本文主要介紹在逆向工程中如何用UG做逆向設(shè)計(jì)。一般是先輸入測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)云，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)連線，然后構(gòu)建曲面。最后又介紹了把片體構(gòu)造為實(shí)體的過(guò)程和方法。逆向造型遵循：點(diǎn)→線→面→體的一般原則

　　一、前言

　　傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般都是“從無(wú)到有”的過(guò)程，設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能以及大致的技術(shù)參數(shù)等，再利用CAD建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期，這樣的過(guò)程可稱為“正向設(shè)計(jì)”。而逆向工程則是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程，就是根據(jù)已有的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)圖紙和數(shù)字模型。1 k4 q. s. B& t% W) X+ s* x$ U:

　　逆向工程的專業(yè)軟件有Surfacer、ICEM、CopyCAD和RapidForm等，這些軟件非常適合處理大量掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。例如，對(duì)一個(gè)小車的外型進(jìn)行激光掃描，大約可以得到30萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)專業(yè)的Surfacer軟件建構(gòu)而得到數(shù)字模型，達(dá)到了預(yù)期的效果。同時(shí)，我們也對(duì)UG在逆向工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，在過(guò)程中得到了一些經(jīng)驗(yàn)，下面詳細(xì)介紹如下。

　　初學(xué)逆向造型的時(shí)候，兩個(gè)面之間往往有折痕，這主要是由這兩個(gè)面不相切所致。解決這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整參與構(gòu)面(Though curve mesh)曲線的端點(diǎn)與另一個(gè)面中的對(duì)應(yīng)曲線相切，再加上Though curve mesh邊界相切選項(xiàng)即可解決。只有曲線相切才能保證曲面相切。另外，有時(shí)候做一個(gè)單張且比較平坦的曲面時(shí)，直接用點(diǎn)云構(gòu)面(from point cloud)更方便。但是對(duì)那些曲率半徑變化大的曲面則不適用，構(gòu)造面時(shí)誤差較大。有時(shí)面與面之間的空隙要橋接(Bridge)，以保證曲面光滑過(guò)渡。在構(gòu)建曲面的過(guò)程中，有時(shí)還要再加連一些線條，用于構(gòu)面。連線和構(gòu)面經(jīng)常要交替進(jìn)行。曲面建成后，要檢查曲面的誤差，一般測(cè)量點(diǎn)到面的誤差，對(duì)外觀要求較高的曲面還要檢查表面的光順度。當(dāng)一張曲面不光順時(shí)，可求此曲面的一些Section，調(diào)整這些Section使其光順，再利用這些Section重新構(gòu)面，效果會(huì)好些，這是常用的一種方法。 U8 s; n1 ~4 [# N" C. J

　　二、數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸入

　　1點(diǎn)測(cè)量 測(cè)點(diǎn)之前規(guī)劃好該怎么打點(diǎn)。由設(shè)計(jì)人員提出曲面打點(diǎn)的要求。一般原則是在曲率變化比較大的地方打點(diǎn)要密一些，平滑的地方則可以稀一些。由于一般的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)取點(diǎn)的效率大大低于激光掃描儀，所以在零件測(cè)點(diǎn)時(shí)要做到有的放矢。值得注意的是除了掃描剖面、測(cè)分型線外，測(cè)輪廓線等特征線也是必要的，它會(huì)在構(gòu)面的時(shí)候帶來(lái)方便。

　　2點(diǎn)整理 連線之前先整理好點(diǎn)，包括去誤點(diǎn)、明顯缺陷點(diǎn)。同方向的剖面點(diǎn)放在同一層里，分型線點(diǎn)、孔位點(diǎn)單獨(dú)放一層，輪廓線點(diǎn)也單獨(dú)放一層，便于管理。通常這個(gè)工作在測(cè)點(diǎn)階段完成，也可以在軟件中完成。一般測(cè)量軟件可以預(yù)先設(shè)定點(diǎn)的安放層，一邊測(cè)點(diǎn)，一邊整理。連分型線點(diǎn)盡量做到誤差最小并且光順。因?yàn)樵谠S多情況下分型線是產(chǎn)品的裝配結(jié)合線。對(duì)汽車、摩托車中一般的零件來(lái)說(shuō)，連線的誤差一般控制在.0.5mm以下。

