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UG软件在逆向工程中的应用 |
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作者：武汉理工大学汽车工程学院 荣辉 何耀华 |
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一、前言
传统的产品设计一般都是“从无到有”的过程，设计人员首先构思产品的外形、性能以及大致的技术参数等，再利用CAD建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，这样的过程可称为“正向设计”。而逆向工程则是一个“从有到无”的过程，就是根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型。
逆向工程的专业软件有Surfacer、ICEM、CopyCAD和RapidForm等，这些软件非常适合处理大量扫描的点云数据。例如，对一个小车的外型进行激光扫描，大约可以得到30万个测量点，通过专业的Surfacer软件建构而得到数字模型，达到了预期的效果。同时，我们也对UG在逆向工程中的应用进行了探索，在过程中得到了一些经验，下面详细介绍如下。
二、数据点的输入
用UG软件做逆向工程，使用的测量设备大多都是接触式手动三坐标划线机，主要针对剖面、轮廓和特征线进行测量，测量的数据点不是很多，UG处理起来也比较容易。
但是本文的车模型用激光扫描测到的数据点多达30万个，这么多的数据点输入UG是很困难的，因此我们在Surfacer软件里对点云数据进行了除噪、稀疏等预处理。而为了准确地保持原来的特征点和轮廓点，我们大体构造了轮廓线和特征线，和点云数据一起导入UG中，如图1所示。
图1 输入数据
三、通过点构造曲线
1.在连线过程中，一般是先连特征线点，后连剖面点。在连线前应有合理的规划，根据此车的形状和特征确定如何分面，以便确定哪些点应该连接，并对以后的构面方法做到心中有数，连线的误差一般控制在0.4mm以下。
2.常用到的是直线、圆弧和样条线（spline），其中最常用的是样条线。一般选用“through point” 方式，阶次最好为3阶，因为阶次越高，柔软性越差，即变形困难，且后续处理速度慢，数据交换困难。
3.因测量时有误差以及模型外表面不光滑等原因，连成的样条线不光顺时还需要进行调整，否则构造出的曲面也不光滑。调整时常用的一种方法是Edit Spline，一般常用Edit pole选项，包括移动、添加控制点以及控制极点沿某个方向移动，方便对样条进行编辑，此外，曲线的断开（divide）、桥接（bridge）和光顺曲线（Smooth spline）也经常用到。
总之，在生成面之前需要做大量的调线工作，调线时可以使用曲率梳对其进行分析，以保证曲线的质量，如图2所示。
图2 构造的曲线
四、构造曲面
因为车身要求有流畅的外形、光顺的外表面，因此在构造曲面的时候，要分成若干曲面进行，尤其要保证面和面之间能够相切连续或曲率连续，这样才能形成一个没有接痕的曲面。另外，构造曲面时，还要根据具体情况选择合适的构造方法。
1.构造曲面的方法
(1)最常用的构造方法是Though Curve Mesh，不仅可以保证曲面边界曲率的连续性，还可以控制四周边界曲率（相切），而Though curves只能保证两边曲率。
(2)使用较多的还有nxn命令，可以动态显示正在创建的曲面，还可以随时增、减定义曲线串，而曲面也将随之改变。同样，还可以保持与相邻面的G0、G1以及G2连续。
(3)在构造曲面时，经常会遇到三边曲面和五边曲面。一般做条曲线，把三边曲面转化为四边曲面，或将边界线延伸，把五边曲面转化成四边曲面，用以重构曲面。其中，在曲面上，做样条线（curve on surface）和修剪（trim）是常用到的两个命令，如图3所示。
图3 构建的三角面
(4)构造完外表面，要进行镜像处理。在曲面的中心处常会出现凸起，显得曲面不光顺，一般都是把曲面的中心处剪切掉，然后通过桥接使之平滑。
(5)构造曲面时，两个面之间往往有“折痕”，曲面很不光顺，主要是因为两个面相切不连续造成的。解决这个问题，可以通过Though curve mesh 设置边界相切连续选项，还可以在构造曲面后选择match edge（NX3）选项，可以使两个曲面的边界相匹配，从而使曲率连续。另外，即使两个曲面不相接，match edge命令也可以将一个曲面的边界自动延伸并重合至另一个曲面的边界。
