一、前言

　　傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般都是“從無(wú)到有”的過(guò)程，設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能以及大致的技術(shù)參數(shù)等，再利用CAD建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期，這樣的過(guò)程可稱(chēng)為“正向設(shè)計(jì)”。而逆向工程則是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程，就是根據(jù)已有的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)圖紙和數(shù)字模型。

　　逆向工程的專(zhuān)業(yè)軟件有Surfacer、ICEM、CopyCAD和RapidForm等，這些軟件非常適合處理大量掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。例如，對(duì)一個(gè)小車(chē)的外型進(jìn)行激光掃描，大約可以得到30萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的Surfacer軟件建構(gòu)而得到數(shù)字模型，達(dá)到了預(yù)期的效果。同時(shí)，我們也對(duì)UG在逆向工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，在過(guò)程中得到了一些經(jīng)驗(yàn)，下面詳細(xì)介紹如下。

　　二、數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸入

　　用UG軟件做逆向工程，使用的測(cè)量設(shè)備大多都是接觸式手動(dòng)三坐標(biāo)劃線機(jī)，主要針對(duì)剖面、輪廓和特征線進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)不是很多，UG處理起來(lái)也比較容易。

　　但是本文的車(chē)模型用激光掃描測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)多達(dá)30萬(wàn)個(gè)，這么多的數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入U(xiǎn)G是很困難的，因此我們?cè)赟urfacer軟件里對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了除噪、稀疏等預(yù)處理。而為了準(zhǔn)確地保持原來(lái)的特征點(diǎn)和輪廓點(diǎn)，我們大體構(gòu)造了輪廓線和特征線，和點(diǎn)云數(shù)據(jù)一起導(dǎo)入U(xiǎn)G中，如圖1所示。

　　圖1 輸入數(shù)據(jù)

　　三、通過(guò)點(diǎn)構(gòu)造曲線

　　1.在連線過(guò)程中，一般是先連特征線點(diǎn)，后連剖面點(diǎn)。在連線前應(yīng)有合理的規(guī)劃，根據(jù)此車(chē)的形狀和特征確定如何分面，以便確定哪些點(diǎn)應(yīng)該連接，并對(duì)以后的構(gòu)面方法做到心中有數(shù)，連線的誤差一般控制在0.4mm以下。

　　2.常用到的是直線、圓弧和樣條線(spline)，其中最常用的是樣條線。一般選用“through point” 方式，階次最好為3階，因?yàn)殡A次越高，柔軟性越差，即變形困難，且后續(xù)處理速度慢，數(shù)據(jù)交換困難。

　　3.因測(cè)量時(shí)有誤差以及模型外表面不光滑等原因，連成的樣條線不光順時(shí)還需要進(jìn)行調(diào)整，否則構(gòu)造出的曲面也不光滑。調(diào)整時(shí)常用的一種方法是Edit Spline，一般常用Edit pole選項(xiàng)，包括移動(dòng)、添加控制點(diǎn)以及控制極點(diǎn)沿某個(gè)方向移動(dòng)，方便對(duì)樣條進(jìn)行編輯，此外，曲線的斷開(kāi)(divide)、橋接(bridge)和光順曲線(Smooth spline)也經(jīng)常用到。

　　總之，在生成面之前需要做大量的調(diào)線工作，調(diào)線時(shí)可以使用曲率梳對(duì)其進(jìn)行分析，以保證曲線的質(zhì)量，如圖2所示。

　　圖2 構(gòu)造的曲線

　　四、構(gòu)造曲面

　　因?yàn)檐?chē)身要求有流暢的外形、光順的外表面，因此在構(gòu)造曲面的時(shí)候，要分成若干曲面進(jìn)行，尤其要保證面和面之間能夠相切連續(xù)或曲率連續(xù)，這樣才能形成一個(gè)沒(méi)有接痕的曲面。另外，構(gòu)造曲面時(shí)，還要根據(jù)具體情況選擇合適的構(gòu)造方法。

　　1.構(gòu)造曲面的方法

　　(1)最常用的構(gòu)造方法是Though Curve Mesh，不僅可以保證曲面邊界曲率的連續(xù)性，還可以控制四周邊界曲率(相切)，而Though curves只能保證兩邊曲率。