　　用UG軟件做逆向工程，使用的測(cè)量設(shè)備大多都是接觸式手動(dòng)三坐標(biāo)劃線機(jī)，主要針對(duì)剖面、輪廓和特征線進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)不是很多，UG處理起來(lái)也比較容易。但是車模型用激光掃描測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)多達(dá)30萬(wàn)個(gè)，這么多的數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入U(xiǎn)G是很困難的，因此我們?cè)赟urfacer軟件里對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了除噪、稀疏等預(yù)處理。而為了準(zhǔn)確地保持原來(lái)的特征點(diǎn)和輪廓點(diǎn)，我們大體構(gòu)造了輪廓線和特征線，和點(diǎn)云數(shù)據(jù)一起導(dǎo)入U(xiǎn)G中。

　　三、通過(guò)點(diǎn)構(gòu)造曲線 連線要做到有的放矢，根據(jù)樣品的形狀、特征大致確定構(gòu)面方法，從而確定需要連哪些線條，不必連哪些線條。連線可用直線、圓弧、樣條線(spline)。最常用的是樣條線，選用 “through point”方式。選點(diǎn)間隔盡量均勻，有圓角的地方先忽略，做成尖角，做完曲面后再倒圓角。因測(cè)量有誤差及樣件表面不光滑等原因，連成的曲率半徑變化往往存在突變，對(duì)以后的構(gòu)面的光順性有影響。因此曲線必須經(jīng)過(guò)調(diào)整，使其光順。調(diào)整中最常用的一種方法是Spline選Edit pole選項(xiàng)，利用鼠標(biāo)拖動(dòng)控制點(diǎn)。這里有許多選項(xiàng)，如限制控制點(diǎn)在某個(gè)平面內(nèi)開(kāi)關(guān)等。另外，調(diào)整經(jīng)常還要用到移動(dòng)的一個(gè)端點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)，使構(gòu)建曲面的曲線有交點(diǎn)。但必須注意的是，無(wú)論用什么命令調(diào)整曲線都會(huì)產(chǎn)生偏差，調(diào)整次數(shù)越多，累積誤差越大。誤差允許值視樣件的具體要求決定。

　　1.在連線過(guò)程中，一般是先連特征線點(diǎn)，后連剖面點(diǎn)。在連線前應(yīng)有合理的規(guī)劃，根據(jù)此車的形狀和特征確定如何分面，以便確定哪些點(diǎn)應(yīng)該連接，并對(duì)以后的構(gòu)面方法做到心中有數(shù)，連線的誤差一般控制在0.4mm以下。

　　2.常用到的是直線、圓弧和樣條線(spline)，其中最常用的是樣條線。一般選用“through point” 方式，階次最好為3階，因?yàn)殡A次越高，柔軟性越差，即變形困難，且后續(xù)處理速度慢，數(shù)據(jù)交換困難。

　　3.因測(cè)量時(shí)有誤差以及模型外表面不光滑等原因，連成的樣條線不光順時(shí)還需要進(jìn)行調(diào)整，否則構(gòu)造出的曲面也不光滑。調(diào)整時(shí)常用的一種方法是Edit Spline，一般常用Edit pole選項(xiàng)，包括移動(dòng)、添加控制點(diǎn)以及控制極點(diǎn)沿某個(gè)方向移動(dòng)，方便對(duì)樣條進(jìn)行編輯，此外，曲線的斷開(kāi)(divide)、橋接(bridge)和光順曲線(Smooth spline)也經(jīng)常用到。

　　總之，在生成面之前需要做大量的調(diào)線工作，調(diào)線時(shí)可以使用曲率梳對(duì)其進(jìn)行分析，以保證曲線的質(zhì)量。

　　四、構(gòu)造曲面

　　因?yàn)檐嚿硪笥辛鲿车耐庑?、光順的外表面，因此在?gòu)造曲面的時(shí)候，要分成若干曲面進(jìn)行，尤其要保證面和面之間能夠相切連續(xù)或曲率連續(xù)，這樣才能形成一個(gè)沒(méi)有接痕的曲面。另外，構(gòu)造曲面時(shí)，還要根據(jù)具體情況選擇合適的構(gòu)造方法。

