曲面造型方法的分析與應(yīng)用

郭艷艷

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引言

曲面是一種厚度為零的幾何體，若想生成曲面，可以使用與生成實體相同的許多工具，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等，曲面還有一些其他的功能或特征，如剪裁、解除剪裁、延伸以及縫合等。從實體的曲面造型入手創(chuàng)建實體比直接從實體造型出發(fā)創(chuàng)建實體要具有優(yōu)勢，及更大的靈活性，因為可等到設(shè)計的最終步驟后再定義曲面之間的邊界，此靈活性有助于產(chǎn)品設(shè)計者操作平滑和延伸的曲線。盡管在不同的三維軟件如Pro／E、UG、CATIA和SolidWorks中所使用的指令有所差別，但基本的造型策略都是類似的。充分理解各種曲面造型方法以及所生成曲面的特點(diǎn)對于曲面創(chuàng)建是非常重要的。

1 常用曲面造型方法

（1）曲面拉伸：以某一草圖作為拉伸特征，沿設(shè)定的方向、距離、傾斜角度拉伸所創(chuàng)建的曲面。本例中的曲面在創(chuàng)建中只用到一個草圖，如圖1 所示。

圖1 曲面拉伸

（2）曲面旋轉(zhuǎn)：以某一草圖作為旋轉(zhuǎn)特征，沿設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸、方向、角度旋轉(zhuǎn)所創(chuàng)建的曲面。該曲面在創(chuàng)建中要用到一個草圖和一個旋轉(zhuǎn)軸，所創(chuàng)建的曲面為回轉(zhuǎn)曲面，如圖2 所示。

（3）曲面掃描：以某一草圖作為掃描輪廓，以另一草圖作為掃描路徑所創(chuàng)建出的曲面，如圖3 所示；有時根據(jù)需要還需要加入引導(dǎo)線草圖，如圖4 所示。

（4）曲面放樣：由若干個不同的草圖特征按照一定順序平滑過渡所創(chuàng)建的曲面，如圖5 所示；必要時也可以加入引導(dǎo)線草圖，如圖6 所示。

除了上述幾種基本曲面造型方法外，為了達(dá)到創(chuàng)建復(fù)雜曲面的目的，通常還要對已有的曲面進(jìn)行曲面編輯，如縫合曲面、延伸曲面、剪裁曲面、移動／復(fù)制曲面、刪除面、曲面圓角等。

圖2 曲面旋轉(zhuǎn)

圖3 曲面掃描（無引導(dǎo)線）

圖4 曲面掃描（有引導(dǎo)線）

圖5 曲面放樣（無引導(dǎo)線） 圖6 曲面放樣（有引導(dǎo)線）

2 應(yīng)用舉例

對于復(fù)雜的曲面形狀造型，一般不能單純使用某一種方法，通常都是綜合運(yùn)用各種方法來參與構(gòu)建。復(fù)雜曲面的構(gòu)建除了局部形狀構(gòu)面方法的選擇外，建模的順序也尤為重要，通常依據(jù)的建模順序原則是：先主體后細(xì)節(jié)，先平滑后變化。即首先要創(chuàng)建主體的大面，然后再創(chuàng)建曲面上的各種局部特征；首先創(chuàng)建相對比較平滑的曲面，然后再創(chuàng)建變化比較快的曲面。下面，以SolidWorks軟件為操作軟件，通過一個實際例子來說明曲面造型方法的具體應(yīng)用。

圖7 為噴嘴的外形，要求創(chuàng)建其外形曲面。首先應(yīng)對該曲面進(jìn)行構(gòu)形分析：該曲面由（如圖8 所示）把手、底座、連接部分、嘴部4部分組成。由于連接部分的形狀和位置是由其余3部分的形狀和位置決定的，因此在造型時，可以先從把手、底座、嘴部入手，再創(chuàng)建連接部分。具體創(chuàng)建方法和步驟如下：

（1）創(chuàng)建底座。該底座是一個圓臺形，可以在兩個平行基準(zhǔn)面上分別創(chuàng)建上、下兩個底面圓的草圖，如圖9所示。草圖1 為下底面圓，草圖2 為上底面圓，再利用曲面放樣命令完成。

圖7 噴嘴外形 圖8 噴嘴組成部分

（2）創(chuàng)建把手。該把手的截斷面均為圓頭四邊形，靠左邊從上到下是沿直線發(fā)展的，靠右側(cè)是沿手指抓柄的曲線發(fā)展的，因此在建模時不能簡單地利用曲面拉伸建模，而要使用掃描曲面工具生成噴嘴把手，如圖1 0所示，其中，草圖5 為掃描輪廓草圖，草圖3 為掃描路徑（控制掃描方向），草圖4 為掃描引導(dǎo)線（控制截斷面形狀大小）。

圖9 創(chuàng)建底座

圖1 0 創(chuàng)建把手

（3）創(chuàng)建嘴部。該部分的截斷面均為圓形，上沿為一大圓弧，下沿為一小圓弧，同樣可以利用掃描曲面工具創(chuàng)建，如圖1 1所示，其中，草圖8 為輪廓，草圖7 為掃描路徑，草圖6 為掃描引導(dǎo)線。

（4）創(chuàng)建連接部分。該部分是整個噴嘴曲面創(chuàng)建的難點(diǎn)，該部分將同時光滑連接底座、把手和嘴部。為了將各部分連接起來，我們可以將已經(jīng)創(chuàng)建出來的各部分曲面分割成多個曲面，再利用曲面放樣將它們連接起來。具體步驟如下：①分割嘴部：如圖1 2所示，利用分割線命令，將草圖9作為投影的草圖，對嘴部曲面進(jìn)行分割；②分割底座：如圖1 3所示，再次利用分割線命令，將草圖9作為投影的草圖，對底座曲面進(jìn)行分割；③連接把手和嘴部：如圖1 4所示，利用放樣曲面命令，將輪廓1和輪廓2選為放樣曲線，并設(shè)置開始和結(jié)束約束條件均為與面相切，合并切面即可；④用同樣的方法，將底座與把手、底座與嘴部連接起來。如圖1 5所示。

圖1 1 創(chuàng)建嘴部

圖1 2 分割嘴部

圖1 3 分割底座

圖1 4 連接把手和嘴部

（5）將各曲面縫合為一個整體，縫合曲面不會改變曲面的外觀。

（6）使用填充曲面工具填充在底座、把手及嘴部之間閉合區(qū)域的每個側(cè)邊，完成曲面的創(chuàng)建。

圖1 5 連接底座與把手、底座與嘴部

3 結(jié)束語

要創(chuàng)建高質(zhì)量的曲面，造型的方法和步驟是至關(guān)重要的，同時還要靈活應(yīng)用各種曲面造型方法，特別是掃描和放樣曲面造型，當(dāng)其中引導(dǎo)線繪制和設(shè)置不合適時將直接導(dǎo)致曲面造型歪曲或者失敗。因此，正確分析各曲面是整個曲面造型中的關(guān)鍵。