在現(xiàn)有的CAD技術(shù)與數(shù)字外形取樣和處理技術(shù)之間存在著一種互補(bǔ)關(guān)系，由于這種互補(bǔ)關(guān)系導(dǎo)致產(chǎn)生了一種稱(chēng)為混合制模的工藝，它將以掃描為基礎(chǔ)的測(cè)量能力與外形為基礎(chǔ)的制模能力緊緊地結(jié)合在一起。
在過(guò)去的10年中，數(shù)字外形取樣和處理技術(shù)（DSSP）已經(jīng)發(fā)展成為CAD補(bǔ)充技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，幫助成千上萬(wàn)的客戶(hù)將3D掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型，用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、生產(chǎn)和視頻演示。
DSSP軟件能夠自動(dòng)地通過(guò)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)生成NURBS表面圖形，使用戶(hù)能夠精確地捕捉和重建物理零件的形狀。實(shí)踐證明，這種功能對(duì)于以下應(yīng)用領(lǐng)域是非常理想的：
（1）捕捉物理設(shè)計(jì)圖形和創(chuàng)建原型。
（2）復(fù)制原始零件、模具和工具。
（3）復(fù)制有機(jī)的復(fù)雜形狀。
（4）為模具制造業(yè)和CAE應(yīng)用領(lǐng)域準(zhǔn)備模型。
（5）對(duì)獨(dú)特零件進(jìn)行批量用戶(hù)化處理。
近年來(lái)，在現(xiàn)有的CAD技術(shù)與數(shù)字外形取樣和處理技術(shù)（DSSP）之間存在著一種互補(bǔ)關(guān)系，由于這種互補(bǔ)關(guān)系導(dǎo)致產(chǎn)生了一種稱(chēng)為混合制模的工藝，它將以掃描為基礎(chǔ)的測(cè)量能力與外形為基礎(chǔ)的制模能力緊緊地結(jié)合在一起。
本文主要探討了混合制模方法的優(yōu)點(diǎn)，并說(shuō)明如何使用它為一臺(tái)水泵葉輪創(chuàng)建準(zhǔn)確的參數(shù)模型，模具廠可以利用這個(gè)模型制造用于鑄造生產(chǎn)用的模具。
結(jié)合一切力量
傳統(tǒng)的CAD模型是根據(jù)對(duì)2D和3D實(shí)體結(jié)構(gòu)順序逐一定義的方法創(chuàng)建的。正如說(shuō)明性模型所描述的那樣，CAD操作人員依靠他們的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，利用這些實(shí)體參數(shù)來(lái)控制物體的合成形狀，制作創(chuàng)建新的設(shè)計(jì)圖形。所完成的參數(shù)模型為生成多種變量提供了極大的靈活性，因?yàn)檫@些變量可以利用其形態(tài)和功能，應(yīng)用于多次反復(fù)的設(shè)計(jì)和快速實(shí)驗(yàn)之中（見(jiàn)圖1）。
圖1 在模具制造業(yè)中使用的傳統(tǒng)CAD模型及其具有挑戰(zhàn)意義的典型實(shí)例
當(dāng)利用草圖制作模型時(shí)，采用傳統(tǒng)的CAD方法雖然很好，但當(dāng)用戶(hù)面臨復(fù)雜表面圖像時(shí)，傳統(tǒng)方法則存在著一些缺點(diǎn)。它需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且還不能保證可以獲得一個(gè)精確的模型。在某些情況下，要用一個(gè)以外形為基礎(chǔ)的方法來(lái)復(fù)制表面圖像幾乎是不可能的，因?yàn)閷?duì)控制物體形狀的參數(shù)進(jìn)行鑒別和定量分析是很困難的。
混合制模法為克服傳統(tǒng)CAD復(fù)制復(fù)雜表面圖像所存在的缺點(diǎn)提供了一個(gè)解決方案�；镜膸缀螀⒖紙D形，例如數(shù)據(jù)、曲線和原始特性，可以通過(guò)3D掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和提取。這種工藝可以很容易的在CAD與DSSP軟件之間運(yùn)行，以平衡每一個(gè)程序，使其以最好的方式運(yùn)行。
捕捉物理零件圖形
該工藝的第一步是捕捉現(xiàn)有的物理零件圖形。作為舉例說(shuō)明的葉輪通過(guò)“白光”掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描，該系統(tǒng)使用兩臺(tái)高分辨率的攝像機(jī)來(lái)捕捉投射在零件表面上的輪廓圖形。然后通過(guò)三角測(cè)量法來(lái)測(cè)量零件上的幾百萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分析這些圖形，最后生成一個(gè)點(diǎn)陣圖。
