2.2.504 1.4.1. Giới thiệu chung
2.2.505 Như đã trình bày trong hình 1.2, quá trình tái tạo hình học bề mặt bao gồm
hai quá trình chính: quá trình số hóa bề mặt và quá trình xử lý thông tin hình học. Trong đó, quá trình xử lý thông tin hình học tập trung giải quyết những nhiệm vụ sau: (1) phân mảnh bề mặt đám mây điểm; (2)đăng nhập các mảnh bề mặt với các đặc tính hình học đặc trưng; (3) kết hợp và tạo mô hình CAD từ các mảnh đã được nhận dạng. Tất cả các bước trong quá trình xử lý thông tin hình học đều có thể thực hiện trên các phần mềm thương mại, trong đó mỗi bước được thực hiện bằng một công cụ hoặc chức năng cụ thể.
2.2.506 Phân mảnh bề mặt trong đám mây điểm là quá trình phân chia đám
mây
điểm thành các vùng điểm hoặc tam giác điểm riêng biệt theo một số tiêu chí hình học nhất định, ví dụ như độ cong hình học. Mục tiêu của bước này là đạt được cấu trúc các vùng càng gần càng tốt với tập hợp các đặc điểm hình học và các bề mặt cấu thành lên mô hình CAD sẽ được tái tạo.
2.2.507 Điều quan trọng là phải phân biệt giữa các phương pháp xử lý thông
tin hình
học thực hiện trực tiếp trên các đám mây điểm so với các phương pháp xử lý thông tin hình học trên các lưới tam giác. Bởi vì sự tồn tại của nhiễu và sự thiếu cấu trúc tổ hợp trong đám mây điểm luôn mang đến những thách thức bổ sungkhiến cho việc phân mảnh vùng bề mặt của đám mây điểm theo phương pháp xử lý thông tin hình học thực hiện trực tiếp trên các đám mây điểm trở lên khó khăn hơn. Những đánh giá chi tiết liên quan tới các vấn đề này có thể tìm thấy trong các tài liệu [30, 31].
2.2.508 Chất lượng của bước phân mảnh vùng bề mặt là một yếu tố quan trọng cần
phải xem xét khi tái tạo hình học bề mặt, vì đây là đầu vào các bước tạo mô hình CAD phía sao và ảnh hưởng đến quy trình thực hiện chung của quá trình tái tạo hình học bề mặt [32]. Quá trình phân mảnh vùng bề mặt thường được kiểm soát bởi một tập hợp các tham số; thứ nhất tham số điều chỉnh quy trình nhận dạng vùng bề mặt; thứ hai tham số ảnh hưởng đến kiểu và kích thước của các vùng đã xác định. Một ví dụ minh họa cho việc sử dụng một quy trình phân mảnh vùng bề mặt với hai giá trị của ngưởng sàng lọc khác nhau trong tiêu chí xác định vùng đã được trình bày trong tài liệu [33], kết quả của nghiên cứu đó được mô tả trong hình 1.11. Đặc biệt, hình 1.11a cho thấy các mảnh được phân chia mà không đại diện cho cấu trúc liên kết đối tượng, do độ nhạy của ngưởng cao nên tạo ra các vùng phân tán. Ngược lại, trong hình 1.11b, một kết quả mạch lạc hơn, liên quan đến đặc điểm hình học của đối tượng, được hiển thị.
