基于UG的产品逆向设计的方法与应用

杨家鹏 胡华丽 姜俊

YANG Jia-peng, HU Hua-li, JIANG Jun

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

0 引言

逆向设计方法是指基于产品实物的仿制与改型设计，或者是基于实物样机模型的开发设计。利用三坐标扫描仪、三维照相机等专用设备，直接对实物样机模型进行扫描或拍照，从而快速得到实物模型外形的图像数据，将这些图形数据利用CAD软件按照一定的精度要求进行优化及降噪处理后，用处理后的点云构建线架和曲面，得出三维数字化的外形，并在此基础上完成产品的详细设计。逆向设计方法作为工业产品开发的一种新方式,已成为现代工业产品开发的主流形式。利用一些非专业的逆向设计软件如UG、Pro/E等和一些专业的逆向设计软件进行逆向造型是目前逆向工程在企业中的较广泛应用的实现方法。基于逆向设计方法在工业产品尤其是现代家电产品中的广泛应用，本文以某小家电产品牛肉刀外壳设计为例说明利用UG软件进行逆向设计的方法和应用。

UG的逆向设计方法基本策略是遵照点—曲线—曲面的原则，即首先对扫描点云数据进行分析处理, 然后在构造曲线的基础上构成曲面, 最后通过曲面拼接生成CAD数字模型。

1 点数据的导入及处理

UG软件有较好的曲面造型功能，但是不能处理大量数据点的点云，将三坐标测量机测量出来的点通过反求处理软件Image Ware进行预处理后，利用UG的导入命令用IGES格式文件导入。导入的点用UG软件进一步处理，进行补缺或精简，包括删除误点和有明显缺陷的点，根据需要添加点等。在UG中为了方便对点进行观察和处理，采用基于边的数据分块技术，把点数据按照同方向的剖面点、分型线点分别放在不同的图层中，并将点投影到选定的平面上。牛肉刀引入UG的点数据经过投影和处理后如图1所示。

图1 经过处理的点

2 曲线的重构及光顺

通过连点构建曲线。在逆向设计中，常用的曲线有直线、圆弧、B样条曲线。其中最常用的是B样条曲线。B样条曲线是用于几何造型最重要也是最基本的工具之一，具有形状局部可调及连续阶数可调等特性，从而可以很好地解决局部控制问题，同时能在参数连续性的基础上解决拼接问题。

结合牛肉刀实物的形状和特征要预先大致确定构面的方法，从而确定需要连哪些线条,对有圆角、倒角、翻边的地方如无特殊要求先忽略,做成直角,做完曲面后再进行处理。

牛肉刀设计所用的曲线大部份采用了B样条曲线。曲线重构是使用UG中的“通过点方式”的方法构建样条曲线，这样能使建立的B样条曲线可精确地通过选定的每一定义点。其连线的基本原则是选点间隔尽量均匀，用闭合和成链选项。生成的曲线要检查并调整其连接的连续性和曲率的连续性，尤其是产品的分型线通常是产品的装配结合线，要尽量做到减少误差和光顺。

在用通过点方式生成样条曲线时，因为测量误差及样件表面不光滑等原因，会造成重构的样条曲线曲率半径变化不均匀，有些地方曲率半径还存在突变。曲线的光顺对曲面重构的质量会造成非常大的影响，因此曲线必须经过调整，使其光顺。调整方法可使用基本曲线编辑命令，用Remove point（移除点）、add point（添加点）或用Edit spline（编辑样条曲线），Edit pole（编辑极点）、Fit（拟合）、改变斜率等进行调整。但无论用什么命令调整都会产生偏差，调整次数越多，累积误差就会越大，本案设计误差允许值为0.05。在调整曲线的同时可打开曲率梳进行分析。经过调整光顺后得出重构的牛肉刀主体曲线如图2所示。

图2 重构的曲线

3 主体曲面的重构及光顺

曲面重构是逆向设计中最为关键的环节之一，目的是得到满足精度和光顺性要求且与相邻曲面光滑拼接的曲面模型。其曲面质量决定三维CAD数字模型的建立是否成功。

根据重构的曲线，使用UG的曲面设计方法对物体表面的特征曲面进行重构。根据牛肉刀的具体形状确定主要采用以B 样条为基础的四边域曲面构造方法，该方法可设计复杂的自由线、曲面, 又可精确表示圆锥曲线、曲面，具有丰富的计算工具，易于实现节点的分割、升阶、插入和删除等操作，并便于和其他的CAD 系统进行数据交换。