(6)在构造单张且较为平坦的曲面时，直接用点云构面（from point cloud）将会更方便、更准确。有时面之间的空隙需要桥接（Bridge），以保证曲面光滑过渡。当曲面求交时，进行圆角处理也会使两曲面圆滑过渡。
2.构造曲面应注意的几个问题
(1)构面最关键的是抓住样件特征，还需要简洁，曲面面积尽量大，而张数不要太多。另外，还要合理分面以提高建模效率。
(2)在构建曲面过程中，有时需要再加连一些线条，以便构造曲面，连线和构面需要经常交替进行。曲面建成后，要检查曲面的误差，一般测量点到面的误差，误差不要超过1mm。
(3)构造曲面阶次要尽量小，一般推荐为3阶。因为，高阶次的片体使其与其他CAD系统间成功交换数据的可能性减少，其他CAD系统也可能不支持高阶次的曲面。阶次高，则片体比较“刚硬”，曲面偏离极点较远，在极点编辑曲面时很不方便。另外，阶次低还有利于增加一些圆角、斜度和增厚等特征，有利于下一步编程加工，提高后续生成数控加工刀轨的速度。
五、构造实体
构建完外表面后，需要构建实体数字模型。如果模型较简单且曲率变化不大时，把它们缝合成一个整体，再使用增厚指令就可建立实体，但在大多数情况下却不可能实现，对本文中的模型更是如此。
如果把外表面缝合成一个整体，再把车底补面成为一个封闭的片体，从而成为一个实体，但由于车底部曲面的曲率变化比较大，往往实现不了抽壳命令。因此，首先需要先偏置外表面的各个片体，再构建出内、外表面的横截面，最后把做出的横截面和内、外表面缝合起来，使之成为封闭的片体，从而自动转化为实体，此过程一般包括以下四个方面。
1.曲面的偏值
用Offset指令同时选多个面或全选以提高效率。小车外表面各个片体偏值的情况，如图4所示。
图4 曲面的偏值
图4中的箭头表示偏值的方向，如果箭头反向，只要输入负值即可。
不是任何曲面都能够实现偏值，不能实现偏值一般有以下几种原因：
(1)由于曲面本身曲率太大，基本曲面有法线突变的情况；
(2)偏值距离太大而造成偏值后自相交，导致偏值失败（本文中把小车片体统一偏值2毫米）；
(3)被偏值曲面的品质不好，局部有波纹，只能修改好曲面后再进行偏值；
(4)还有一些曲面看起来很好，但就是不能偏值，遇到这种情况可用Extract Geometry转化成B 曲面后再进行偏值。
以上四种情况在构造曲面时都可能遇到，要学会分析其原因。
2.曲面的缝合
偏值后的曲面还需要裁剪或者补面，用各种曲面编辑手段构建内表面，然后缝合内表面和外表面。缝合时，经常会缝合失败，一般有下列几种可能。
(1)缝合时，缝合的偏体太多。应该每次只缝合少数几个片体，需要多次缝合。
(2)缝合公差小于两个被缝合曲面相邻边之间的距离。遇到此类问题，一般是加大缝合公差后，再进行缝合。
(3)两个表面延伸后不能交汇，边缘形状不匹配。如果片体不是B曲面，则需要先将片体转化为B曲面，使之与对应的另一片体的边匹配，再进行缝合。
(4)边缘上有难以察觉的微小畸形或其他几何缺陷。可局部放大，进行表面分析检查几何缺陷，如果确实存在几何缺陷，则修改或重建片体后重新缝合。
3.缝合的有效性
最后需要注意的是，虽然执行了缝合命令，计算机也没有给出错误提示，看似缝合成功，其实未必。有的片体在缝合完成后，放大时会看到有亮显点或亮显线，甚至还有空隙。因此，在缝合完成后，一定要立即检查缝合的有效性。若在缝合线上出现了亮显点或亮显线，就意味着此部位没有缝合成功，必须取消缝合操作，重新进行缝合，否则将给后续的实体建模工作带来困难，但如果仅外周边亮显，则说明缝合成功，如图5所示。
图5 内外表面与横截面的缝合
4.生成实体
把内、外表面和横截面缝合成一个闭合的片体，则片体将自动转化为实体，如图6所示。
图6 实体
六、小结
总之，用UG软件做逆向设计是比较耗时的，而且在点云的处理和构建片体方面，都不如专业逆向软件（如Surfacer、Rapidform等）方便。但是，UG做逆向设计的一些思想和方法，比如如何构线和构面、如何根据产品特征进行规划以及分割产品等，对使用专业逆向软件做逆向设计也会有所帮助，实际上，这也是做好逆向设计的关键。(end)
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(2/21/2006) |
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