　　(2)使用較多的還有nxn命令，可以動(dòng)態(tài)顯示正在創(chuàng)建的曲面，還可以隨時(shí)增、減定義曲線串，而曲面也將隨之改變。同樣，還可以保持與相鄰面的G0、G1以及G2連續(xù)。

　　(3)在構(gòu)造曲面時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到三邊曲面和五邊曲面。一般做條曲線，把三邊曲面轉(zhuǎn)化為四邊曲面，或?qū)⑦吔缇€延伸，把五邊曲面轉(zhuǎn)化成四邊曲面，用以重構(gòu)曲面。其中，在曲面上，做樣條線(curve on surface)和修剪(trim)是常用到的兩個(gè)命令，如圖3所示。

　　圖3 構(gòu)建的三角面

　　(4)構(gòu)造完外表面，要進(jìn)行鏡像處理。在曲面的中心處常會(huì)出現(xiàn)凸起，顯得曲面不光順，一般都是把曲面的中心處剪切掉，然后通過(guò)橋接使之平滑。

　　(5)構(gòu)造曲面時(shí)，兩個(gè)面之間往往有“折痕”，曲面很不光順，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)面相切不連續(xù)造成的。解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)Though curve mesh 設(shè)置邊界相切連續(xù)選項(xiàng)，還可以在構(gòu)造曲面后選擇match edge(NX3)選項(xiàng)，可以使兩個(gè)曲面的邊界相匹配，從而使曲率連續(xù)。另外，即使兩個(gè)曲面不相接，match edge命令也可以將一個(gè)曲面的邊界自動(dòng)延伸并重合至另一個(gè)曲面的邊界。

　　(6)在構(gòu)造單張且較為平坦的曲面時(shí)，直接用點(diǎn)云構(gòu)面(from point cloud)將會(huì)更方便、更準(zhǔn)確。有時(shí)面之間的空隙需要橋接(Bridge)，以保證曲面光滑過(guò)渡。當(dāng)曲面求交時(shí)，進(jìn)行圓角處理也會(huì)使兩曲面圓滑過(guò)渡。

　　2.構(gòu)造曲面應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

　　(1)構(gòu)面最關(guān)鍵的是抓住樣件特征，還需要簡(jiǎn)潔，曲面面積盡量大，而張數(shù)不要太多。另外，還要合理分面以提高建模效率。

　　(2)在構(gòu)建曲面過(guò)程中，有時(shí)需要再加連一些線條，以便構(gòu)造曲面，連線和構(gòu)面需要經(jīng)常交替進(jìn)行。曲面建成后，要檢查曲面的誤差，一般測(cè)量點(diǎn)到面的誤差，誤差不要超過(guò)1mm。

　　(3)構(gòu)造曲面階次要盡量小，一般推薦為3階。因?yàn)椋唠A次的片體使其與其他CAD系統(tǒng)間成功交換數(shù)據(jù)的可能性減少，其他CAD系統(tǒng)也可能不支持高階次的曲面。階次高，則片體比較“剛硬”，曲面偏離極點(diǎn)較遠(yuǎn)，在極點(diǎn)編輯曲面時(shí)很不方便。另外，階次低還有利于增加一些圓角、斜度和增厚等特征，有利于下一步編程加工，提高后續(xù)生成數(shù)控加工刀軌的速度。

　　五、構(gòu)造實(shí)體

　　構(gòu)建完外表面后，需要構(gòu)建實(shí)體數(shù)字模型。如果模型較簡(jiǎn)單且曲率變化不大時(shí)，把它們縫合成一個(gè)整體，再使用增厚指令就可建立實(shí)體，但在大多數(shù)情況下卻不可能實(shí)現(xiàn)，對(duì)本文中的模型更是如此。

　　如果把外表面縫合成一個(gè)整體，再把車(chē)底補(bǔ)面成為一個(gè)封閉的片體，從而成為一個(gè)實(shí)體，但由于車(chē)底部曲面的曲率變化比較大，往往實(shí)現(xiàn)不了抽殼命令。因此，首先需要先偏置外表面的各個(gè)片體，再構(gòu)建出內(nèi)、外表面的橫截面，最后把做出的橫截面和內(nèi)、外表面縫合起來(lái)，使之成為封閉的片體，從而自動(dòng)轉(zhuǎn)化為實(shí)體，此過(guò)程一般包括以下四個(gè)方面。