由于零件的光亮表面，需要應(yīng)用粉末涂層降低其反射率，以免對(duì)投射圖形發(fā)生干擾。形狀的復(fù)雜性要求其從多個(gè)不同的位置進(jìn)行多次掃描，以提供葉輪表面的全部可見(jiàn)光線（見(jiàn)圖2）。
圖2 一個(gè)水泵葉輪已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，并按照要求進(jìn)行了掃描
在葉輪的表面設(shè)置中的一系列參數(shù)，能夠幫助校正多次掃描圖像。使用一種稱(chēng)為照相測(cè)量法的技術(shù)，從高分辨率攝像機(jī)獲得的圖像中，對(duì)目標(biāo)的中心點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。將從所有位置上看到的所有點(diǎn)集中起來(lái)，就可以為校正所有的掃描圖形提供足夠的信息了。
掃描儀可以從20多個(gè)掃描圖形中捕捉到1500個(gè)點(diǎn)。掃描圖形經(jīng)過(guò)校正和合并以后，可創(chuàng)建出一個(gè)多邊形模型（見(jiàn)圖3）。
圖3 來(lái)自掃描系統(tǒng)的STL原始數(shù)據(jù)
清理和維修
在引進(jìn)掃描數(shù)據(jù)作為STL模型以后，下一步就是利用DSSP軟件內(nèi)的自動(dòng)化工藝來(lái)清理和維修數(shù)據(jù)。典型的清理程序包括清除外來(lái)的數(shù)據(jù)、降低噪音、削減數(shù)據(jù)量以縮小文件大小、填補(bǔ)窟窿和維修交叉點(diǎn)等。所列舉的例子是關(guān)于整個(gè)多邊形模型的維修，但是在大部分情況下，只有在參數(shù)重建工藝中即將使用的部分模型是需要清理（見(jiàn)圖4）。
圖4 DSSP軟件被用于清理和完成多邊形模型
提取曲線和數(shù)據(jù)
在DSSP軟件中創(chuàng)建模型以后，我們開(kāi)始通過(guò)檢測(cè)葉輪的中心軸重建輪轂的形狀，用一條提取的曲線確定輪轂的外形輪廓，然后通過(guò)曲線在軸上的旋轉(zhuǎn)生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)表面。
通過(guò)選擇葉輪外面的參數(shù)就可以找到軸線。這個(gè)表面積被完全設(shè)計(jì)成圓柱形，并將生成一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)軸。另一種方法就是選用輪轂的表面積，通過(guò)旋轉(zhuǎn)表面來(lái)計(jì)算這個(gè)軸線。
下一步工作是創(chuàng)建輪廓曲線，確定輪轂的形狀。在這種情況下，無(wú)法提取一條簡(jiǎn)單的橫斷面曲線，因?yàn)槿~片將會(huì)干擾輪轂的橫斷面。但是，我們可以利用CAD系統(tǒng)中的工具和其他方法——一種可變的截面掃描法。沿著輪轂軸線擠壓出一個(gè)半圓，生成這個(gè)表面圖形，然后利用由輪轂表面提取的非平面曲線，控制這個(gè)半圓的直徑（見(jiàn)圖5）。
圖5 在DSSP軟件中創(chuàng)建曲線（左圖），將曲線引入CAD，并創(chuàng)建一個(gè)可變的掃描表面圖形
葉輪的底面對(duì)葉片無(wú)任何障礙，因此可以提取一條簡(jiǎn)單的平面曲線，并將其用于創(chuàng)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)表面圖形。
為了控制表面的形狀，創(chuàng)建附加的參數(shù)，應(yīng)考慮采用掃描表面圖形的直角邊線來(lái)創(chuàng)建理想的新曲線。
自由形態(tài)的表面測(cè)量法
葉片是葉輪設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的因素。這些表面圖形的測(cè)量非常困難，很難用基礎(chǔ)參數(shù)定義。然而，應(yīng)用DSSP軟件中的NURBS表面測(cè)量法，就能很快地測(cè)量出葉片表面圖形參數(shù)，然后將其引進(jìn)作為IGES或STEP的特性數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6）。
圖6 DSSP軟件中的NURBS表面測(cè)量（左圖），將NURBS表面圖形測(cè)量數(shù)據(jù)引入CAD，并進(jìn)行造型處理
