基于UG創意塑形的逆向設計研究

安金亮，李疆，楊秋萍

（貴陽學院數控技術工程應用實驗室，貴州貴陽550005）

基于UG創意塑形的逆向設計研究

安金亮，李疆，楊秋萍

（貴陽學院數控技術工程應用實驗室，貴州貴陽550005）

研究了UG創意塑形對產品逆向設計的方法與應用。分析了基于UG創意塑形“圖片、模型”逆向設計的方法與傳統逆向設計方法的不同。研究得出，創意塑形的方法具有更好的實用性，其操作簡單，面的控制柔性更好，易于繪制高級曲面；面的控制方法直接，各個建模模塊間兼容性好，更新直觀，交互性好，易于設計交流，縮短設計周期。眾多的優越性使其在高級建模與工業設計中得到了廣泛使用。

創意塑形；細分建模；逆向設計；曲面設計

UG NX是一種提供數字化產品開發與制造解決方案的CAD/CAM/CAE/CAPP軟件，廣泛應用于產品設計與制造行業。隨著數控加工技術的提升，以及3D打印技術的大范圍使用，曲面建模、逆向設計等高級建模方法使用越來越多，但傳統高級建模的方法對設計者要求普遍較高。較新的UG軟件版本中提供了較為簡單的曲面建模新方式——創意塑形。此建模方法是UG NX9.0才新加入的模塊，在UG NX10.0和UG NX11.0得到了成熟使用。創意塑形是一種細分建模的思想，通過將基本體素進行“拆分面、拉伸、變換”等操作進行造型。其多個自由度的控制手柄直觀地對控制體素外觀的框架（框架點、框架線、框架面）進行位置的操作，繼而控制體的形態，如圖1和圖2所示。

圖1 創意塑形模塊

圖2 變換控制手柄

此建模方法能夠輕松創建通過傳統方法難以創造的形狀，其命令交互簡單，無需復雜的命令工具來設計產品，編輯模型特征更強，模型更改軟件更新迅速，能夠提升產品設計效率，廣泛應用在工業設計、造型設計、外觀設計的正逆向設計中，本文重點研究了創意塑形在逆向設計中的應用。

逆向設計是一種目標產品再現的過程，對一個產品進行逆向的分析與研究，并設計出其產品或對產品進行優化的再設計。在外觀造型的逆向設計中，一般是通過可進行逆向設計的軟件，按照“點→線→面→體”的過程進行設計。但這一過程對點云、曲線、曲面的基準選擇、曲線控制、曲面控制難度均較大，曲面之間的縫合、連接等容易出錯。在模型沒有繪制完成之前，模型外形的準確度判斷不夠直接，不能直觀得出是否滿足目標要求，不利于設計團隊之間以及客戶之間的交流。對設計人員的軟件水平要求也較高，設計周期較長。為了尋求易操作并快速逆向造型，研究了基于UG軟件中創意塑形的逆向設計方法。

1 基于圖片的逆向設計

圖3 圖片逆向設計過程

傳統的逆向造型設計方法包含2種，即圖片逆向、點云逆向，2種方法都需要建立曲線、曲面。創意塑形的逆向設計也包含了2種方法，即基于圖片的逆向、基于目標模型的逆向。其中，圖片逆向過程為：基準圖片導入→體素調入→細分體（拉伸、變換、拆分體等）→面質量分析（面分析、反射、曲率等）→優化特征（利用其他模塊協同建模，優化細部特征）→產品，具體如圖3所示。

1.1 基準圖片導入

在一般建模模塊基準下導入光柵圖像，并在導入設置中設置好大小與位置。較復雜的產品圖片需要導入三視圖或更多視圖的圖片，UG軟件支持的圖片格式主要為jpg、png、tiff等。圖片在導入之前可用圖片處理軟件修剪設置，不要留過多的空白邊界或其他雜亂圖形。

1.2 基本體素調入

在創意塑形模塊中調入基本體素，基本體素有實體類、面類、框架線。根據目標產品的外形結構進行選擇，較復雜的結構可通過分部位進行多次調入基本體素來變得更加簡單。將多個基本體素特征放在一個一個細分體里面，易出現大量框架重疊，導致選擇框特征出現多選、選錯的情況。

