UG中曲面造型的技巧

李瑞

[摘 ? ?要]UG系統(tǒng)為了解決產(chǎn)品工程的方案問題而誕生，為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段，作用于交通、航天航空、汽車等各個(gè)領(lǐng)域，深受業(yè)內(nèi)人士好評(píng)。一般規(guī)則形狀的零件可以通過尋常的造型方法進(jìn)行三維建模，但是對(duì)于不規(guī)則的復(fù)雜零件，則要采取特殊的技巧，所以就UG中曲面造型的技巧做出討論與分析。

[關(guān)鍵詞]UG;曲面造型;技巧

[中圖分類號(hào)]TP391.72 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–0–02

[Abstract]The UG system was born in order to solve the project problem of product engineering. It provides users with digital modeling and verification methods for product design and processing. It is used in various fields such as transportation， aerospace and automobile， and is well received by the industry. Generally， regular-shaped parts can be modeled in three dimensions by ordinary modeling methods， but for irregular and complex parts， special skills must be adopted， so the surface modeling skills in UG are discussed and analyzed.

[Keywords]UG; surface modeling; skills

UG是集CAD/CAM/CAE于一體的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于汽車、交通、航天技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

對(duì)于傳統(tǒng)的一般造型的零件，只需要使用簡單快捷的試聽特征的造型方法進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，基本可以滿足客戶所需，滿足造型所需，但是，這種方法操作內(nèi)容比較固定化，對(duì)于難度較高、比較復(fù)雜的零件就束手無策了，因此，曲面造型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為三維造型技術(shù)再添新瓦。

1 研究背景

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們生活水平的不斷提高，對(duì)生活用品也逐漸開始追求盡善盡美，對(duì)于消費(fèi)產(chǎn)品，人們的要求已經(jīng)不是基本功能的完善那么簡單了，在追求性能的同時(shí)，消費(fèi)者們開始追求商品的外觀，外觀更高的商品擁有的價(jià)值也更高，為了商家的利益，使得相關(guān)設(shè)計(jì)在進(jìn)行家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)除了追求性能上的不斷完善和提高，還得鉆研如何使商品的外觀看上去更加美觀，符合大多消費(fèi)者的審美。追求自我的外形美觀，即代表外觀多為圓潤復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，但是這一復(fù)雜圖紙就不是用簡單的紙畫設(shè)計(jì)圖或者機(jī)械制圖能表達(dá)出來的了。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，針對(duì)這一難題，三維集成化軟件也相繼誕生了，三維CAD/CAM/CAE集成化軟件被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。然而，要快速高質(zhì)量地完成一個(gè)家電產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，必須根據(jù)家電產(chǎn)品的特點(diǎn)，總結(jié)出一套建模方法和技巧。這樣才能大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的各種特殊需求。

2 原理

CAD的三維模型分為三種：線框、曲面和實(shí)體。

在早期的CAD系統(tǒng)中，這三種造型一般是分開來分析建模的，但是當(dāng)前的高級(jí)三維軟件，可以做到將三者有機(jī)結(jié)合起來，形成一個(gè)整體，在建立產(chǎn)品幾何模型時(shí)兼用線、面、體三種設(shè)計(jì)手段。而在進(jìn)行產(chǎn)品造型之前，首先要深刻地了解造型方法，包括其特點(diǎn)以及相關(guān)參數(shù)等，在進(jìn)行造型時(shí)才不至于手忙腳亂，不知所措。

線框造型可以生成、修改、處理二維和三維線框幾何體，可以生成點(diǎn)、直線、圓、二次曲線、樣條曲線等，又可以對(duì)這些基本線框元素進(jìn)行修剪、延伸、分段、連接等處理，生成更復(fù)雜的曲線，線框造型的另一種方法是通過三維曲面的處理來進(jìn)行，即利用曲面與曲面的求交，曲面的等參數(shù)線，曲面邊界線，曲線在曲面上的投影，曲面在某一方向的分模線等方法來生成復(fù)雜曲線。實(shí)際上，線框功能是進(jìn)一步構(gòu)造曲面和實(shí)體模型的基礎(chǔ)工具。在復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，往往是先用線條勾畫出基本輪廓，即所謂“控制線”，然后逐步細(xì)化，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出曲面和實(shí)體模型。

3 曲面造型技巧

3.1 了解產(chǎn)品，進(jìn)行設(shè)計(jì)