在單一的葉片參數(shù)引進(jìn)之后，就可以圍繞著引進(jìn)的數(shù)據(jù)軸對(duì)葉片進(jìn)行復(fù)制，并在輪轂的表面上創(chuàng)建多個(gè)葉片。然后用第二個(gè)分離的葉片，重復(fù)整個(gè)引進(jìn)和造型過(guò)程。其具體的做法不是為葉片之間的間隔給出定義，將其作為直接的角度測(cè)量值，而是對(duì)角度間隔與葉片總數(shù)相關(guān)的一個(gè)參數(shù)給出定義。這將使我們能夠很容易地改變?nèi)~片的數(shù)量，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)娜~片間距。
將葉片表面圖形導(dǎo)入實(shí)體模型以后，在表面交叉點(diǎn)上對(duì)參數(shù)的半徑給出定義。這個(gè)半徑可以在今后的任何時(shí)候進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們?nèi)匀豢梢岳肅AD系統(tǒng)中的工具，對(duì)許多其他混合體定義，包括可變半徑和滾動(dòng)球體。
修整和混合
當(dāng)全部葉片定位后，還需要對(duì)附加的數(shù)據(jù)和曲線定義，并沿著葉輪的外表面進(jìn)一步完善葉輪的外形輪廓。這時(shí)，還需要從DSSP軟件中提取出一條非平面輪廓曲線，并使用可變截面掃描生成表面圖形，以修整葉片的外表面圖形（見(jiàn)圖7）。
圖7 在DSSP軟件中確定曲線（左圖），利用CAD和采用可變的截面掃描表面，修整葉輪外形
然后，形成了一個(gè)圓柱形的表面以修整整個(gè)葉輪的外表面。這個(gè)圓柱體位于被提取數(shù)據(jù)軸上的中心，其直徑可通過(guò)由多邊形表面創(chuàng)建的3D圓柱體進(jìn)行測(cè)量。對(duì)外面的圓柱體修整以后，可以保證設(shè)計(jì)圖能夠生產(chǎn)出一個(gè)中心位置完美的對(duì)稱(chēng)的葉輪。
快速完整的參數(shù)模型
最后的模型可以滿(mǎn)足全部的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，并證實(shí)是一個(gè)密閉的實(shí)體模型。我們可以采用計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)軟件，將最后的CAD模型與原來(lái)的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證其精度（見(jiàn)圖8）。
圖8 用計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)軟件驗(yàn)證模型的精度（左圖），用CAD修改葉片的數(shù)量和參數(shù)，并準(zhǔn)備模具制作時(shí)使用的模型
混合模型制作法提供了對(duì)輪轂表面形狀、混合模型的半徑，葉片數(shù)量和間距等參數(shù)的控制。整個(gè)過(guò)程，包括掃描、維修和模型制作只需要不到一天的時(shí)間就可以全部完成。
經(jīng)過(guò)一些改造后，采用混合制模法生成的3D模型可用來(lái)創(chuàng)建鑄造生產(chǎn)用的模具。這種模型可直接用于原型快速成型系統(tǒng)加速快速鑄造工藝中的模具生產(chǎn)。
混合制模工藝的優(yōu)點(diǎn)
混合制模工藝主要具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：
（1）可平衡現(xiàn)有的3D投資。
（2）可在較短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建新的設(shè)計(jì)圖。
（3）可生產(chǎn)地道的CAD幾何參數(shù)圖形。
（4）可產(chǎn)生精確的結(jié)果。
混合制模法將數(shù)字圖形取樣和處理與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能相結(jié)合，為參數(shù)逆向工程提供了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案。
CAD系統(tǒng)將繼續(xù)作為3D數(shù)字設(shè)計(jì)和創(chuàng)造的相關(guān)手段，并以DSSP一類(lèi)的軟件作為工具補(bǔ)充，用于測(cè)量3D掃描數(shù)據(jù)和制作復(fù)雜的表面模型。這種結(jié)合使用戶(hù)能夠迅速、精確地創(chuàng)建地道的參數(shù)模型。用戶(hù)有能力將新的功能融入到CAD模型之中，平衡常見(jiàn)的工作流，利用現(xiàn)有的知識(shí)，推進(jìn)數(shù)字設(shè)計(jì)的框架。
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