2.2.509
2.2.510 (a) Độ nhạy của ngưỡng cao hơn (b) Độ
nhạy của ngưỡng thấp hơn
2.2.511 Hình 1.11: Một ví dụ về phân mảnh bề mặt (nguồn: [33]) 2.2.512
2.2.513 Đăng nhập mảnh bề mặt của quá trình tái tạo hình học bề mặt quyết định
loại mảnh bề mặt mà mỗi mảnh đám mây điểm sẽ thuộc về (ví dụ mặt phẳng, trụ, cầu hay bề mặt tự do) và tìm ra mảnh bề mặt của loại đã cho trước, phù hợp nhất với các điểm trong mảnh đám mây điểm đã phân mảnh. Đăng nhập mảnh bề mặt được cho là bước quan trọng nhất trong quá trình xử lý thông tin hình học, vì các kết quả thu được có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào chiến lược được chọn để thực thi nhiệm vụ này. Các phương pháp khác nhau giải quyết vần đề này từ những triển vọng khác nhau, cung cấp các kết quả khác nhau về loại/định dạng của mô hình CAD thu được, về mối quan hệ của kết
quả với mô hình gốc và mô hình mong muốn cũng như các khía cạnh liên quan khác như tuân thủ các ràng buộc hình học, thời gian cần thiết để xây dựng mô hình và tính tương thích của mô hình CAD với các ứng dụng tiếp theo.
2.2.514 Việc phân loại đầy đủ và toàn diện các chiến lược đăng nhập mảnh bề mặt
thực sự rất khó khăn do số lượng lớn tính năng cụ thể có thể được sử dụnglàm yếu tố phân biệt [34]. Vì vậy, một quá trình phân loại đã được đưa ra theo phương pháp dựa trên đặc trưng và phương pháp dựa trên không đặc trưng.
Đăng nhập mảnh bề mặt dựa trên đặc trưng nhằm tạo ra các mô hình CAD tham số và thể hiện đặc điểm cơ bản liên quan đến các bề mặt tự trượt. Các phương pháp dựa trên không đặc trưng, còn được gọi là phương pháp dựa trên bề mặt về cơ bản tập trung vào các phương pháp liên quan đến bề mặt tự do.
Một ví dụ minh họa cho phương pháp đăng nhập mảnh bề mặt dựa trên đặc trưng được công bố trong tài liệu [35], kết quả được minh họa trong hình 1.12.
2.2.515 Cũng cần phải chỉ ra rằng nhiều chiến lược có thể thích hợp với các thành
phần khác nhau của cùng một đối tượng tùy thuộc vào hình dạng và đặc điểm của chúng. Do đó, trong các ứng dụng thực tế, việc áp dụng nhiều kỹ thuật cho một quá trình đăng nhập mảnh bề mặt thường là sự lựa chọn thuận tiện;
2.2.516
2.2.517 (c) Đăng nhập mảnh bề mặt chưa ràng buộc (d) Kết quả đăng nhập bị ràng buộc
(a) Đám mây điểm đầu vào (b) Kết quả phân mảnh bề mặt
2.2.518 Hình 1.12: Một ví dụ về đăng nhập mảnh bề mặt (nguồn: [35])điều này dễ dàng được thực hiện khi thực thi công việc trên các phần mềm
CAD/CAM thương mại.
2.2.519 Bước cuối cùng của quá trình tái tạo hình học bề mặt là tạo và hoàn thiện
mô hình CAD. Bước này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp không đồng nhất, tùy thuộc vào toàn bộ quá trình tái tạo hình học bề mặt, cũng như phương pháp đăng nhập mảnh bề mặt được sử dụng trước đó (tham số hay không tham số). Các công việc điển hình là kết hợp các mảnh bề mặt liền kề, tạo vê tròn và vát mép cũng như áp đặt các ràng buộc hình học.
Đôi khi, bước tạo và hoàn thiện mô hình CAD được thực hiện trực tiếp trong bước phân mảnh cũng như đăng nhập mảnh bề mặt.
