UG中曲面造型的技巧

李瑞

[摘    要]UG系统为了解决产品工程的方案問题而诞生，为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段，作用于交通、航天航空、汽车等各个领域，深受业内人士好评。一般规则形状的零件可以通过寻常的造型方法进行三维建模，但是对于不规则的复杂零件，则要采取特殊的技巧，所以就UG中曲面造型的技巧做出讨论与分析。

[关键词]UG;曲面造型;技巧

[中图分类号]TP391.72 [文献标志码]A [文章编号]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于一体的三维参数化设计的技术，被广泛应用于汽车、交通、航天技术等多个领域，发挥着至关重要的作用。

对于传统的一般造型的零件，只需要使用简单快捷的试听特征的造型方法进行三维建模设计，基本可以满足客户所需，满足造型所需，但是，这种方法操作内容比较固定化，对于难度较高、比较复杂的零件就束手无策了，因此，曲面造型技术应运而生，为三维造型技术再添新瓦。

1 研究背景

随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，对生活用品也逐渐开始追求尽善尽美，对于消费产品，人们的要求已经不是基本功能的完善那么简单了，在追求性能的同时，消费者们开始追求商品的外观，外观更高的商品拥有的价值也更高，为了商家的利益，使得相关设计在进行家电产品设计时除了追求性能上的不断完善和提高，还得钻研如何使商品的外观看上去更加美观，符合大多消费者的审美。追求自我的外形美观，即代表外观多为圆润复杂的曲面结构，但是这一复杂图纸就不是用简单的纸画设计图或者机械制图能表达出来的了。

随着计算机技术和计算机图形学的不断发展，针对这一难题，三维集成化软件也相继诞生了，三维CAD/CAM/CAE集成化软件被广泛应用于制造业。然而，要快速高质量地完成一个家电产品的造型设计，必须根据家电产品的特点，总结出一套建模方法和技巧。这样才能大大缩短设计周期，提高设计效率，满足客户对产品的各种特殊需求。

2 原理

CAD的三维模型分为三种：线框、曲面和实体。

在早期的CAD系统中，这三种造型一般是分开来分析建模的，但是当前的高级三维软件，可以做到将三者有机结合起来，形成一个整体，在建立产品几何模型时兼用线、面、体三种设计手段。而在进行产品造型之前，首先要深刻地了解造型方法，包括其特点以及相关参数等，在进行造型时才不至于手忙脚乱，不知所措。

线框造型可以生成、修改、处理二维和三维线框几何体，可以生成点、直线、圆、二次曲线、样条曲线等，又可以对这些基本线框元素进行修剪、延伸、分段、连接等处理，生成更复杂的曲线，线框造型的另一种方法是通过三维曲面的处理来进行，即利用曲面与曲面的求交，曲面的等参数线，曲面边界线，曲线在曲面上的投影，曲面在某一方向的分模线等方法来生成复杂曲线。实际上，线框功能是进一步构造曲面和实体模型的基础工具。在复杂的产品设计中，往往是先用线条勾画出基本轮廓，即所谓“控制线”，然后逐步细化，在此基础上构造出曲面和实体模型。

3 曲面造型技巧

3.1 了解产品，进行设计

在进行任何造型之前，都要对产品本身有一个深刻的了解，对产品进行分析，确定其结构的主要特征，然后根据结构确定合理的建模顺序，虽然有些产品看起来很复杂，但是只要能正确地分析产品的结构特征，分清基本特征和构造特征，再从基本特征入手分析，设计建模，保证建模的重点，就可以产生一个合理的造型“基体”，或称之为“毛坯”就到这里，设计才刚刚开始，要做的就是在这个“毛坯”上进行细节的设计，决定好建模的主次顺序，之后的问题便都迎刃而解了。

图纸造型过程可分为如下两个阶段。

（1）造型分析，确定正确的造型思路和方法。包括：①在正确识图的基础上将产品分解成单个曲面或面组。②确定每个曲面的类型和生成方法，如直纹面、拔模面或扫略面等。③确定各曲面之间的联接关系（如倒角、裁剪等）和联接次序。

（2）造型的实现，包括：①根据图纸在CAD/CAM软件中画出必要的二维视图轮廓线，并将各视图变换到空间的实际位置;②针对各曲面的类型，利用各视图中的轮廓线完成各曲面的造型;③根据曲面之间的联接关系;④完成产品中结构部分（实体）的造型。

显然，第一阶段是整个造型工作的核心，其决定了第二个阶段的操作方法。可以说，在CAD/CAM软件上画第一条线之前，已经在其头脑中完成了整个产品的造型，做到“胸有成竹”。第二阶段的工作只不过是第一阶段工作的在某一类CAD/CAM软件上的反映而已。在一般情况下，曲面造型只要遵守以上步骤，再结合一些具体的实现技术和方法，不需要特别的技巧即可解决大多数产品的造型问题。

3.2 造型

在造型时根据产品的主要结構建立特征曲线，通过拉伸、旋转等建立一个合理的“毛坯”，再采用布尔“并、交、差”运算，在实体之间合并、挖除、相交成型，同时还可以使用面片体作为“刀具”将“毛坯”实体剪切去除，以获得实体的外观形状。