1.3 細分體

細分體是一個反復細化、修改、調整的過程，常用的方法有“拉伸、變換、拆分面、對稱建模等”。在圖片逆向中是以圖片為基準，通過人的思考判斷來確定形狀，尤其拆分面的過程中不能盲目拆分，外形的控制框架越多越難以實現面的控制，力求以較少的框架來拉伸變換出目標產品模型。

1.4 面質量分析

在曲面質量分析中，常用面分析、面曲率、面反射等方法來分析面的質量情況。在“渲染樣式”模塊中的“面分析”，可以創建一些分析類型的顯示，包括著色圖、彩色編碼圖、面網格點上的彩色編碼脊線和面反射。面分析顯示對于檢測面上的拐點、變化和缺陷非常有用。“反射”主要是創建特殊環境來評估其美觀質量，如圖4所示。經過分析發現，UG創意塑形中很容易實現G1、G2以上高階曲面的繪制。而傳統的高階曲面繪制很難，曲率的調整、數據修改后線轉換成曲面，面轉換成體更新都比較慢。

圖4 反射分析

1.5 優化細部特征

在一個產品中，往往會有復雜的高級曲面，還會有簡單的平面基本體，比如凸臺、孔、螺紋等，這些特征一般也會有精確的尺寸參數。這種情況下，需要在基本建模的環境下繪制，UG軟件提供了交協同、混合（全參數、無參數、全參數與無參數）建模的方式，能夠在多個模塊之間進行轉換操作，滿足了精美外觀的同時，保證了產品的精確尺寸設計。經過優化后的產品模型達到了逆向設計要求，可用快速制造的方法（3D打印）得到實物樣品，可根據實物來進行優化修改或創新再設計，最后通過適合的制造方法生產、推廣。

2 基于模型的逆向設計

基于模型的逆向設計方法是以模型為基準的，通過直觀判斷模型外觀，不斷變換縮小與目標模型的差距來進行逆向設計，是一種新的逆向設計方法。一般過程為：模型獲取→基本體素調入→細分體（拉伸、變換、拆分體等）→面質量分析（面分析、反射、曲率等）→優化特征（與其他模塊協同建模，優化細部特征）→目標產品模型。這一過程基本與圖片逆向一樣，只是其中的參考基準為一個三維數字模型，與以往的圖片、點云相比更為直觀。使得在設計過程中模型變換、人機交互更為直接。其中，“模型獲取”因目標基準模型需要導入軟件，因此，模型基本是通過掃描已有的實物模型獲得。為了保證好兼容性與精確性，掃描文件一般保留為精度較高的stl格式模型較好。“基本體素導入”和圖片逆向設計中的方法一致，按結構劃分部位，分多次多個導入基本體素。此方法設計更容易，避免了框架重疊交叉。如果用一個體素的框架來控制形狀，因框架太多，會加大選擇框架、控制框架的難度。細分完成后可同樣采用“面分析、面曲率、反射”等方法對產品模型進行面的質量分析，如圖5所示。通過分析結果，對模型進行再次優化后便可以進行試制，具體如圖6所示。

圖5 基于模型的逆向設計過程

圖6 曲面質量分析

3 結束語

通過基于創意塑形的2種逆向設計方法的分析，得出創意塑形的逆向設計方法相比于傳統的逆向設計方法，在操作上更加簡單易控制，交互性更好；在曲面質量上，能減少壞面的發生，能輕松創建傳統建模難以完成的高級曲面；在設計模型與目標產品模型的對比上更加直接，編輯、修改模型更新快。諸多的優勢使得創意塑形在逆向設計與正向設計中都能較大地縮短設計周期、提高效率，在高級曲面設計、逆向設計、工業設計中得到了廣泛使用。

［1］程少高、張穎、花爭立.UG軟件在逆向工程復雜曲面造型中的應用［J］.計算機與應用，2011（05）.

［2］楊家鵬，胡華麗，姜俊.基于UG的產品逆向設計的方法與應用［J］.制造業自動化，2010（10）.

［3］何永喜.UG曲面設計在逆向工程中的應用［J］.遼寧經濟職業技術學院學報，2011（05）.

〔編輯：張思楠〕

TP391.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.122

2095－6835（2017）14－0122－03