基于 NX?UG 逆向設(shè)計(jì)的三維建模研究

摘要：隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及產(chǎn)品更新迭代速度的加快，逆向設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了便利。UG軟件基于其強(qiáng)大的功能，在逆向領(lǐng)域設(shè)計(jì)得到廣泛應(yīng)用。文章闡述了使用UG軟件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的常見(jiàn)思路及方法，以及設(shè)計(jì)高質(zhì)量曲面產(chǎn)品時(shí)的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：逆向工程;UG逆向設(shè)計(jì);產(chǎn)品質(zhì)量控制中圖法分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on 3D modeling based on NX-UG reverse design

CHEN Xiaoyun

（Guangxi Technological College of Machinery and Electricity，Nanning 530007，China）

Abstract：With the rapid development of the market economy and the accelerated iteration of product updates，the application of reverse design technology has provided convenience for new product development. Based on its powerful functions，UG software is widely used in reverse engineering. The article expounds the common ideas and methods of reverse design using UG software， and the precautions when designing high-quality curved products.

Key words： reverse engineering， UG reverse design， product quality control

逆向設(shè)計(jì)是指將已有實(shí)物模型通過(guò)三維掃描的方式采集點(diǎn)云，并利用相關(guān)軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，快速轉(zhuǎn)化成三維數(shù)字模型的反求設(shè)計(jì)方式[1]。采用逆向設(shè)計(jì)可快速完成產(chǎn)品建模，并可對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。相較于正向設(shè)計(jì)，逆向設(shè)計(jì)大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，因此逆向工程技術(shù)在企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。本文主要介紹了使用 NX?UG 軟件做逆向設(shè)計(jì)的思路、常用方法及注意事項(xiàng)。

1產(chǎn)品建模原則

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前，應(yīng)先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行外形分析，根據(jù)形狀特征將產(chǎn)品表面劃分為不同區(qū)域。首先，判斷產(chǎn)品是否存在對(duì)稱關(guān)系，如有對(duì)稱，建模時(shí)只需畫出對(duì)稱部分外形，往往是二分之一，四分之一甚至是八分之一外形。其次，采用鏡像命令得到整個(gè)產(chǎn)品實(shí)體?；诖耍瑢⒋蟠鬁p少逆向工程的工作量。對(duì)稱外形建模時(shí)，將細(xì)節(jié)特征忽略，以去圓角的思維方式對(duì)產(chǎn)品拆塊，分析該產(chǎn)品由哪幾大塊構(gòu)成。依據(jù)每一塊外形選擇合適的命令。建模順序是：先把產(chǎn)品主體部分構(gòu)建出來(lái)，再逐個(gè)對(duì)依附主體的其他特征進(jìn)行建模。建模方式基于“先簡(jiǎn)單后復(fù)雜，先實(shí)體后片體”的原則。能做實(shí)體盡量做實(shí)體，實(shí)體創(chuàng)建不了再考慮片體建模的形式。如圖1所示，對(duì)游戲機(jī)遙控手柄逆向設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)以上原則，產(chǎn)品對(duì)稱，將手柄拆半畫。首先，創(chuàng)建中間基體1，使用旋轉(zhuǎn)命令做出。其次，依據(jù)旋轉(zhuǎn)基體1，在其上面或周圍構(gòu)線布面，畫出復(fù)雜的操控桿2和3的曲面外形。

2產(chǎn)品建模方法

傳統(tǒng)建模分為實(shí)體建模和片體建模。

實(shí)體建模大多采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等基礎(chǔ)命令。截面形狀一致，考慮選用拉伸命令;回轉(zhuǎn)類零件的構(gòu)建適合采用旋轉(zhuǎn)的方式;掃掠則應(yīng)用在截面形狀一致或相似，沿引導(dǎo)線掃掠形成的產(chǎn)品外形。