　　運(yùn)用各種構(gòu)面方法建立曲面，包括Though Curve Mesh Though Curves Swept From point cloud等。構(gòu)面方法的選擇要根據(jù)樣件的具體特征情況而定。 最常用的是Curve Mesh將調(diào)整好的曲線用此命令編織成曲面。Though curve mesh構(gòu)面的優(yōu)點(diǎn)是可以保證曲面邊界曲率的連續(xù)性，因?yàn)門hough curve mesh可以控制四周邊界曲率(相切)，因而構(gòu)面的質(zhì)量更高。而Though curves只能保證兩邊曲率，在構(gòu)面時(shí)誤差也大。假如兩曲面交線要倒圓角，因Though curve mesh的邊界就是兩曲面的交線，顯然這條線要比兩個(gè)Though Curves曲面的交線光順，這樣Blend出來(lái)的圓角質(zhì)量是不一樣的。

　　構(gòu)面還要注意簡(jiǎn)潔。面要盡量做得大，張數(shù)少，不要太碎，這樣有利于后面增加一些圓角、斜度、增厚等特征，而且也有利于下一步編程加工，刀路的計(jì)算量會(huì)減少， NC文件也小。四、構(gòu)體 當(dāng)外表面完成后，下一步就要構(gòu)建實(shí)體模型。當(dāng)模型比較簡(jiǎn)單且所做的外表面質(zhì)量比較好時(shí)，用縫合增厚指令就可建立實(shí)體。但大多數(shù)情況卻不能增厚，所以只能采用偏置(Offset)外表面。用Offset指令可同時(shí)選多個(gè)面或用窗口全選，這樣會(huì)提高效率。對(duì)于那些無(wú)法偏置的曲面，要學(xué)會(huì)分析原因。一種可能是由于曲面本身曲率太大，偏置后會(huì)自相交，導(dǎo)致Offset失敗(有些軟件的算法與此算法不同，如犀牛王就可Offset那些會(huì)產(chǎn)生自相交的曲面)，如小圓角;另一種可能是被偏置曲面的品質(zhì)不好，局部有波紋，這種情況只能修改好曲面后再Offset<;還有一些曲面看起來(lái)光順性很好，但就是不能Offset，遇到這種情況可用Extract Geometry成B曲面后，再Offset，基本會(huì)成功。偏置后的曲面有的需要裁剪，有的需要補(bǔ)面，用各種曲面編輯手段完成內(nèi)表面的構(gòu)建，然后縫合內(nèi)外表面成一實(shí)體(solid)。最后再進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如加強(qiáng)筋、安裝孔等。

　　1.構(gòu)造曲面的方法

　　(1)最常用的構(gòu)造方法是Though Curve Mesh，不僅可以保證曲面邊界曲率的連續(xù)性，還可以控制四周邊界曲率(相切)，而Though curves只能保證兩邊曲率。

　　(2)使用較多的還有nxn命令，可以動(dòng)態(tài)顯示正在創(chuàng)建的曲面，還可以隨時(shí)增、減定義曲線串，而曲面也將隨之改變。同樣，還可以保持與相鄰面的G0、G1以及G2連續(xù)。

　　(3)在構(gòu)造曲面時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到三邊曲面和五邊曲面。一般做條曲線，把三邊曲面轉(zhuǎn)化為四邊曲面，或?qū)⑦吔缇€延伸，把五邊曲面轉(zhuǎn)化成四邊曲面，用以重構(gòu)曲面。其中，在曲面上，做樣條線(curve on surface)和修剪(trim)是常用到的兩個(gè)命令。

　　(4)構(gòu)造完外表面，要進(jìn)行鏡像處理。在曲面的中心處常會(huì)出現(xiàn)凸起，顯得曲面不光順，一般都是把曲面的中心處剪切掉，然后通過(guò)橋接使之平滑。

　　(5)構(gòu)造曲面時(shí)，兩個(gè)面之間往往有“折痕”，曲面很不光順，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)面相切不連續(xù)造成的。解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)Though curve mesh 設(shè)置邊界相切連續(xù)選項(xiàng)，還可以在構(gòu)造曲面后選擇match edge(NX3)選項(xiàng)，可以使兩個(gè)曲面的邊界相匹配，從而使曲率連續(xù)。另外，即使兩個(gè)曲面不相接，match edge命令也可以將一個(gè)曲面的邊界自動(dòng)延伸并重合至另一個(gè)曲面的邊界。

　　(6)在構(gòu)造單張且較為平坦的曲面時(shí)，直接用點(diǎn)云構(gòu)面(from point cloud)將會(huì)更方便、更準(zhǔn)確。有時(shí)面之間的空隙需要橋接(Bridge)，以保證曲面光滑過(guò)渡。當(dāng)曲面求交時(shí)，進(jìn)行圓角處理也會(huì)使兩曲面圓滑過(guò)渡。