楊家鵬 胡華麗 姜俊

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

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

0 引言

逆向設(shè)計方法是指基于產(chǎn)品實物的仿制與改型設(shè)計，或者是基于實物樣機模型的開發(fā)設(shè)計。利用三坐標掃描儀、三維照相機等專用設(shè)備，直接對實物樣機模型進行掃描或拍照，從而快速得到實物模型外形的圖像數(shù)據(jù)，將這些圖形數(shù)據(jù)利用CAD軟件按照一定的精度要求進行優(yōu)化及降噪處理后，用處理后的點云構(gòu)建線架和曲面，得出三維數(shù)字化的外形，并在此基礎(chǔ)上完成產(chǎn)品的詳細設(shè)計。逆向設(shè)計方法作為工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的一種新方式,已成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的主流形式。利用一些非專業(yè)的逆向設(shè)計軟件如UG、Pro/E等和一些專業(yè)的逆向設(shè)計軟件進行逆向造型是目前逆向工程在企業(yè)中的較廣泛應(yīng)用的實現(xiàn)方法?；谀嫦蛟O(shè)計方法在工業(yè)產(chǎn)品尤其是現(xiàn)代家電產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，本文以某小家電產(chǎn)品牛肉刀外殼設(shè)計為例說明利用UG軟件進行逆向設(shè)計的方法和應(yīng)用。

UG的逆向設(shè)計方法基本策略是遵照點—曲線—曲面的原則，即首先對掃描點云數(shù)據(jù)進行分析處理, 然后在構(gòu)造曲線的基礎(chǔ)上構(gòu)成曲面, 最后通過曲面拼接生成CAD數(shù)字模型。

1 點數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及處理

UG軟件有較好的曲面造型功能，但是不能處理大量數(shù)據(jù)點的點云，將三坐標測量機測量出來的點通過反求處理軟件Image Ware進行預(yù)處理后，利用UG的導(dǎo)入命令用IGES格式文件導(dǎo)入。導(dǎo)入的點用UG軟件進一步處理，進行補缺或精簡，包括刪除誤點和有明顯缺陷的點，根據(jù)需要添加點等。在UG中為了方便對點進行觀察和處理，采用基于邊的數(shù)據(jù)分塊技術(shù)，把點數(shù)據(jù)按照同方向的剖面點、分型線點分別放在不同的圖層中，并將點投影到選定的平面上。牛肉刀引入UG的點數(shù)據(jù)經(jīng)過投影和處理后如圖1所示。

圖1 經(jīng)過處理的點

2 曲線的重構(gòu)及光順

通過連點構(gòu)建曲線。在逆向設(shè)計中，常用的曲線有直線、圓弧、B樣條曲線。其中最常用的是B樣條曲線。B樣條曲線是用于幾何造型最重要也是最基本的工具之一，具有形狀局部可調(diào)及連續(xù)階數(shù)可調(diào)等特性，從而可以很好地解決局部控制問題，同時能在參數(shù)連續(xù)性的基礎(chǔ)上解決拼接問題。

結(jié)合牛肉刀實物的形狀和特征要預(yù)先大致確定構(gòu)面的方法，從而確定需要連哪些線條,對有圓角、倒角、翻邊的地方如無特殊要求先忽略,做成直角,做完曲面后再進行處理。

牛肉刀設(shè)計所用的曲線大部份采用了B樣條曲線。曲線重構(gòu)是使用UG中的“通過點方式”的方法構(gòu)建樣條曲線，這樣能使建立的B樣條曲線可精確地通過選定的每一定義點。其連線的基本原則是選點間隔盡量均勻，用閉合和成鏈選項。生成的曲線要檢查并調(diào)整其連接的連續(xù)性和曲率的連續(xù)性，尤其是產(chǎn)品的分型線通常是產(chǎn)品的裝配結(jié)合線，要盡量做到減少誤差和光順。

在用通過點方式生成樣條曲線時，因為測量誤差及樣件表面不光滑等原因，會造成重構(gòu)的樣條曲線曲率半徑變化不均勻，有些地方曲率半徑還存在突變。曲線的光順對曲面重構(gòu)的質(zhì)量會造成非常大的影響，因此曲線必須經(jīng)過調(diào)整，使其光順。調(diào)整方法可使用基本曲線編輯命令，用Remove point（移除點）、add point（添加點）或用Edit spline（編輯樣條曲線），Edit pole（編輯極點）、Fit（擬合）、改變斜率等進行調(diào)整。但無論用什么命令調(diào)整都會產(chǎn)生偏差，調(diào)整次數(shù)越多，累積誤差就會越大，本案設(shè)計誤差允許值為0.05。在調(diào)整曲線的同時可打開曲率梳進行分析。經(jīng)過調(diào)整光順后得出重構(gòu)的牛肉刀主體曲線如圖2所示。

圖2 重構(gòu)的曲線

3 主體曲面的重構(gòu)及光順

曲面重構(gòu)是逆向設(shè)計中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，目的是得到滿足精度和光順性要求且與相鄰曲面光滑拼接的曲面模型。其曲面質(zhì)量決定三維CAD數(shù)字模型的建立是否成功。