片體建模即曲面建模，隨著 UG 軟件不斷更新?lián)Q代，功能越來(lái)越強(qiáng)大，建模手段越來(lái)越豐富。曲面實(shí)體建模的方法大部分是先對(duì)整個(gè)曲面外形進(jìn)行拆面，分析整個(gè)產(chǎn)品或產(chǎn)品部分曲面區(qū)域由哪幾個(gè)面組成。拆面后首先做大面（圖2），大面做完后，再根據(jù)實(shí)際情況決定相鄰大面之間需不需要接面，如需要接面，應(yīng)在兩相鄰面之間裁出一段過(guò)渡距離，使用合適的方法接面。創(chuàng)建出來(lái)的各個(gè)面最終縫合成一體，最后倒圓角，從而完成產(chǎn)品建模。

2.1大面創(chuàng)建方式

在 NX?UG 軟件中，常用的大面創(chuàng)建方式為“拉伸+x 型”“掃掠或變化掃掠+x 型”“網(wǎng)格”“快速造面+擴(kuò)大+x 型”“填充曲面（內(nèi)加控制線）+擴(kuò)大+x 型”“刷色+擬合曲面+擴(kuò)大+x 型”。不同的命令做出來(lái)面的質(zhì)量不一樣。使用快速造面和擬合曲面方式做出來(lái)的面屬于擬合面，其特點(diǎn)是做面便捷、快速。STL 上直接畫線或刷色即可利用命令擬合的方式成面，其缺點(diǎn)是面不夠光順，一般使用在對(duì)曲面質(zhì)量要求不高的產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)中。

網(wǎng)格命令是 UG 逆向做曲面最傳統(tǒng)的手段。首先，根據(jù)曲面外形畫出曲面的邊界線，如曲面形狀復(fù)雜，往往需要在中間添加控制線，通過(guò)由線構(gòu)面的方式做出曲面。此構(gòu)面方式需要逆向設(shè)計(jì)者有一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，會(huì)對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行拆面接面，曲面質(zhì)量的控制取決于逆向設(shè)計(jì)者對(duì)畫線位置、線型走勢(shì)的控制，在構(gòu)造曲線時(shí)應(yīng)該盡可能仔細(xì)、精確，其相較于逆向設(shè)計(jì)而言難度較大。特別對(duì)于某些外型線看不到曲面，需要憑空繪制出大概位置線后，初步做出面外形，然后根據(jù)曲面與 STL 的貼合度不斷調(diào)整線，以達(dá)到逆向設(shè)計(jì)“既順又貼”的目的。

x 型是 UG 逆向設(shè)計(jì)里使用相對(duì)簡(jiǎn)單、構(gòu)面“既順又貼”的便利工具，通常使用在對(duì)逆向產(chǎn)品不需做太多調(diào)整的逆向設(shè)計(jì)里。其創(chuàng)建方法為利用拉伸、掃掠、填充等技術(shù)，先大概繪制出一張與逆向曲面大小相近的面，再通過(guò) x 型命令，將做出來(lái)的面調(diào)整成與 STL 貼合度很高、符合逆向要求的曲面。該做面方法的優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)面簡(jiǎn)單，做出來(lái)的面通過(guò)調(diào)整 UV 階數(shù)，可構(gòu)建出高質(zhì)量的曲面;缺點(diǎn)是曲面調(diào)整時(shí)間比較長(zhǎng)，如逆向產(chǎn)品后續(xù)要改動(dòng)，不太方便。如需要構(gòu)建高質(zhì)量曲面，X 型命令里 UV 次數(shù)少于5階，補(bǔ)片數(shù)取1。

2.2曲面做面順序

曲面逆向設(shè)計(jì)順序通常為“大面→接面→倒 R 角”，面與面相接先后順序以圓角為導(dǎo)向[2]。圓角為導(dǎo)向的判定原則如下：（1）圓角先大后小;（2）最光順圓角或最長(zhǎng)圓角最后倒;（3）如果圓角相連地方太多、太長(zhǎng)、不好倒，可以先倒一截，剩下一截做網(wǎng)格連接。

如圖3所示，該產(chǎn)品為摩托車座椅，因?qū)ΨQ關(guān)系，只須畫出一半。構(gòu)建時(shí)先做出①②③④⑤⑥⑦⑧大面，然后進(jìn)行大面與大面之間的過(guò)渡連接。連接順序依次為：左半邊，②大面和③大面倒圓角相接，倒圓角形成的區(qū)域再與①大面倒圓角相接，④大面和⑤大面倒圓角相接，而后與①②③大面相連的區(qū)域倒圓角相接;右半邊，⑦大面和⑧大面相接，然后和⑥大面倒圓角相接。左右半邊各自成型后，倒圓角相接。