在设计牛肉刀外壳主体表面时，根据形状特点，把主体曲面分三个区域，前后端头部曲面及中部曲面，重构时均采用网格曲面。因为网格面能很好地保证重构的曲面边界曲率的连续性，控制四周边界的曲率。在设计中使用UG软件中的通过曲线网格（Though curve mesh）的曲面造型功能来生成各个特征曲面，选择两组曲线来构建曲面，其中一组曲线为导引线，另一组为截面线。利用底面边缘和脊线创建拉伸面与网格面相切，对网格面边界的曲率进行约束。使生成的网格面与四围边界曲面相切，这样就才能保证得到较高的曲面质量。然后将重构的曲面缝合成一个整体的复合曲面。经过光顺重构的牛肉刀主体曲面如图3所示。

图3 重构的主体曲面

4 曲面质量分析

曲面质量分析包括曲面精度和品质分析。利用UG软件提供的曲面分析功能，使用反射高光分析，检查所生成曲面的质量，观察其中的斑马线，特别是前后两端的这两个区域的曲面。如果曲面质量不好，在局部地方的斑马线会有扭曲和波纹。对牛肉刀前端区域的曲面的斑马线进行分析，发现有扭曲。这样需要对这个区域的曲面进行修改，修改的方法是先用矩形边界修剪，然后用网格面进行修补。修改和光顺后再对整个曲面的斑马线进行分析，检查曲面的光顺度。分析斑马线的结果，修改后的曲面达到切线连续性的要求，如图4所示。

图4 曲面斑马线

5 曲面拼接及构建立体

当各特征曲面创建完成后，用过渡曲面将重构的各特征曲面连接起来。使用裁剪、偏置、缝合、延伸、增厚等曲面编辑功能将各光滑曲面拼接或缝合成整体的复合曲面，构建出实体模型。一般当模型比较简单且表面曲面质量较好时，用缝合增厚、或偏置等命令即可构建实体。

如果曲面质量品质不好，比如两张曲面间隙误差太大，缝合后构建不出三维立体模型，这时要仔细分析其原因，对于精度要求高的实物我们需再对点云进行提取，对曲面进行修改，用修剪、补面、提取并变成B曲面等各种编辑曲面的方法进行编辑和修改，修改后再进行缝合。对于精度要求不是很高的实物则可以通过增大缝合公差进行缝合。

牛肉刀的底面采用有界平面构建。当所有的曲面特征都重构完成后，用缝合命令缝合生成牛肉刀的三维实体模型。手柄的设计采用网格面，并和主体进行布尔差运算。利用艺术曲面、修剪、镜像、圆角、抽壳等设计方法对三维实体的细节部份进行优化，最后完成牛肉刀的最终设计，生成的三维CAD模型如图5所示。

图5 牛肉刀的三维CAD模型

6 结束语

从实物样件获取产品的数学模型及相关的技术，已发展成CAD、CAM中的一个相对独立的范畴，通过逆向工程复现实物的CAD模型，使得以实物为制造基础的产品在设计与制造过程中，能充分利用CAD、CAM等先进的技术。由于逆向工程的实施能在很短的时间内准确、可靠地复制实物样件,因此逆向工程成为当前企业先进制造技术的热点之一。利用UG软件通过一系列的操作将实物建立成三维CAD模型，这种产品的逆向设计方法能缩短产品的开发周期，降低成本及提高产品质量。通过一些常用的三维CAD软件对实物进行反求造型尤其在工业产品设计和开发中是这些软件应用的一个趋势，目前已被越来越多应用于企业的产品开发和设计中。

[1]刘鑫,段明德.发动机气道逆向工程及其砂芯模具设计[J].机械设计与制造,2008,(2)：194-195.

[2]刘金颂,张庆阳.反求工程技术研究[J].机械工程自动化,2009,(8)：196-197.

[3]金鑫,何雪明,杨磊,陈周.基于Imageware 和UG 的汽车内饰件的逆向设计[J].机械设计与制造,2009(6)：40-42.

[4]武大伟,张强,谷晓玉,刘迎春.基于逆向工程的电气盒产品设计[J].沈阳航空工业学院学报,2008,(4)：32-34.

[5]林成辉,鞠鲁粤,应成勇.基于逆向工程的点云采集与曲面重构[J].现代机械,2009(1)：18-20.