根據(jù)重構(gòu)的曲線，使用UG的曲面設(shè)計方法對物體表面的特征曲面進行重構(gòu)。根據(jù)牛肉刀的具體形狀確定主要采用以B 樣條為基礎(chǔ)的四邊域曲面構(gòu)造方法，該方法可設(shè)計復(fù)雜的自由線、曲面, 又可精確表示圓錐曲線、曲面，具有豐富的計算工具，易于實現(xiàn)節(jié)點的分割、升階、插入和刪除等操作，并便于和其他的CAD 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

在設(shè)計牛肉刀外殼主體表面時，根據(jù)形狀特點，把主體曲面分三個區(qū)域，前后端頭部曲面及中部曲面，重構(gòu)時均采用網(wǎng)格曲面。因為網(wǎng)格面能很好地保證重構(gòu)的曲面邊界曲率的連續(xù)性，控制四周邊界的曲率。在設(shè)計中使用UG軟件中的通過曲線網(wǎng)格（Though curve mesh）的曲面造型功能來生成各個特征曲面，選擇兩組曲線來構(gòu)建曲面，其中一組曲線為導(dǎo)引線，另一組為截面線。利用底面邊緣和脊線創(chuàng)建拉伸面與網(wǎng)格面相切，對網(wǎng)格面邊界的曲率進行約束。使生成的網(wǎng)格面與四圍邊界曲面相切，這樣就才能保證得到較高的曲面質(zhì)量。然后將重構(gòu)的曲面縫合成一個整體的復(fù)合曲面。經(jīng)過光順重構(gòu)的牛肉刀主體曲面如圖3所示。

圖3 重構(gòu)的主體曲面

4 曲面質(zhì)量分析

曲面質(zhì)量分析包括曲面精度和品質(zhì)分析。利用UG軟件提供的曲面分析功能，使用反射高光分析，檢查所生成曲面的質(zhì)量，觀察其中的斑馬線，特別是前后兩端的這兩個區(qū)域的曲面。如果曲面質(zhì)量不好，在局部地方的斑馬線會有扭曲和波紋。對牛肉刀前端區(qū)域的曲面的斑馬線進行分析，發(fā)現(xiàn)有扭曲。這樣需要對這個區(qū)域的曲面進行修改，修改的方法是先用矩形邊界修剪，然后用網(wǎng)格面進行修補。修改和光順后再對整個曲面的斑馬線進行分析，檢查曲面的光順度。分析斑馬線的結(jié)果，修改后的曲面達到切線連續(xù)性的要求，如圖4所示。

圖4 曲面斑馬線

5 曲面拼接及構(gòu)建立體

當各特征曲面創(chuàng)建完成后，用過渡曲面將重構(gòu)的各特征曲面連接起來。使用裁剪、偏置、縫合、延伸、增厚等曲面編輯功能將各光滑曲面拼接或縫合成整體的復(fù)合曲面，構(gòu)建出實體模型。一般當模型比較簡單且表面曲面質(zhì)量較好時，用縫合增厚、或偏置等命令即可構(gòu)建實體。

如果曲面質(zhì)量品質(zhì)不好，比如兩張曲面間隙誤差太大，縫合后構(gòu)建不出三維立體模型，這時要仔細分析其原因，對于精度要求高的實物我們需再對點云進行提取，對曲面進行修改，用修剪、補面、提取并變成B曲面等各種編輯曲面的方法進行編輯和修改，修改后再進行縫合。對于精度要求不是很高的實物則可以通過增大縫合公差進行縫合。

牛肉刀的底面采用有界平面構(gòu)建。當所有的曲面特征都重構(gòu)完成后，用縫合命令縫合生成牛肉刀的三維實體模型。手柄的設(shè)計采用網(wǎng)格面，并和主體進行布爾差運算。利用藝術(shù)曲面、修剪、鏡像、圓角、抽殼等設(shè)計方法對三維實體的細節(jié)部份進行優(yōu)化，最后完成牛肉刀的最終設(shè)計，生成的三維CAD模型如圖5所示。

圖5 牛肉刀的三維CAD模型

6 結(jié)束語

從實物樣件獲取產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)的技術(shù)，已發(fā)展成CAD、CAM中的一個相對獨立的范疇，通過逆向工程復(fù)現(xiàn)實物的CAD模型，使得以實物為制造基礎(chǔ)的產(chǎn)品在設(shè)計與制造過程中，能充分利用CAD、CAM等先進的技術(shù)。由于逆向工程的實施能在很短的時間內(nèi)準確、可靠地復(fù)制實物樣件,因此逆向工程成為當前企業(yè)先進制造技術(shù)的熱點之一。利用UG軟件通過一系列的操作將實物建立成三維CAD模型，這種產(chǎn)品的逆向設(shè)計方法能縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低成本及提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過一些常用的三維CAD軟件對實物進行反求造型尤其在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)中是這些軟件應(yīng)用的一個趨勢，目前已被越來越多應(yīng)用于企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計中。

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