　　1.曲面的偏值

　　用Offset指令同時(shí)選多個(gè)面或全選以提高效率。小車(chē)外表面各個(gè)片體偏值的情況，如圖4所示。

　　圖4中的箭頭表示偏值的方向，如果箭頭反向，只要輸入負(fù)值即可。

　　不是任何曲面都能夠?qū)崿F(xiàn)偏值，不能實(shí)現(xiàn)偏值一般有以下幾種原因：

　　(1)由于曲面本身曲率太大，基本曲面有法線突變的情況;

　　(2)偏值距離太大而造成偏值后自相交，導(dǎo)致偏值失敗(本文中把小車(chē)片體統(tǒng)一偏值2毫米);

　　(3)被偏值曲面的品質(zhì)不好，局部有波紋，只能修改好曲面后再進(jìn)行偏值;

　　(4)還有一些曲面看起來(lái)很好，但就是不能偏值，遇到這種情況可用Extract Geometry轉(zhuǎn)化成B 曲面后再進(jìn)行偏值。

　　以上四種情況在構(gòu)造曲面時(shí)都可能遇到，要學(xué)會(huì)分析其原因。

　　2.曲面的縫合

　　偏值后的曲面還需要裁剪或者補(bǔ)面，用各種曲面編輯手段構(gòu)建內(nèi)表面，然后縫合內(nèi)表面和外表面。縫合時(shí)，經(jīng)常會(huì)縫合失敗，一般有下列幾種可能。

　　(1)縫合時(shí)，縫合的偏體太多。應(yīng)該每次只縫合少數(shù)幾個(gè)片體，需要多次縫合。

　　(2)縫合公差小于兩個(gè)被縫合曲面相鄰邊之間的距離。遇到此類(lèi)問(wèn)題，一般是加大縫合公差后，再進(jìn)行縫合。

　　(3)兩個(gè)表面延伸后不能交匯，邊緣形狀不匹配。如果片體不是B曲面，則需要先將片體轉(zhuǎn)化為B曲面，使之與對(duì)應(yīng)的另一片體的邊匹配，再進(jìn)行縫合。

　　(4)邊緣上有難以察覺(jué)的微小畸形或其他幾何缺陷。可局部放大，進(jìn)行表面分析檢查幾何缺陷，如果確實(shí)存在幾何缺陷，則修改或重建片體后重新縫合。

　　3.縫合的有效性

　　最后需要注意的是，雖然執(zhí)行了縫合命令，計(jì)算機(jī)也沒(méi)有給出錯(cuò)誤提示，看似縫合成功，其實(shí)未必。有的片體在縫合完成后，放大時(shí)會(huì)看到有亮顯點(diǎn)或亮顯線，甚至還有空隙。因此，在縫合完成后，一定要立即檢查縫合的有效性。若在縫合線上出現(xiàn)了亮顯點(diǎn)或亮顯線，就意味著此部位沒(méi)有縫合成功，必須取消縫合操作，重新進(jìn)行縫合，否則將給后續(xù)的實(shí)體建模工作帶來(lái)困難，但如果僅外周邊亮顯，則說(shuō)明縫合成功，如圖5所示。

　　圖5 內(nèi)外表面與橫截面的縫合

　　4.生成實(shí)體

　　把內(nèi)、外表面和橫截面縫合成一個(gè)閉合的片體，則片體將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為實(shí)體，如圖6所示。

　　圖6 實(shí)體

　　六、小結(jié)

　　總之，用UG軟件做逆向設(shè)計(jì)是比較耗時(shí)的，而且在點(diǎn)云的處理和構(gòu)建片體方面，都不如專(zhuān)業(yè)逆向軟件(如Surfacer、Rapidform等)方便。但是，UG做逆向設(shè)計(jì)的一些思想和方法，比如如何構(gòu)線和構(gòu)面、如何根據(jù)產(chǎn)品特征進(jìn)行規(guī)劃以及分割產(chǎn)品等，對(duì)使用專(zhuān)業(yè)逆向軟件做逆向設(shè)計(jì)也會(huì)有所幫助，實(shí)際上，這也是做好逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。