常影张瑞军

1、吉林农业科技学院机械工程学院　2、江西工业工程职业技术学院机电工程系

基于NURBS曲线的复杂零件逆向建模

常影1张瑞军2

1、吉林农业科技学院机械工程学院2、江西工业工程职业技术学院机电工程系

本文论述了复杂曲面零件的特点，并分析了NURBS方法在构造复杂曲线和曲面中的特点。然后将NURBS构造曲线和曲面的方法与其他的方法进行了比较。最后基于Geomagic Studio逆向建模软件应用NURBS曲线对汽车悬架控制臂进行了曲线的生成、网格的自动生成和曲面重构，并获得了汽车悬架控制臂的曲面。

复杂零件；NURBS；逆向建模

引言

目前在生产中，有很多复杂曲面零件难以用正向建模的方式获得模型。尤其是面对再创新和特殊零件修复的问题时，正向建模不仅周期长而且难以达到理想的效果。为了解决这个问题，现在普遍采用逆向建模方法。汽车悬架控制臂是汽车中的重要零部件之一，在很大程度上影响汽车的平稳性和舒适度。因此，汽车悬架控制臂的加工精度是目前亟待解决的一个问题，由于汽车悬架控制臂结构复杂，正向建模很难构造，这也对汽车悬架控制臂的建模造成了一定的难度。从实际中了解到，周边的中小型企业对于较复杂的零部件或者是图纸不完整的零件，通常采用逆向建模法。但是由于许多制造商缺乏专业技术人员，逆向建模技术并未得到大范围推广。NURBS曲线针对复杂曲面的建模能够很好地完成。因此，本文采用逆向建模方法，基于NURBS曲线曲面造型方法，结合Geomagic Studio软件进行汽车悬架控制臂建模，可以获得较高质量的汽车悬架控制臂模型。逆向建模已成为现代企业开发新产品的一种重要设计手段［1-2］。NURBS是一种比较常用的建模方式，很多逆向和建模软件中都会采用NURBS造型。NURBS方法的突出优点是能用统一的数学形式表示规则曲面与自由面［3-4］。汽车零部件结构都较复杂，所以使用NURBS曲线构造型面更精准。本文用NURBS方法对复杂零件进行逆向建模。

1　点云数据获得和处理

对于曲面复杂的零件，为了缩短建模和设计周期，采用逆向建模可以快速得到模型，并在此基础上进行修改。在给定零件实体的情况下，一般首先应用三维数据扫描仪扫描零件的数据点云。有些零件尺寸较大，或者结构复杂不易获取点云数据的，可以通过多次扫描，获得更全的点云数据。最终采用逆向建模软件对其进行拟合处理，得到一个完整的点云数据。Geomagic Studio软件具有较强的点云数据处理功能，目前在逆向建模领域中应用很广泛。然后再对点云数据进行精简、除噪和填加点等处理，并能够将曲面表达清楚。点云数据并不是越多越好，数据过多在导入到逆向建模软件中时，运行和计算就会增加时间，同时这对电脑和软件也有很高的要求，所以点云数据的量要适当。最后应用NURBS曲线获得零件的曲线，再应用NURBS曲面进行建模，得到零件的三维模型。然后在对精简后的有用的数据点云进行曲线拟合，最后进行曲面重构。其主要过程如图1所示。

图1　基于NURBS曲线逆向建模流程图

2　NURBS曲线的应用

复杂零件模型的建立，对于能够精准地表达出曲面的形状非常重要。曲线拟合是汽车悬架控制臂逆向建模的基础，在逆向建模中，通常情况下先将精简后的汽车悬架控制臂数据点云，通过插值或逼近拟合成NURBS样条曲线，再利用造型工具完成曲面片造型，再通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑，得到完整的汽车悬架控制臂曲面模型。

应用NURBS曲线、曲面进行拟合是汽车悬架控制臂逆向建模的主要技术。本文结合Geomagic Studio2012软件生成汽车悬架控制臂的NURBS曲线，如图2所示。

图2　汽车悬架控制臂NURBS曲线图

3　汽车悬架控制臂曲面的重构

曲线拟合完成后，可以通过不同的曲面构造方法进行曲面模型的重构。所采用的模型建模方法和零件的特征有关。针对不同的零件要采用与其结构特点相适应的建模方法。如果形状较为规则，则通过正向建模法就可以很快完成。对于汽车上的零部件，不仅要求其形状美观，还要求其具有很好的性能，这样的零部件往往形状结构复杂，不易直接构造模型，并且通过简单的模型建立也很难达到精度要求。

汽车悬架控制臂曲线拟合完成后，可以通过不同的曲面构造方法进行曲面模型的重构。在逆向建模中，主要有两种曲面构造方法：以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法和以距离加权插值法为基础的B样条法。从目前的研究应用来看，用最小二乘法和NURBS相结合来重构汽车悬架控制臂三维模型能够满足汽车类零部件建模的曲面需要。根据所选的复杂零件的曲面结构特点，本文采用NURBS曲面方法进行构造，构造后的复杂零件曲面如图3所示。线比传统的网格建模方式具有更好控制物体表面曲线度的优越性，从而能够创建出更逼真、生动的造型。本文选择了汽车悬架控制臂为例进行逆向建模，对汽车类复杂曲面零件的逆向建模具有一定的借鉴意义。

图3　汽车悬架控制臂NURBS曲面图

［1］蔡闯，成思源，杨雪荣等.基于Geomagic Design Direct的截面特征提取与逆向建模［J］.组合机床与自动化加工技术，2015，（9）：42-44.

［2］谢韶旺，刘立岩，杨才洪.基于Geomagic Studio技术实现叶轮重构［J］.航空制造技术，2010.（1）：102-103.

［3］韩庆瑶，赵保亚，谭建鑫等.NURBS曲线曲面重构的方法［J］.机械设计与制造，2006（3）：137-139.

［4］尹小奎，李奇敏，叶仲泉.NURBS曲面光顺方法综述 ［J］.图学学报，2012，33（5）：13-18.

4　总结

本文分析了NURBS曲线在逆向建模中的应用，NURBS曲

常影，1988年出生，吉林省长春市人，助教，硕士，研究方向：模具设计、数控加工及逆向建模等。

吉林农业科技学院青年基金项目（吉农院合字［2015］第212号）。