2.2.520 Quá trình xử lý thông tin hình học sử dụng phần mềm hỗ trợ. Trong số
tất cả
phần mềm liên quan, có thể xác định hai loại chính như được đề xuất trong tài liệu [36]: (1) các phần mềm chuyên dụng cho tái tạo hình học bề mặt và (2) các phần mềm CAD/CAM truyền thống cung cấp một bộ công cụ để bổ sung tính năng tái tạo hình học bề mặt. Các phần mềm tái tạo hình học bề mặt chuyên dụng được xây dựng đặc biệt để giải quyết các vấn đề liên quan đến tái tạo hình học bề mặt. Ngoài ra, các xu hướng gần đây trong lĩnh vực công nghiệp, như sự phát triển nhanh chóng của quá trình sản xuất bồi đắp, sự tiến bộ trong công nghệ quét 3D và sự phát triển của các ứng dụng tiềm năng khác nhau để tái tạo hình học bề mặt, đã khuyến khích cải thiện chức năng tái tạo hình học bề mặt trong phần mềm CAD/CAM thương mại. Hầu hết các hệ thống phần mềm CAD/CAM nổi tiếng như Solidworks, CATIA, Siemens NX và PTC Creo đều có khả năng xử lý các tệp dữ liệu dạng mở rộng STL và thực hiện các hoạt động dựa trên lưới bề mặt đến độ phức tạp nhất định; đồng thời, những phần mềm này cũng cung cấp một loạt các công cụ để thực hiện quá trình tái tạo thông tin hình học.
2.2.521 Ví dụ, ở bước phân mảnh bề mặt, mặc dù cả hai hình thức đều cho
phép nhận
dạng tự động các vùng có liên quan, kết quả đạt được khác nhau như minh họa trong hình 1.13, trong đó so sánh giữa các kết quả phân mảnh bề mặt thu được bởi phần mềm Geomagic Design X và công cụ Scan To Part của phần mềm NX được đề xuất. Hình 1.13a mô tả quá trình phân mảnh bề mặt đầy đủ tương ứng với mỗi mảnh bề mặt độc lập của vật thể; hoàn toàn ngược lại, quá trình phân mảnh bề mặt nghèo nàn được trình bày trong hình 1.13b mang lại rất ít thông tin hữu ích. Với công cụ XTract3D của phần mềm Solidworks, chức năng phân mảnh bề mặt tự động thậm chí không tồn tại.
2.2.522 Khi so sánh các bước đăng nhập bề mặt và tạo mô hình CAD, cả phần mềm
CAD/CAM có công cụ tái tạo hình học bề mặt và phần mềm tái tạo hình học bề mặt chuyên dùng đều cho phép tạo ra các mảnh bề mặt cũng như bề mặt và cung cấp khả năng xây dựng một đặc điểm hình học thích hợp trên vùng được phân mảnh hoặc trích xuất thông tin về vị trí cũng như kích thước từ dữ liệu 3D. Hầu hết các phần mềm CAD/CAM có công cụ tái tạo hình học bề mặt thường giới hạn trong việc đăng nhập bề mặt hình học nguyên thủy như mặt
phẳng, hình cầu, hình trụ cho từng vùng được phân mảnh. Một số phần mềm loại này còn cung cấp loại công cụ để thực hiện tái tạo hình học bề mặt thủ
2.2.523
2.2.524 Hình 1.13: Ví dụ so sánh phần mềm tái tạo hình học bề mặt 2.2.525 công, vì mô hình CAD được xây dựng bởi các hoạt động logic và sự
đăng nhập
độc lập của các mảnh bề mặt. Những cách tiếp cận này thường dẫn đến việc mất đối xứng, ràng buộc và quan hệ hình học cấp cao. Ngược lại, các hệ thống phần mềm tái tạo hình học bề mặt chuyên dụng tiên tiến cho phép một loạt các công cụ được liệt kê như sau:
•Đăng nhập các bề mặt nguyên thủy như mặt phẳng, hình cầu, hình nón, hình trụ, bo tròn cho các mảnh bề mặt đã phân mảnh, như trong các hệ thống phần mềm thấp hơn.
•Đăng nhập với các khối đùn và khối tròn xoay có khả năng tự động trích xuất các profile 2D tốt nhất được sử dụng làm profile cho khối đùn hoặc tròn xoay. Hơn nữa, phương đùn ra hay trục quay có thể tự động nhận dạng hoặc do người dùng áp đặt.
