在現有的CAD技術與數字外形取樣和處理技術之間存在著一種互補關系，由于這種互補關系導致產生了一種稱為混合制模的工藝，它將以掃描為基礎的測量能力與外形為基礎的制模能力緊緊地結合在一起。
在過去的10年中，數字外形取樣和處理技術（DSSP）已經發展成為CAD補充技術和產品開發技術，幫助成千上萬的客戶將3D掃描數據轉換成數字模型，用于產品的設計、分析、生產和視頻演示。
DSSP軟件能夠自動地通過點陣數據生成NURBS表面圖形，使用戶能夠精確地捕捉和重建物理零件的形狀。實踐證明，這種功能對于以下應用領域是非常理想的：
（1）捕捉物理設計圖形和創建原型。
（2）復制原始零件、模具和工具。
（3）復制有機的復雜形狀。
（4）為模具制造業和CAE應用領域準備模型。
（5）對獨特零件進行批量用戶化處理。
近年來，在現有的CAD技術與數字外形取樣和處理技術（DSSP）之間存在著一種互補關系，由于這種互補關系導致產生了一種稱為混合制模的工藝，它將以掃描為基礎的測量能力與外形為基礎的制模能力緊緊地結合在一起。
本文主要探討了混合制模方法的優點，并說明如何使用它為一臺水泵葉輪創建準確的參數模型，模具廠可以利用這個模型制造用于鑄造生產用的模具。
結合一切力量
傳統的CAD模型是根據對2D和3D實體結構順序逐一定義的方法創建的。正如說明性模型所描述的那樣，CAD操作人員依靠他們的技術和經驗，利用這些實體參數來控制物體的合成形狀，制作創建新的設計圖形。所完成的參數模型為生成多種變量提供了極大的靈活性，因為這些變量可以利用其形態和功能，應用于多次反復的設計和快速實驗之中（見圖1）。
圖1 在模具制造業中使用的傳統CAD模型及其具有挑戰意義的典型實例
當利用草圖制作模型時，采用傳統的CAD方法雖然很好，但當用戶面臨復雜表面圖像時，傳統方法則存在著一些缺點。它需要花費大量的時間和精力，而且還不能保證可以獲得一個精確的模型。在某些情況下，要用一個以外形為基礎的方法來復制表面圖像幾乎是不可能的，因為對控制物體形狀的參數進行鑒別和定量分析是很困難的。
混合制模法為克服傳統CAD復制復雜表面圖像所存在的缺點提供了一個解決方案。基本的幾何參考圖形，例如數據、曲線和原始特性，可以通過3D掃描數據進行測量和提取。這種工藝可以很容易的在CAD與DSSP軟件之間運行，以平衡每一個程序，使其以最好的方式運行。
捕捉物理零件圖形
該工藝的第一步是捕捉現有的物理零件圖形。作為舉例說明的葉輪通過“白光”掃描系統進行掃描，該系統使用兩臺高分辨率的攝像機來捕捉投射在零件表面上的輪廓圖形。然后通過三角測量法來測量零件上的幾百萬個測量點，分析這些圖形，最后生成一個點陣圖。
由于零件的光亮表面，需要應用粉末涂層降低其反射率，以免對投射圖形發生干擾。形狀的復雜性要求其從多個不同的位置進行多次掃描，以提供葉輪表面的全部可見光線（見圖2）。
圖2 一個水泵葉輪已經準備就緒，并按照要求進行了掃描
在葉輪的表面設置中的一系列參數，能夠幫助校正多次掃描圖像。使用一種稱為照相測量法的技術，從高分辨率攝像機獲得的圖像中，對目標的中心點進行自動檢測。將從所有位置上看到的所有點集中起來，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多個掃描圖形中捕捉到1500個點。掃描圖形經過校正和合并以后，可創建出一個多邊形模型（見圖3）。
圖3 來自掃描系統的STL原始數據
清理和維修
在引進掃描數據作為STL模型以后，下一步就是利用DSSP軟件內的自動化工藝來清理和維修數據。典型的清理程序包括清除外來的數據、降低噪音、削減數據量以縮小文件大小、填補窟窿和維修交叉點等。所列舉的例子是關于整個多邊形模型的維修，但是在大部分情況下，只有在參數重建工藝中即將使用的部分模型是需要清理（見圖4）。
圖4 DSSP軟件被用于清理和完成多邊形模型
提取曲線和數據
在DSSP軟件中創建模型以后，我們開始通過檢測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，然后通過曲線在軸上的旋轉生成一個旋轉表面。