在進(jìn)行任何造型之前，都要對(duì)產(chǎn)品本身有一個(gè)深刻的了解，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，確定其結(jié)構(gòu)的主要特征，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)確定合理的建模順序，雖然有些產(chǎn)品看起來很復(fù)雜，但是只要能正確地分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，分清基本特征和構(gòu)造特征，再從基本特征入手分析，設(shè)計(jì)建模，保證建模的重點(diǎn)，就可以產(chǎn)生一個(gè)合理的造型“基體”，或稱之為“毛坯”就到這里，設(shè)計(jì)才剛剛開始，要做的就是在這個(gè)“毛坯”上進(jìn)行細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，決定好建模的主次順序，之后的問題便都迎刃而解了。

圖紙?jiān)煨瓦^程可分為如下兩個(gè)階段。

（1）造型分析，確定正確的造型思路和方法。包括：①在正確識(shí)圖的基礎(chǔ)上將產(chǎn)品分解成單個(gè)曲面或面組。②確定每個(gè)曲面的類型和生成方法，如直紋面、拔模面或掃略面等。③確定各曲面之間的聯(lián)接關(guān)系（如倒角、裁剪等）和聯(lián)接次序。

（2）造型的實(shí)現(xiàn)，包括：①根據(jù)圖紙?jiān)贑AD/CAM軟件中畫出必要的二維視圖輪廓線，并將各視圖變換到空間的實(shí)際位置;②針對(duì)各曲面的類型，利用各視圖中的輪廓線完成各曲面的造型;③根據(jù)曲面之間的聯(lián)接關(guān)系;④完成產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)部分（實(shí)體）的造型。

顯然，第一階段是整個(gè)造型工作的核心，其決定了第二個(gè)階段的操作方法?？梢哉f，在CAD/CAM軟件上畫第一條線之前，已經(jīng)在其頭腦中完成了整個(gè)產(chǎn)品的造型，做到“胸有成竹”。第二階段的工作只不過是第一階段工作的在某一類CAD/CAM軟件上的反映而已。在一般情況下，曲面造型只要遵守以上步驟，再結(jié)合一些具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方法，不需要特別的技巧即可解決大多數(shù)產(chǎn)品的造型問題。

3.2 造型

在造型時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)建立特征曲線，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等建立一個(gè)合理的“毛坯”，再采用布爾“并、交、差”運(yùn)算，在實(shí)體之間合并、挖除、相交成型，同時(shí)還可以使用面片體作為“刀具”將“毛坯”實(shí)體剪切去除，以獲得實(shí)體的外觀形狀。

這也是在家電產(chǎn)品造型時(shí)最常用的造型方法。其關(guān)鍵在于如何建立高質(zhì)量的面片體“刀具”，這將在曲面造型技巧一節(jié)中提及。在這里需提出的是，用以修剪、分割實(shí)體的曲面片“刀具”各邊緣都應(yīng)超出“毛坯”剪切截面邊緣。此時(shí)可將原片體沿切面方向延伸，延伸片與原片體縫合后形成的較大片體即可作為“刀具”也可以重新做一較大的片體“刀具”。

3.3 曲面造型技巧

家電產(chǎn)品的外觀形狀多由自由型曲線曲面組成，其共同點(diǎn)是必須保證曲面光順。曲面光順從直觀上可以理解為保證曲面光滑而且圓順，不會(huì)引起視覺上的凸凹感，從理論上是指具有二階幾何連續(xù)，不存在奇點(diǎn)與多余拐點(diǎn)，曲率變化較小以及應(yīng)變能較小等特點(diǎn)。要保證構(gòu)造出來的曲面既光順又能滿足一定的精度要求，就必須掌握一定的曲面造型技巧。

3.3.1 化整為零，各個(gè)擊破

用一張曲面去描述一個(gè)復(fù)雜的家電產(chǎn)品外形是不切實(shí)際和不可行的，這樣構(gòu)造的曲面往往會(huì)不光順，產(chǎn)生大的變形q這時(shí)可根據(jù)應(yīng)用軟件曲面造型方法，結(jié)合產(chǎn)品的外形情況，將其劃分為多個(gè)區(qū)域來構(gòu)造幾張曲面，然后將其縫合，或用過渡面與其連結(jié)。當(dāng)今的三維CAD系統(tǒng)中的曲面幾乎都是定義在四邊形域上。因此，在劃分區(qū)域時(shí)，應(yīng)盡量將各個(gè)子域定義在四邊形域內(nèi)，即每個(gè)子面片都具有四條邊。而在某一邊退化為點(diǎn)時(shí)構(gòu)成三角形域，這樣構(gòu)造的曲面也不會(huì)在該點(diǎn)處產(chǎn)生大的變形。