2.3面與面之間的過(guò)渡方式

倒圓角（邊倒圓、面倒圓、樣式圓角、美學(xué)圓角等）根據(jù)不同的需要選擇相應(yīng)的圓角命令。兩面切開(kāi)一定距離，再橋接曲面相接。也可用網(wǎng)格相接，或用藝術(shù)曲面相接。

若能采用倒圓角的方式接面，則盡量采用倒圓角來(lái)將相鄰面連接。此方式連接方便、過(guò)渡自然，而且能用圓角連接，證明之前拆面合理，容易做出高質(zhì)量的大面。當(dāng)所做大面質(zhì)量不太好，圓角倒出來(lái)質(zhì)量不好，走線扭曲，甚至倒不出圓角，或者圓角變形。此時(shí)，可將圓角區(qū)域裁空，用網(wǎng)格接面的方式做出圓角效果。如圖4的第⑨大面，用圓角過(guò)渡不好做，則可改用網(wǎng)格接面的方式畫出來(lái)。

3產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估及調(diào)整

在構(gòu)建產(chǎn)品外觀的過(guò)程中，特別是構(gòu)建曲面時(shí)，我們不可能一次性將全部產(chǎn)品面構(gòu)建達(dá)到理想的效果。其中，理想的效果指的是逆向構(gòu)建的曲面光順而且貼點(diǎn)。所以，我們需要不斷對(duì)各個(gè)曲面進(jìn)行檢查以及做相應(yīng)處理，把曲面調(diào)整到最佳的視覺(jué)效果。在構(gòu)建曲面的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合軟件提供的檢查分析工具，調(diào)點(diǎn)、調(diào)線、調(diào)面，把曲面調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)。在傳統(tǒng)由線構(gòu)面的方式下，面的質(zhì)量取決于線的走勢(shì)及位置，曲面劃分越合理，走線越自然，面的質(zhì)量控制得越好。

產(chǎn)品曲面品質(zhì)是指曲面本身是否光順以及相鄰曲面的連接是否自然、過(guò)渡連續(xù)。目前，行業(yè)定義中曲面品質(zhì)最高級(jí)為 A。A 級(jí)曲面滿足條件如下：相鄰曲面間之間隙在0.005m 以下（部分大品牌汽車廠甚至要求達(dá)到0.001mm），面之間切率變化在0.16°以下，階次與控制點(diǎn)數(shù)目不多，UV 方向在5個(gè)控制點(diǎn)左右;一個(gè) A 級(jí)曲面在 UV 方向必須保證曲率的連續(xù)性及變化趨勢(shì)的一致性，曲面之間的連接部分至少滿足曲率連續(xù)，曲率改變?cè)?.005以下。只有符合上述標(biāo)準(zhǔn)，才能確保曲面光順飽滿，不出現(xiàn)視覺(jué)上的瑕疵，滿足產(chǎn)品的外觀品質(zhì)需求。因此，我們?cè)跇?gòu)建高質(zhì)量曲面產(chǎn)品時(shí)，畫線用曲率梳檢查走線的自然程度。在產(chǎn)品外觀要求中，面與面相接至少滿足 G1的過(guò)渡要求。對(duì)于汽車、飛機(jī)或外觀要求高的產(chǎn)品，要達(dá)到 A 級(jí)曲面的品質(zhì)，即至少須達(dá)到 G2的控制要求。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用常用的三維 CAD 軟件對(duì)實(shí)物進(jìn)行反求造型是近年來(lái)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)，通過(guò)逆向設(shè)計(jì)，可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在同一款軟件上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模、分析、分模及加工，可大大降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)的可能性。UG 軟件基于其豐富及強(qiáng)大的功能模塊，在設(shè)計(jì)行業(yè)占據(jù)越來(lái)越重要的地位。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

陳曉云（1978—），本科，講師，研究方向：產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)及加工。