UG 软件在逆向工程中的应用与技巧

UG 软件在逆向工程中的应用与技巧

一、前言 Sample TextSample TextSample Text

传统的产品设计一般都是“从无到有”的过程，设计人员首先构思产品的外形、性能以及大致的技术参数等，再利用 CAD 建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，这样的过程可称为“正向设计”。而逆向工程则是一个“从有到无”的过程，就是根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型。

逆向工程的专业软件有 Surfacer 、 ICEM 、 CopyCAD 和 RapidForm 等，这些软件非常适合处理大量扫描 的点云数据 。例如，对一个小车的外型进行激光扫描，大约可以得到 30 万个测量点，通过专业的 Surfacer 软件建构而得到数字模型，达到了预期的效果。同时，我们也对 UG 在逆向工程中的应用进行了探索，在过程中得到了一些经验，下面详细介绍如下。

二、数据点的输入

用 UG 软件做逆向工程，使用的测量设备大多都是接触式手动三坐标划线机，主要针对剖面、轮廓和特征线进行测量，测量的数据点不是很多， UG 处理起来也比较容易。

但是本文的车模型用激光扫描测到的数据点多达 30 万个，这么多的数据点输入 UG 是很困难的，因此我们在 Surfacer 软件里 对点云 数据进行了除噪、稀疏等预处理。而为了准确地保持原来的特征点和轮廓点，我们大体构造了轮廓线和特征线， 和点云数据 一起导入 UG 中.

三、通过点构造曲线

1. 在连线过程中，一般 是先连特征 线点，后连剖面点。在连线前应有合理的规划，根据此车的形状和特征确定如何分面，以便确定哪些点应该连接，并对以后的 构面方法 做到心中有数，连线的误差一般控制在 0.4mm 以下。

2. 常用到的是直线、圆弧和样条线（ spline ），其中最常用的是样条线。一般选用“ through point ” 方式，阶次最好为 3 阶，因为阶次越高，柔软性越差，即变形困难，且后续处理速度慢，数据交换困难。

3. 因测量时有误差以及模型外表面不光滑等原因，连成的样条线 不 光顺时还需要进行调整，否则构造出的曲面也不光滑。调整时常用的一种方法是 Edit Spline ，一般常用 Edit pole 选项，包括移动、添加控制点以及控制极点沿某个方向移动，方便对样条进行编辑，此外，曲线的断开（ divide ）、桥接（ bridge ）和光顺曲线（ Smooth spline ）也经常用到。

总之，在生成面之前需要做大量的 调线工作，调线 时可以使用 曲率梳对其 进行分析，以保证曲线的质量.

四、构造曲面

因为车身要求有流畅的外形、光顺的外表面，因此在构造曲面的时候，要分成若干曲面进行，尤其要保证面和面之间能够相切连续或曲率连续，这样才能形成一个没有接痕的曲面。另外，构造曲面时，还要根据具体情况选择合适的构造方法。

1. 构造曲面的方法

(1) 最常用的构造方法是 Though Curve Mesh ，不仅可以保证曲面边界曲率的连续性，还可以控制四周边界曲率（相切），而 Though curves 只能保证两边曲率。

(2) 使用较多的还有 nxn 命令，可以动态显示正在创建的曲面，还可以随时增、减定义曲线串，而曲面也将随之改变。同样，还可以保持与相邻面的 G0 、 G1 以及 G2 连续。

(3) 在构造曲面时，经常会遇到三边曲面 和五边曲面 。一般做条曲线，把三边曲面转化为四边曲面，或将边界线延伸， 把五边曲面 转化成四边曲面，用以重构曲面。其中，在曲面上，做样条线（ curve on surface ）和修剪（ trim ）是常用到的两个命令.

(4) 构造完外表面 ，要进行镜像处理。在曲面的中心处常会出现凸起，显得曲面 不 光顺，一般都是把曲面的中心处剪切掉，然后通过桥接使之平滑。

(5) 构造曲面时，两个面之间往往有“折痕”，曲面很不光顺，主要是因为两个面相切不连续造成的。解决这个问题，可以通过 Though curve mesh 设置边界相切连续选项，还可以在构造曲面后选择 match edge （ NX3 ）选项，可以使两个曲面的边界相匹配，从而使曲率连续。另外，即使两个曲面不相接， match edge 命令也可以将一个曲面的边界自动延伸并重合至另一个曲面的边界。

(6) 在构造单张且较为平坦的曲面时，直接用 点云构面 （ from point cloud ）将会更方便、更准确。有时面之间的空隙需要桥接（ Bridge ），以保证曲面光滑过渡。当 曲面求交时 ，进行圆角处理也会使两曲面圆滑过渡。

