基于UG的產品逆向設計的方法與應用

楊家鵬 胡華麗 姜俊

YANG Jia-peng, HU Hua-li, JIANG Jun

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

0 引言

逆向設計方法是指基于產品實物的仿制與改型設計，或者是基于實物樣機模型的開發設計。利用三坐標掃描儀、三維照相機等專用設備，直接對實物樣機模型進行掃描或拍照，從而快速得到實物模型外形的圖像數據，將這些圖形數據利用CAD軟件按照一定的精度要求進行優化及降噪處理后，用處理后的點云構建線架和曲面，得出三維數字化的外形，并在此基礎上完成產品的詳細設計。逆向設計方法作為工業產品開發的一種新方式,已成為現代工業產品開發的主流形式。利用一些非專業的逆向設計軟件如UG、Pro/E等和一些專業的逆向設計軟件進行逆向造型是目前逆向工程在企業中的較廣泛應用的實現方法。基于逆向設計方法在工業產品尤其是現代家電產品中的廣泛應用，本文以某小家電產品牛肉刀外殼設計為例說明利用UG軟件進行逆向設計的方法和應用。

UG的逆向設計方法基本策略是遵照點—曲線—曲面的原則，即首先對掃描點云數據進行分析處理, 然后在構造曲線的基礎上構成曲面, 最后通過曲面拼接生成CAD數字模型。

1 點數據的導入及處理

UG軟件有較好的曲面造型功能，但是不能處理大量數據點的點云，將三坐標測量機測量出來的點通過反求處理軟件Image Ware進行預處理后，利用UG的導入命令用IGES格式文件導入。導入的點用UG軟件進一步處理，進行補缺或精簡，包括刪除誤點和有明顯缺陷的點，根據需要添加點等。在UG中為了方便對點進行觀察和處理，采用基于邊的數據分塊技術，把點數據按照同方向的剖面點、分型線點分別放在不同的圖層中，并將點投影到選定的平面上。牛肉刀引入UG的點數據經過投影和處理后如圖1所示。

圖1 經過處理的點

2 曲線的重構及光順

通過連點構建曲線。在逆向設計中，常用的曲線有直線、圓弧、B樣條曲線。其中最常用的是B樣條曲線。B樣條曲線是用于幾何造型最重要也是最基本的工具之一，具有形狀局部可調及連續階數可調等特性，從而可以很好地解決局部控制問題，同時能在參數連續性的基礎上解決拼接問題。

結合牛肉刀實物的形狀和特征要預先大致確定構面的方法，從而確定需要連哪些線條,對有圓角、倒角、翻邊的地方如無特殊要求先忽略,做成直角,做完曲面后再進行處理。

牛肉刀設計所用的曲線大部份采用了B樣條曲線。曲線重構是使用UG中的“通過點方式”的方法構建樣條曲線，這樣能使建立的B樣條曲線可精確地通過選定的每一定義點。其連線的基本原則是選點間隔盡量均勻，用閉合和成鏈選項。生成的曲線要檢查并調整其連接的連續性和曲率的連續性，尤其是產品的分型線通常是產品的裝配結合線，要盡量做到減少誤差和光順。

在用通過點方式生成樣條曲線時，因為測量誤差及樣件表面不光滑等原因，會造成重構的樣條曲線曲率半徑變化不均勻，有些地方曲率半徑還存在突變。曲線的光順對曲面重構的質量會造成非常大的影響，因此曲線必須經過調整，使其光順。調整方法可使用基本曲線編輯命令，用Remove point（移除點）、add point（添加點）或用Edit spline（編輯樣條曲線），Edit pole（編輯極點）、Fit（擬合）、改變斜率等進行調整。但無論用什么命令調整都會產生偏差，調整次數越多，累積誤差就會越大，本案設計誤差允許值為0.05。在調整曲線的同時可打開曲率梳進行分析。經過調整光順后得出重構的牛肉刀主體曲線如圖2所示。