•Đăng nhập của các chức năng mô hình hóa bậc cao qua lưới bề mặt như khối Loft và Sweep; tương tự như trường hợp trên, hầu hết các công cụ này đều có thể trích xuất các profile 2D cần thiết cũng như phương/chiều của chức năng này một cách tự động. Tuy nhiên, để cải thiện kết quả, các đường sinh có thể được áp đặt bởi người sử dụng như cách thức tạo hình truyền thống.
•Phác thảo dựa theo lưới bề mặt cung cấp các công cụ để tự động vẽ phác thảo 2D dựa trên các mặt cắt ngang của lưới bề mặt. Các tham số mặt cắt có thể được kiểm soát bởi người sử dụng; thông tin được cung cấp bởi nhiều mặt cắt song song có thể được sử dụng để có được profile trung bình của lưới bề mặt trong một phạm vi nhất định.
(a) Phần mềm Geomagic Design X (b) ScanToPart của Siemens NX
•Áp đặt ràng buộc hình học là một trong những chức năng hữu ích nhất và được triển khai gần đây. Người sử dụng có thể lựa chọn các ràng buộc hình học để xem xét trong suốt quá trình đăng nhập mảnh bề mặt như sự songsong giữa các trục trên lưới bề mặt. Các ràng buộc đó có thể được áp đặt như là dự đoán ban đầu để bắt đầu chính xác sự đăng nhập hoặc được thực thi một cách cứng nhắc trong quá trình tái tạo hình học bề mặt.
•Quá trình bo tròn tự động là quá trình mà bán kính bo tròn đã áp dụng được trích xuất trực tiếp từ lưới bề mặt.
•Liên kết trực tiếp đến CAD là khả năng xuất các mô hình CAD sang môi trường CAD truyền thống sao cho các đặc điểm mô hình CAD và cây đặc điểm của mô hình này không đổi. Tính năng này cải thiện đáng kể hiệu quả của toàn bộ quá trình tái tạo hình học bề mặt, hạn chế khả năng xảy ra lỗi và mất thời gian vào việc chuyển đổi các định dạng mà phần mềm CAD/CAM đòi hỏi. Do đó, bước "nhận dạng đặc điểm tự động" được thực hiện sau khi nhập mô hình không tham số trong môi trường CAD, minh họa trong hình 1.14, là không cần thiết nữa.
2.2.526
2.2.5272.2.528 Hình 1.14: Kết quả tự động nhận dạng đặc điểm của Solidworks
2.2.529 Xu hướng phát triển hiện nay, quá trình xử lý thông tin hình học trên phần
mềm chuyên dụng đang là cách tiếp cận hiệu quả nhất cho các nhà thiết kế xử lý công việc tái tạo mô hình CAD. Hiệu suất tổng thế tốt nhất để đáp ứng cho các ứng dụng tái tạo mô hình CAD hiện nay được cung cấp bởi phần mềm Geomagic Design X.
2.2.530 1.4.2. Xử lý thông tin hình học bằng Geomagic Design X
2.2.531 Geomagic Design X là một giải pháp phần mềm hoàn toàn mới cung
cấp một
cách tiếp cận mới, nhưng với một quy trình quen thuộc, để xây dựng mô hình
2.2.532 CAD từ dữ liệu quét 3D. Geomagic Design X tạo ra các mô hình có
thể sử dụng
cho nhiều ứng dụng bao gồm tạo mẫu nhanh, gia công CNC, phân tích CAE và truy xuất tới các ứng dụng CAD khác để sửa đổi thêm. Phần mềm này cung cấp cách tốt nhất để sử dụng công nghệ quét 3D như một giải pháp "nhiệm vụ quan trọng" để đổi mới trong quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm. Giao diện của phầm mềm này được minh họa trong hình 1.15.