2. 构造曲面应注意的几个问题

(1) 构面 最 关键的是抓住样件特征，还需要简洁，曲面面积尽量大，而张数不要太多。另外，还要合理分面以提高建模效率。

(2) 在构建曲面过程中，有时需要再加连一些线条，以便构造曲面，连线和 构面 需要经常交替进行。曲面建成后，要检查曲面的误差，一般测量点到面的误差，误差不要超过 1mm 。

(3) 构造曲面阶次要尽量小，一般推荐为 3 阶。因为，高阶次的 片体使 其与其他 CAD 系统间成功交换数据的可能性减少，其他 CAD 系统也可能不支持高阶次的曲面。阶次高， 则片体比较 “刚硬”，曲面偏离极点较远，在极点编辑曲面时很不方便。另外， 阶次低还有利于 增加一些圆角、斜度和增厚等特征，有利于下一步编程加工，提高后续生成数控 加工刀轨的 速度。

五、构造实体

构建完外表面后，需要构建实体数字模型。如果模型较简单且曲率变化不大时，把它们缝合成一个整体，再使用增厚指令就可建立实体，但在大多数情况下却不可能实现，对本文中的模型更是如此。

如果把外表面缝合成一个整体，再把车底补 面成为 一个封闭 的片体 ，从而成为一个实体，但由于车底部曲面的曲率变化比较大，往往实现 不了抽壳命令 。因此，首先需要先偏置外表面的 各个片体 ，再构建出内、外表面的横截面，最后 把做出 的横截面和内、外表面缝合起来，使之成为封闭 的片体 ，从而自动转化为实体，此过程一般包括以下四个方面。

1. 曲面的偏值  

不是任何曲面都能够 实现偏值 ，不能实现 偏值一般 有以下几种原因：

(1) 由于曲面本身曲率太大，基本曲面有法线突变的情况；

(2) 偏值距离 太大而 造成偏值后 自相交， 导致偏值失败 （本文中把小车片体统一偏值 2 毫米）；

(3) 被偏值 曲面的品质不好，局部有波纹，只能修改好曲面后再 进行偏值 ；
(4) 还有一些曲面看起来很好，但就是 不能偏值 ，遇到这种情况可用 Extract Geometry 转化成 B 曲面后再 进行偏值 。

以上四种情况在构造曲面时都可能遇到，要学会分析其原因。

2. 曲面的缝合

偏值后 的曲面还需要裁剪或者补面，用各种曲面编辑手段构建内表面，然后缝合内表面和外表面。缝合时，经常会缝合失败，一般有下列几种可能。

(1) 缝合时，缝合 的偏体太多 。应该每次只缝合少数 几个片体 ，需要多次缝合。

(2) 缝合公差小于两个被缝合曲面相邻 边之间 的距离。遇到此类问题，一般是加大缝合公差后，再进行缝合。

(3) 两个表面延伸后不能交汇，边缘形状不匹配。如果 片体不是 B 曲面，则需要先 将片体 转化为 B 曲面，使之与对应的另一片体的边匹配，再进行缝合。

(4) 边缘上有难以察觉的微小畸形或其他几何缺陷。可局部放大，进行表面分析检查几何缺陷，如果确实存在几何缺陷， 则修改 或 重建片体后 重新缝合。

3. 缝合的有效性

最后需要注意的是，虽然执行了缝合命令，计算机也没有给出错误提示，看似缝合成功，其实未必。有 的片体在 缝合完成后，放大时会看到有 亮显点或亮显线 ，甚至还有空隙。因此，在缝合完成后，一定要立即检查缝合的有效性。若在缝合线上出现了 亮显点或亮显线 ，就意味着此部位没有缝合成功，必须取消缝合操作，重新进行缝合，否则将给后续的实体建模工作带来困难，但如果 仅外周边亮显 ，则说明缝合成功.

4. 生成实体

把内、外表面和横截面缝合成一个闭合的 片体，则片体 将自动转化为实体.

六、小结

总之，用 UG软件做逆向设计是比较耗时的，而且 在点云的 处理和 构建片体方面 ，都不如专业逆向软件（如 Surfacer 、 Rapidform 等）方便。但是，UG做逆向设计的一些思想和方法，比如 如何构线和构面 、如何根据产品特征进行规划以及分割产品等，对使用专业逆向软件做逆向设计也会有所帮助，实际上，这也是做好逆向设计的关键。

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