圖2 重構的曲線

3 主體曲面的重構及光順

曲面重構是逆向設計中最為關鍵的環節之一，目的是得到滿足精度和光順性要求且與相鄰曲面光滑拼接的曲面模型。其曲面質量決定三維CAD數字模型的建立是否成功。

根據重構的曲線，使用UG的曲面設計方法對物體表面的特征曲面進行重構。根據牛肉刀的具體形狀確定主要采用以B 樣條為基礎的四邊域曲面構造方法，該方法可設計復雜的自由線、曲面, 又可精確表示圓錐曲線、曲面，具有豐富的計算工具，易于實現節點的分割、升階、插入和刪除等操作，并便于和其他的CAD 系統進行數據交換。

在設計牛肉刀外殼主體表面時，根據形狀特點，把主體曲面分三個區域，前后端頭部曲面及中部曲面，重構時均采用網格曲面。因為網格面能很好地保證重構的曲面邊界曲率的連續性，控制四周邊界的曲率。在設計中使用UG軟件中的通過曲線網格（Though curve mesh）的曲面造型功能來生成各個特征曲面，選擇兩組曲線來構建曲面，其中一組曲線為導引線，另一組為截面線。利用底面邊緣和脊線創建拉伸面與網格面相切，對網格面邊界的曲率進行約束。使生成的網格面與四圍邊界曲面相切，這樣就才能保證得到較高的曲面質量。然后將重構的曲面縫合成一個整體的復合曲面。經過光順重構的牛肉刀主體曲面如圖3所示。

圖3 重構的主體曲面

4 曲面質量分析

曲面質量分析包括曲面精度和品質分析。利用UG軟件提供的曲面分析功能，使用反射高光分析，檢查所生成曲面的質量，觀察其中的斑馬線，特別是前后兩端的這兩個區域的曲面。如果曲面質量不好，在局部地方的斑馬線會有扭曲和波紋。對牛肉刀前端區域的曲面的斑馬線進行分析，發現有扭曲。這樣需要對這個區域的曲面進行修改，修改的方法是先用矩形邊界修剪，然后用網格面進行修補。修改和光順后再對整個曲面的斑馬線進行分析，檢查曲面的光順度。分析斑馬線的結果，修改后的曲面達到切線連續性的要求，如圖4所示。

圖4 曲面斑馬線

5 曲面拼接及構建立體

當各特征曲面創建完成后，用過渡曲面將重構的各特征曲面連接起來。使用裁剪、偏置、縫合、延伸、增厚等曲面編輯功能將各光滑曲面拼接或縫合成整體的復合曲面，構建出實體模型。一般當模型比較簡單且表面曲面質量較好時，用縫合增厚、或偏置等命令即可構建實體。

如果曲面質量品質不好，比如兩張曲面間隙誤差太大，縫合后構建不出三維立體模型，這時要仔細分析其原因，對于精度要求高的實物我們需再對點云進行提取，對曲面進行修改，用修剪、補面、提取并變成B曲面等各種編輯曲面的方法進行編輯和修改，修改后再進行縫合。對于精度要求不是很高的實物則可以通過增大縫合公差進行縫合。

牛肉刀的底面采用有界平面構建。當所有的曲面特征都重構完成后，用縫合命令縫合生成牛肉刀的三維實體模型。手柄的設計采用網格面，并和主體進行布爾差運算。利用藝術曲面、修剪、鏡像、圓角、抽殼等設計方法對三維實體的細節部份進行優化，最后完成牛肉刀的最終設計，生成的三維CAD模型如圖5所示。

圖5 牛肉刀的三維CAD模型

6 結束語

從實物樣件獲取產品的數學模型及相關的技術，已發展成CAD、CAM中的一個相對獨立的范疇，通過逆向工程復現實物的CAD模型，使得以實物為制造基礎的產品在設計與制造過程中，能充分利用CAD、CAM等先進的技術。由于逆向工程的實施能在很短的時間內準確、可靠地復制實物樣件,因此逆向工程成為當前企業先進制造技術的熱點之一。利用UG軟件通過一系列的操作將實物建立成三維CAD模型，這種產品的逆向設計方法能縮短產品的開發周期，降低成本及提高產品質量。通過一些常用的三維CAD軟件對實物進行反求造型尤其在工業產品設計和開發中是這些軟件應用的一個趨勢，目前已被越來越多應用于企業的產品開發和設計中。

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