2.2.533
2.2.534 Hình 1.15: Giao diện của phần mềm Geomagic Design X 2.2.535
2.2.536 Quá trình thiết kế và giao diện người sử dụng trong Geomagic Design
X đã
được phát triển để người sử dụng các phần mềm CAD truyền thống có thể thấy quen thuộc ngay lập tức, giúp tiết kiệm thời gian so với các phần mềm tái tạo hình học bề mặt chuyên dụng khác đồng thời tạo đầu ra dưới dạng mô hình khối CAD tham số. Ưu điểm của phần mềm Geomagic Design X có thể được liệt kê như sau:
• Giảm thời gian học tập thông qua việc sử dụng giao diện của phần mềm CAD/CAM và quá trình thiết kế quen thuộc;
• Một quá trình thiết kế ít tiêu tốn thời gian để làm sạch dữ liệu quét của chi tiết;
• Một giải pháp phần mềm đáp ứng nhu cầu xử lý dữ liệu sau khi quét, tạo lưới bề mặt, và mô hình CAD;
• Một công cụ phân tích độ lệch thời gian thực.
2.2.537 Giao diện và quy trình thiết kế của Geomagic Design X được phát
triển tương
tự như các phần mềm CAD/CAM phổ biến, vì vậy người sử dụng có thể sử dụng các kỹ năng thiết kế có sẵn để bắt đầu thiết kế ngay trong Geomagic Design X.
Các thí nghiệm hiệu chuẩn nội bộ đã cho thấy tiết kiệm thời gian lên tới 80%
khi sử dụng Geomagic Design X so với các phần mềm tái tạo hình học bề mặttruyền thống bởi vì quy trình thiết kế loại bỏ nhu cầu làm sạch dữ liệu quét của chi tiết. Việc quét toàn bộ chi tiết là không cần thiết, miễn là có đủ dữ liệu để nhận ra các tham số thiết kế.
2.2.538 Quá trình xử lý thông tin hình học trên phần mềm Geomagic Design X thường
thông qua bốn phương pháp, có thể sử dụng duy nhất một phương pháp hoặc trộn các phương pháp để thu được đầu ra mong muốn. Thứ nhất, phương pháp Mesh Modeling được sử dụng để tạo lưới bề mặt tối ưu từ dữ liệu quét 3D. Lưới bề mặt tối ưu sẽ được khởi tạo theo mục đích sử dụng bằng cách làm sạch các khuyết tật, lấp đầy các lỗ hổng, sửa đổi hình dạng và tối ưu hóa cấu trúc lưới.
Phương pháp pháp này cũng có thể dùng để phân tích hình dạng mô hình cũng như tạo mô hình nguyên mẫu tham chiếu bằng cách sử dụng kỹ thuật tạo mẫu nhanh. Nó cũng có thể được sử dụng để tối ưu hóa lưới để sử dụng làm mô hình đồ họa trong hoạt hình hoặc sử dụng làm dữ liệu thô trong việc tạo mô hình đặc điểm 3D. Một ví dụ minh họa cho việc thực thi phương pháp Mesh Modeling trên phần mềm Geomagic Design X được biểu diễn trong hình 1.16.
2.2.539
2.2.5402.2.541 Hình 1.16: Ứng dụng phương pháp Mesh Modeling để tạo lưới bề mặt
2.2.542 Các công cụ được sử dụng để tạo các lưới được tối ưu hóa từ dữ liệu
quét 3D
có thể được chia thành 4 loại khác nhau, như được liệt kê dưới đây:
•Công cụ làm sạch được sử dụng để xóa dữ liệu khỏi dữ liệu quét 3D;
•Công cụ chỉnh sửa được sử dụng để lấp đầy các lỗ bị thiếu có thể được tạo bởi nhiều tính năng, để làm mịn độ mấp mô của lưới bề mặt hoặc để sắp