这也是在家电产品造型时最常用的造型方法。其关键在于如何建立高质量的面片体“刀具”，这将在曲面造型技巧一节中提及。在这里需提出的是，用以修剪、分割实体的曲面片“刀具”各边缘都应超出“毛坯”剪切截面边缘。此时可将原片体沿切面方向延伸，延伸片与原片体缝合后形成的较大片体即可作为“刀具”也可以重新做一较大的片体“刀具”。

3.3 曲面造型技巧

家电产品的外观形状多由自由型曲线曲面组成，其共同点是必须保证曲面光顺。曲面光顺从直观上可以理解为保证曲面光滑而且圆顺，不会引起视觉上的凸凹感，从理论上是指具有二阶几何连续，不存在奇点与多余拐点，曲率变化较小以及应变能较小等特点。要保证构造出来的曲面既光顺又能满足一定的精度要求，就必须掌握一定的曲面造型技巧。

3.3.1 化整为零，各个击破

用一张曲面去描述一个复杂的家电产品外形是不切实际和不可行的，这样构造的曲面往往会不光顺，产生大的变形q这时可根据应用软件曲面造型方法，结合产品的外形情况，将其划分为多个区域来构造几张曲面，然后将其缝合，或用过渡面与其连结。当今的三维CAD系统中的曲面几乎都是定义在四边形域上。因此，在划分区域时，应尽量将各个子域定义在四边形域内，即每个子面片都具有四条边。而在某一边退化为点时构成三角形域，这样构造的曲面也不会在该点处产生大的变形。

3.3.2 建立光顺的曲面片控制线

曲面的品质与生成它的曲线即控制线有密切关系。因此，要保证光顺的曲面，必须有光顺的控制线。

曲线的品质主要考虑以下几点：①满足精度要求;②曲率主方向尽可能一致;③曲线曲率要大于将做圆角过渡的半径值。

在建立曲线时，利用投影、插补、光顺等手段生成样条曲线，然后通过其“曲率梳”的显示来调整曲线段函数次数、迭代次数、曲线段数量、起点及终点结束条件、样条刚度参数值等来交互式地实现曲线的修改达到其光滑的效果。有时通过线束或其它方式生成的曲面发生较大的波动，往往是因为构造样条曲线的U、V参数分布不均或段数参差不齐引起的。这时可通过将这些空间曲线进行参数一致性调整，或生成足够（视形状与精度而定）数目的曲线上的点，再通过这些点重新拟合曲线。在曲面片之间实现光滑连接时，首先要保证各连接面片间具有公共边，更重要一点是要保证各曲面片的控制线连接要光顺，这是保证面片连接光顺的必要条件。此时，可通过修改控制线的起点、终点约束条件，使其曲率或切矢在接点保证一致。

3.3.3 将轮廓线删繁就简再构造曲面

曲面轮廓往往是已经修剪过的，如果直接利用这些轮廓线来构造曲面，常常难以保证曲面的光顺性，所以造型时在满足零件的几何特点前提下，可利用延伸、投影等方法将3D轮廓线还原为2D轮廓线，并去掉细节部分，然后构造出“原始”曲面，再利用面的修剪方法获得曲面外轮廓。

3.3.4 从模具的角度考虑

产品三维造型的最终目的是制造。家电产品零件大都由模具生产出来。因此，在三维造型时，要从模具的角度去考虑，在确定产品出模方向后，应检查曲面能否出模，是否有倒扣现象（即拨模角为负角），如发现有倒扣现象，应对曲面的控制线进行修改，重构曲面。这一点往往被忽略，却是非常重要的。

3.3.5 曲面光顺评估

在构造曲面时，要随时检查所建曲面的状况，注意检查曲面是否光顺，是否扭曲，曲率变化情况等，以便及时修改。检查曲面光顺的方法可利用对构成的曲面进行渲染处理，即通过透视、透明度和多重光源等处理手段，产生高清晰度的逼真性和观察性良好的彩色图像，再根据处理后的图像光亮度的分布规律来判断出曲面的光顺度。图像明暗度变化比较均匀，则曲面光顺性好，如果图像在某区域的明暗度与其它区域相比变化较大，则曲面光顺性差。另外，可显示曲面上的等高斯曲率线，进而显示高斯曲率的彩色光栅图像，从等高斯曲率线的形状与分布、彩色光栅图像的明暗区域及变化，直观地了解曲面的光顺性情况。

4 结束语

家电产品的CAD三维造型设计关系到整个产品的外观性能等方面，是整个设计过程中的重中之重。而利用现代先进的UG技术，除了可以辅助设计者完成其设计构思，减轻劳动强度，提高效率和精度，改善视觉效果之外，而且还可以为后续的分析、模具设计、NC加工等奠定基础。要高质量地完成家电产品的造型，通常是经过数次的反复，综合利用各方面的知识和经验，并掌握一定的造型方法和技巧。本文所介绍的只是简单的曲面造型技巧，还需要相关人士努力钻研相关知识，在实际操作中，不断发现问题，总结经验，在实践中提高。

参考文献

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[3] 黄名海，宋华芬.UG平台下涡轮叶片曲面造型的一个处理技巧[J].现代制造工程，2007（1）：36-37.