部分

该过程的第一步是捕捉现有的有形部分。利用“白光”扫描系统扫描叶轮，即采用两个高解析度摄影机捕捉部件表面投射的表面图。部件上的这些表面图以三角形的数百万的点来分析，并生成一个点云。

由于部件表面的光泽，可以使用粉末涂料，以减少反射对投射图案的干扰。因其复杂的形状，需要从不同的位置进行多次扫描，以提供叶轮所有表面的光线图见图2 。

图2 准备扫描一叶轮用于登记

在叶轮上布置一组扫描目标，以援助调整多重扫描。使用摄影测量技术，叶轮中心的重点目标会被高分辨率相机自动侦测。收集来自各方位的可见光点，提供足够的信息以便校正每次扫描。

20多个扫描，扫描仪捕捉点。扫描被校正合并，以创建一个多边形模型见图3。

图3 源于扫描系统的原STL数据

清理和修复

输入扫描数据建立一个STL模型后，下一步是在DSSP软件内使用自动化流程清理和修复数据。典型的清洁程序包括删除多余的数据，减少瑕疵，抽取数据以减少文件大小，填补漏洞和修复交叉口。在这个过程中，整个多边形模型就被修复了，但在许多情况下，只有部分模型在参数重建过程中需要清理，见图4 。

图4 DSSP软件被用于清理和完成多边形模型

提取曲线和基准面

在用DSSP软件创建模型后，我们开始通过检测叶轮的中心轴来重建中心形状，用提取的曲线确定中心的轮廓，然后用曲线绕轴旋转生成一个旋转表面。

通过甄选叶轮表面的周界可以找到中心轴。这方面应被设计成完全的圆筒形，并产生一个稳定的基准轴。这个办法也被用于选定中心表面来计算轮流面轴。

下一步是创建将定义中心形状的侧面曲线。在这里由于叶片对中心横截面的干扰，简单的平面横截面曲线不能提取。幸运的是，我们可以借鉴我们CAD系统中的工具并使用另一种方法：变截面扫描。我们可以挤压过中心轴线的半圆产生一个面，并且用来源于中心面的非平面曲线来控制半圆的直径见图5。

图5 左侧，在DSSP软件中创建曲线。中间和右边，输入曲线到CAD并创建一个变量扫描表面

叶轮底面没有受到叶片的任何障碍，所以简单的平面曲线能够提取并用于创建一个旋转面。创造额外的参数来控制表面的形状，可以考虑使用扫描面的正交边界线来创建新的、理想化的曲线。

结合自由形状平面切削

叶片是叶轮设计中最复杂的部分。这些表面是难以用基本参数来衡量或界定。可是在DSSP软件中使用NURBS平面切削，叶片可以很快浮现并且可以作为IGES或STEP特征输入见图6 。

图6 左侧，在DSSP软件中NURBS平面切削。中间和右边，输入NURB地址簿S面到CAD和成图

一个简单的叶片被输入之后，它可以围绕以输入的基准面轴被复制(或仿造)以创建中心面上的多个叶片，整个输入和仿造过程可以用第二个分离叶片来重复，与其直接测量角距来界定叶片之间的空间，不如用叶片总数作为一个参数来角距空间。这将使我们能够轻易改变叶片数目，同时保留适当的叶片间距。

把叶片表面合并到实体模型后粘合机带，参数半径就被定义在表面交汇点。这个半径以后可以随时调整。我们还可以利用CAD系统中的丰富工具定义其它的共用参数，包括可变半径和旋转球。

修整与融合

所有的叶片被定位后，其余沿性能稳定可靠着叶轮外表面的基准面和曲线可以开始被很好的确定。再次，用DSSP软件中的非平面轮廓曲线和变截面扫描生成一个表面来修整叶片的外表面，见图7。

图7 左侧，在DSSP软件中确定曲线。中间和右边，用CAD中的一个变截面扫描面修剪外围<深耕机械/p>

然后生成一个圆柱体表面来修整整个叶轮外表面。这个圆柱以提取的基准轴为中心，它的直径可以用所构建的多边形表面3-D特征圆柱体来确定。修整圆柱体外围后，我们就可以产生一个完美的居中对称叶轮了。

一天内完成参数化模型

最后模型能够满足所廉江有设计参数，并且和实体吻合。使用电脑辅助检查软件，我们可以把最后的CAD模型和原来的扫描数据相比较，以核实其准确性，见图8。

图8 左侧，电脑辅助检查软件来验证模型的准确性。中间和右边，

用CAD来修改参数化的叶片数，并准备模型的成型

混合建模方法，提供完整的参数来控制物体表面形状，叶轮半径以及叶片的数量和间距。整个过程，包括扫描、修整和建模，用不到1天就可完成。

稍作一些改动，混合建模所生成的三维模型可用于创建快速建模。该模型也可以用来直接驱动被称之为快速铸造的快速成型系统来加速模具生产。

好处

混合建模的过程中提供了几个关键的好处。

(1)它利用了现有的3 D投资。CAD厂商已投资数千人来创造高度演化的数字化设计和创作系统。混合建模利用现有的建模系统，即CAD使用者和专家的现有技能，并用三维测量和快速成型功能使其增强。

(2)它使新的设计在更短的时间创建。相比传统的CAD技术，混合建模的测量和建模方法可以大大减少复制一个现有的设计所需要的时间。在某些情况下，混合建模的方法可以在数小时内完成常规技术要数天甚至是数周才能完成的任务。

(3)产生本土的参数化CAD几何形。利用 CAD系统的优势，设计的各方a、采取PID控制策略实现载荷的闭环控制面都可以用数值或其它系统参数来操控，例如密集装配的情况。当使用者在CAD系统内创建了核心的几何形时，许多I / O翻译问题是可以避免的。

(4)它能产生准确的结果。包括百万计采样点的点云可原来以生成自由曲面。这种技术复制的奥妙在于表面结构不会丢失。虽然操作者通过扫描所得数据比典型的首测少，但过程是高度可重复的。(end)

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