基于UG创意塑形的逆向设计研究

安金亮，李疆，杨秋萍

（贵阳学院数控技术工程应用实验室，贵州贵阳550005）

基于UG创意塑形的逆向设计研究

安金亮，李疆，杨秋萍

（贵阳学院数控技术工程应用实验室，贵州贵阳550005）

研究了UG创意塑形对产品逆向设计的方法与应用。分析了基于UG创意塑形“图片、模型”逆向设计的方法与传统逆向设计方法的不同。研究得出，创意塑形的方法具有更好的实用性，其操作简单，面的控制柔性更好，易于绘制高级曲面；面的控制方法直接，各个建模模块间兼容性好，更新直观，交互性好，易于设计交流，缩短设计周期。众多的优越性使其在高级建模与工业设计中得到了广泛使用。

创意塑形；细分建模；逆向设计；曲面设计

UG NX是一种提供数字化产品开发与制造解决方案的CAD/CAM/CAE/CAPP软件，广泛应用于产品设计与制造行业。随着数控加工技术的提升，以及3D打印技术的大范围使用，曲面建模、逆向设计等高级建模方法使用越来越多，但传统高级建模的方法对设计者要求普遍较高。较新的UG软件版本中提供了较为简单的曲面建模新方式——创意塑形。此建模方法是UG NX9.0才新加入的模块，在UG NX10.0和UG NX11.0得到了成熟使用。创意塑形是一种细分建模的思想，通过将基本体素进行“拆分面、拉伸、变换”等操作进行造型。其多个自由度的控制手柄直观地对控制体素外观的框架（框架点、框架线、框架面）进行位置的操作，继而控制体的形态，如图1和图2所示。

图1 创意塑形模块

图2 变换控制手柄

此建模方法能够轻松创建通过传统方法难以创造的形状，其命令交互简单，无需复杂的命令工具来设计产品，编辑模型特征更强，模型更改软件更新迅速，能够提升产品设计效率，广泛应用在工业设计、造型设计、外观设计的正逆向设计中，本文重点研究了创意塑形在逆向设计中的应用。

逆向设计是一种目标产品再现的过程，对一个产品进行逆向的分析与研究，并设计出其产品或对产品进行优化的再设计。在外观造型的逆向设计中，一般是通过可进行逆向设计的软件，按照“点→线→面→体”的过程进行设计。但这一过程对点云、曲线、曲面的基准选择、曲线控制、曲面控制难度均较大，曲面之间的缝合、连接等容易出错。在模型没有绘制完成之前，模型外形的准确度判断不够直接，不能直观得出是否满足目标要求，不利于设计团队之间以及客户之间的交流。对设计人员的软件水平要求也较高，设计周期较长。为了寻求易操作并快速逆向造型，研究了基于UG软件中创意塑形的逆向设计方法。

1 基于图片的逆向设计

图3 图片逆向设计过程

传统的逆向造型设计方法包含2种，即图片逆向、点云逆向，2种方法都需要建立曲线、曲面。创意塑形的逆向设计也包含了2种方法，即基于图片的逆向、基于目标模型的逆向。其中，图片逆向过程为：基准图片导入→体素调入→细分体（拉伸、变换、拆分体等）→面质量分析（面分析、反射、曲率等）→优化特征（利用其他模块协同建模，优化细部特征）→产品，具体如图3所示。

1.1 基准图片导入

在一般建模模块基准下导入光栅图像，并在导入设置中设置好大小与位置。较复杂的产品图片需要导入三视图或更多视图的图片，UG软件支持的图片格式主要为jpg、png、tiff等。图片在导入之前可用图片处理软件修剪设置，不要留过多的空白边界或其他杂乱图形。

1.2 基本体素调入

在创意塑形模块中调入基本体素，基本体素有实体类、面类、框架线。根据目标产品的外形结构进行选择，较复杂的结构可通过分部位进行多次调入基本体素来变得更加简单。将多个基本体素特征放在一个一个细分体里面，易出现大量框架重叠，导致选择框特征出现多选、选错的情况。