3.3.2 建立光順的曲面片控制線

曲面的品質(zhì)與生成它的曲線即控制線有密切關(guān)系。因此，要保證光順的曲面，必須有光順的控制線。

曲線的品質(zhì)主要考慮以下幾點(diǎn)：①滿足精度要求;②曲率主方向盡可能一致;③曲線曲率要大于將做圓角過渡的半徑值。

在建立曲線時(shí)，利用投影、插補(bǔ)、光順等手段生成樣條曲線，然后通過其“曲率梳”的顯示來調(diào)整曲線段函數(shù)次數(shù)、迭代次數(shù)、曲線段數(shù)量、起點(diǎn)及終點(diǎn)結(jié)束條件、樣條剛度參數(shù)值等來交互式地實(shí)現(xiàn)曲線的修改達(dá)到其光滑的效果。有時(shí)通過線束或其它方式生成的曲面發(fā)生較大的波動(dòng)，往往是因?yàn)闃?gòu)造樣條曲線的U、V參數(shù)分布不均或段數(shù)參差不齊引起的。這時(shí)可通過將這些空間曲線進(jìn)行參數(shù)一致性調(diào)整，或生成足夠（視形狀與精度而定）數(shù)目的曲線上的點(diǎn)，再通過這些點(diǎn)重新擬合曲線。在曲面片之間實(shí)現(xiàn)光滑連接時(shí)，首先要保證各連接面片間具有公共邊，更重要一點(diǎn)是要保證各曲面片的控制線連接要光順，這是保證面片連接光順的必要條件。此時(shí)，可通過修改控制線的起點(diǎn)、終點(diǎn)約束條件，使其曲率或切矢在接點(diǎn)保證一致。

3.3.3 將輪廓線刪繁就簡再構(gòu)造曲面

曲面輪廓往往是已經(jīng)修剪過的，如果直接利用這些輪廓線來構(gòu)造曲面，常常難以保證曲面的光順性，所以造型時(shí)在滿足零件的幾何特點(diǎn)前提下，可利用延伸、投影等方法將3D輪廓線還原為2D輪廓線，并去掉細(xì)節(jié)部分，然后構(gòu)造出“原始”曲面，再利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。

3.3.4 從模具的角度考慮

產(chǎn)品三維造型的最終目的是制造。家電產(chǎn)品零件大都由模具生產(chǎn)出來。因此，在三維造型時(shí)，要從模具的角度去考慮，在確定產(chǎn)品出模方向后，應(yīng)檢查曲面能否出模，是否有倒扣現(xiàn)象（即撥模角為負(fù)角），如發(fā)現(xiàn)有倒扣現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)曲面的控制線進(jìn)行修改，重構(gòu)曲面。這一點(diǎn)往往被忽略，卻是非常重要的。

3.3.5 曲面光順評(píng)估

在構(gòu)造曲面時(shí)，要隨時(shí)檢查所建曲面的狀況，注意檢查曲面是否光順，是否扭曲，曲率變化情況等，以便及時(shí)修改。檢查曲面光順的方法可利用對(duì)構(gòu)成的曲面進(jìn)行渲染處理，即通過透視、透明度和多重光源等處理手段，產(chǎn)生高清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖像，再根據(jù)處理后的圖像光亮度的分布規(guī)律來判斷出曲面的光順度。圖像明暗度變化比較均勻，則曲面光順性好，如果圖像在某區(qū)域的明暗度與其它區(qū)域相比變化較大，則曲面光順性差。另外，可顯示曲面上的等高斯曲率線，進(jìn)而顯示高斯曲率的彩色光柵圖像，從等高斯曲率線的形狀與分布、彩色光柵圖像的明暗區(qū)域及變化，直觀地了解曲面的光順性情況。

4 結(jié)束語

家電產(chǎn)品的CAD三維造型設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的外觀性能等方面，是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的重中之重。而利用現(xiàn)代先進(jìn)的UG技術(shù)，除了可以輔助設(shè)計(jì)者完成其設(shè)計(jì)構(gòu)思，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率和精度，改善視覺效果之外，而且還可以為后續(xù)的分析、模具設(shè)計(jì)、NC加工等奠定基礎(chǔ)。要高質(zhì)量地完成家電產(chǎn)品的造型，通常是經(jīng)過數(shù)次的反復(fù)，綜合利用各方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并掌握一定的造型方法和技巧。本文所介紹的只是簡單的曲面造型技巧，還需要相關(guān)人士努力鉆研相關(guān)知識(shí)，在實(shí)際操作中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中提高。

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