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UG逆向造型一般步骤和技巧

  【编者按】本文主要介绍在逆向工程中如何用UG做逆向设计。一般是先输入测得的数据点云,根据数据点连线,然后构建曲面。最后又介绍了把片体构造为实体的过程和方法。


  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。

  初学逆向造型的时候,两个面之间往往有折痕,这主要是由这两个面不相切所致。解决这个问题可以通过调整参与构面(Though curve mesh)曲线的端点与另一个面中的对应曲线相切,再加上Though curve mesh边界相切选项即可解决。只有曲线相切才能保证曲面相切。另外,有时候做一个单张且比较平坦的曲面时,直接用点云构面(from point cloud)更方便。但是对那些曲率半径变化大的曲面则不适用,构造面时误差较大。有时面与面之间的空隙要桥接(Bridge),以保证曲面光滑过渡。在构建曲面的过程中,有时还要再加连一些线条,用于构面。连线和构面经常要交替进行。曲面建成后,要检查曲面的误差,一般测量点到面的误差,对外观要求较高的曲面还要检查表面的光顺度。当一张曲面不光顺时,可求此曲面的一些Section,调整这些Section使其光顺,再利用这些Section重新构面,效果会好些,这是常用的一种方法。

  一、数据点的输入

  1 点测量

  测点之前规划好该怎么打点。由设计人员提出曲面打点的要求。一般原则是在曲率变化比较大的地方打点要密一些,平滑的地方则可以稀一些。由于一般的三坐标测量机取点的效率大大低于激光扫描仪,所以在零件测点时要做到有的放矢。值得注意的是除了扫描剖面、测分型线外,测轮廓线等特征线也是必要的,它会在构面的时候带来方便。

  2 点整理

  连线之前先整理好点,包括去误点、明显缺陷点。同方向的剖面点放在同一层里,分型线点、孔位点单独放一层,轮廓线点也单独放一层,便于管理。通常这个工作在测点阶段完成,也可以在软件中完成。一般测量软件可以预先设定点的安放层,一边测点,一边整理。连分型线点尽量做到误差最小并且光顺。因为在许多情况下分型线是产品的装配结合线。对汽车、摩托车中一般的零件来说,连线的误差一般控制在0.5mm以下。

  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。

  二、通过点构造曲线

  连线要做到有的放矢,根据样品的形状、特征大致确定构面方法,从而确定需要连哪些线条,不必连哪些线条。连线可用直线、圆弧、样条线(spline)。最常用的是样条线,选用 “through point”方式。选点间隔尽量均匀,有圆角的地方先忽略,做成尖角,做完曲面后再倒圆角。因测量有误差及样件表面不光滑等原因,连成的曲率半径变化往往存在突变,对以后的构面的光顺性有影响。因此曲线必须经过调整,使其光顺。调整中最常用的一种方法是Spline选Edit pole选项,利用鼠标拖动控制点。这里有许多选项,如限制控制点在某个平面内开关等。另外,调整经常还要用到移动的一个端点到另一个点,使构建曲面的曲线有交点。但必须注意的是,无论用什么命令调整曲线都会产生偏差,调整次数越多,累积误差越大。误差允许值视样件的具体要求决定。

  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。

  三、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。

  运用各种构面方法建立曲面,包括Though Curve Mesh Though Curves Swept From point cloud等。构面方法的选择要根据样件的具体特征情况而定。 最常用的是Curve Mesh将调整好的曲线用此命令编织成曲面。Though curve mesh构面的优点是可以保证曲面边界曲率的连续性,因为Though curve mesh可以控制四周边界曲率(相切),因而构面的质量更高。而Though curves只能保证两边曲率,在构面时误差也大。假如两曲面交线要倒圆角,因Though curve mesh的边界就是两曲面的交线,显然这条线要比两个Though Curves曲面的交线光顺,这样Blend出来的圆角质量是不一样的。

  构面还要注意简洁。面要尽量做得大,张数少,不要太碎,这样有利于后面增加一些圆角、斜度、增厚等特征,而且也有利于下一步编程加工,刀路的计算量会减少, NC文件也小。四、构体 当外表面完成后,下一步就要构建实体模型。当模型比较简单且所做的外表面质量比较好时,用缝合增厚指令就可建立实体。但大多数情况却不能增厚,所以只能采用偏置(Offset)外表面。用Offset指令可同时选多个面或用窗口全选,这样会提高效率。对于那些无法偏置的曲面,要学会分析原因。一种可能是由于曲面本身曲率太大,偏置后会自相交,导致Offset失败(有些软件的算法与此算法不同,如犀牛王就可Offset那些会产生自相交的曲面),如小圆角;另一种可能是被偏置曲面的品质不好,局部有波纹,这种情况只能修改好曲面后再Offset<;还有一些曲面看起来光顺性很好,但就是不能Offset,遇到这种情况可用Extract Geometry成B曲面后,再Offset,基本会成功。偏置后的曲面有的需要裁剪,有的需要补面,用各种曲面编辑手段完成内表面的构建,然后缝合内外表面成一实体(solid)。最后再进行产品结构设计,如加强筋、安装孔等。

  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。


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