通過選擇葉輪外面的參數就可以找到軸線。這個表面積被完全設計成圓柱形，并將生成一個穩定的數據軸。另一種方法就是選用輪轂的表面積，通過旋轉表面來計算這個軸線。
下一步工作是創建輪廓曲線，確定輪轂的形狀。在這種情況下，無法提取一條簡單的橫斷面曲線，因為葉片將會干擾輪轂的橫斷面。但是，我們可以利用CAD系統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半圓，生成這個表面圖形，然后利用由輪轂表面提取的非平面曲線，控制這個半圓的直徑（見圖5）。
圖5 在DSSP軟件中創建曲線（左圖），將曲線引入CAD，并創建一個可變的掃描表面圖形
葉輪的底面對葉片無任何障礙，因此可以提取一條簡單的平面曲線，并將其用于創建一個旋轉表面圖形。
為了控制表面的形狀，創建附加的參數，應考慮采用掃描表面圖形的直角邊線來創建理想的新曲線。
自由形態的表面測量法
葉片是葉輪設計中最復雜的因素。這些表面圖形的測量非常困難，很難用基礎參數定義。然而，應用DSSP軟件中的NURBS表面測量法，就能很快地測量出葉片表面圖形參數，然后將其引進作為IGES或STEP的特性數據（見圖6）。
圖6 DSSP軟件中的NURBS表面測量（左圖），將NURBS表面圖形測量數據引入CAD，并進行造型處理
在單一的葉片參數引進之后，就可以圍繞著引進的數據軸對葉片進行復制，并在輪轂的表面上創建多個葉片。然后用第二個分離的葉片，重復整個引進和造型過程。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量值，而是對角度間隔與葉片總數相關的一個參數給出定義。這將使我們能夠很容易地改變葉片的數量，同時保持適當的葉片間距。
將葉片表面圖形導入實體模型以后，在表面交叉點上對參數的半徑給出定義。這個半徑可以在今后的任何時候進行調節。我們仍然可以利用CAD系統中的工具，對許多其他混合體定義，包括可變半徑和滾動球體。
修整和混合
當全部葉片定位后，還需要對附加的數據和曲線定義，并沿著葉輪的外表面進一步完善葉輪的外形輪廓。這時，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，形成了一個圓柱形的表面以修整整個葉輪的外表面。這個圓柱體位于被提取數據軸上的中心，其直徑可通過由多邊形表面創建的3D圓柱體進行測量。對外面的圓柱體修整以后，可以保證設計圖能夠生產出一個中心位置完美的對稱的葉輪。
快速完整的參數模型
最后的模型可以滿足全部的設計參數要求，并證實是一個密閉的實體模型。我們可以采用計算機輔助檢驗軟件，將最后的CAD模型與原來的掃描數據進行比較，以驗證其精度（見圖8）。
圖8 用計算機輔助檢驗軟件驗證模型的精度（左圖），用CAD修改葉片的數量和參數，并準備模具制作時使用的模型
混合模型制作法提供了對輪轂表面形狀、混合模型的半徑，葉片數量和間距等參數的控制。整個過程，包括掃描、維修和模型制作只需要不到一天的時間就可以全部完成。
經過一些改造后，采用混合制模法生成的3D模型可用來創建鑄造生產用的模具。這種模型可直接用于原型快速成型系統加速快速鑄造工藝中的模具生產。
混合制模工藝的優點
混合制模工藝主要具有以下一些優點：
（1）可平衡現有的3D投資。
（2）可在較短的時間內創建新的設計圖。
（3）可生產地道的CAD幾何參數圖形。
（4）可產生精確的結果。
混合制模法將數字圖形取樣和處理與計算機輔助設計功能相結合，為參數逆向工程提供了一個創新的解決方案。
CAD系統將繼續作為3D數字設計和創造的相關手段，并以DSSP一類的軟件作為工具補充，用于測量3D掃描數據和制作復雜的表面模型。這種結合使用戶能夠迅速、精確地創建地道的參數模型。用戶有能力將新的功能融入到CAD模型之中，平衡常見的工作流，利用現有的知識，推進數字設計的框架。
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本文標題：用混合制模法推進傳統設計框架
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