1.3 细分体

细分体是一个反复细化、修改、调整的过程，常用的方法有“拉伸、变换、拆分面、对称建模等”。在图片逆向中是以图片为基准，通过人的思考判断来确定形状，尤其拆分面的过程中不能盲目拆分，外形的控制框架越多越难以实现面的控制，力求以较少的框架来拉伸变换出目标产品模型。

1.4 面质量分析

在曲面质量分析中，常用面分析、面曲率、面反射等方法来分析面的质量情况。在“渲染样式”模块中的“面分析”，可以创建一些分析类型的显示，包括着色图、彩色编码图、面网格点上的彩色编码脊线和面反射。面分析显示对于检测面上的拐点、变化和缺陷非常有用。“反射”主要是创建特殊环境来评估其美观质量，如图4所示。经过分析发现，UG创意塑形中很容易实现G1、G2以上高阶曲面的绘制。而传统的高阶曲面绘制很难，曲率的调整、数据修改后线转换成曲面，面转换成体更新都比较慢。

图4 反射分析

1.5 优化细部特征

在一个产品中，往往会有复杂的高级曲面，还会有简单的平面基本体，比如凸台、孔、螺纹等，这些特征一般也会有精确的尺寸参数。这种情况下，需要在基本建模的环境下绘制，UG软件提供了交协同、混合（全参数、无参数、全参数与无参数）建模的方式，能够在多个模块之间进行转换操作，满足了精美外观的同时，保证了产品的精确尺寸设计。经过优化后的产品模型达到了逆向设计要求，可用快速制造的方法（3D打印）得到实物样品，可根据实物来进行优化修改或创新再设计，最后通过适合的制造方法生产、推广。

2 基于模型的逆向设计

基于模型的逆向设计方法是以模型为基准的，通过直观判断模型外观，不断变换缩小与目标模型的差距来进行逆向设计，是一种新的逆向设计方法。一般过程为：模型获取→基本体素调入→细分体（拉伸、变换、拆分体等）→面质量分析（面分析、反射、曲率等）→优化特征（与其他模块协同建模，优化细部特征）→目标产品模型。这一过程基本与图片逆向一样，只是其中的参考基准为一个三维数字模型，与以往的图片、点云相比更为直观。使得在设计过程中模型变换、人机交互更为直接。其中，“模型获取”因目标基准模型需要导入软件，因此，模型基本是通过扫描已有的实物模型获得。为了保证好兼容性与精确性，扫描文件一般保留为精度较高的stl格式模型较好。“基本体素导入”和图片逆向设计中的方法一致，按结构划分部位，分多次多个导入基本体素。此方法设计更容易，避免了框架重叠交叉。如果用一个体素的框架来控制形状，因框架太多，会加大选择框架、控制框架的难度。细分完成后可同样采用“面分析、面曲率、反射”等方法对产品模型进行面的质量分析，如图5所示。通过分析结果，对模型进行再次优化后便可以进行试制，具体如图6所示。

图5 基于模型的逆向设计过程

图6 曲面质量分析

3 结束语

通过基于创意塑形的2种逆向设计方法的分析，得出创意塑形的逆向设计方法相比于传统的逆向设计方法，在操作上更加简单易控制，交互性更好；在曲面质量上，能减少坏面的发生，能轻松创建传统建模难以完成的高级曲面；在设计模型与目标产品模型的对比上更加直接，编辑、修改模型更新快。诸多的优势使得创意塑形在逆向设计与正向设计中都能较大地缩短设计周期、提高效率，在高级曲面设计、逆向设计、工业设计中得到了广泛使用。

［1］程少高、张颖、花争立.UG软件在逆向工程复杂曲面造型中的应用［J］.计算机与应用，2011（05）.

［2］杨家鹏，胡华丽，姜俊.基于UG的产品逆向设计的方法与应用［J］.制造业自动化，2010（10）.

［3］何永喜.UG曲面设计在逆向工程中的应用［J］.辽宁经济职业技术学院学报，2011（05）.

〔编辑：张思楠〕

TP391.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.122

2095－6835（2017）14－0122－03