逆向造型的一般方法和技巧

青华工作室

       在产品开发及制造过程中，几何造型技术已得到广泛应用。但是，由于种种原因，仍有许多产品并非由CAD模型描述，设计和制造者面对的仍是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将这些实物转化为CAD模型，使之能利用CAD/CAM等先进技术进行处理。目前，与这种从实物样件获取产品教学模型技术相关的技术，已发展成为CAD/CAM中的一个相对独立的范畴，称为“反求工程（Reverse Engineering）”。通过反求工程实现实物的CAD模型，使得那些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造的过程中充分利用CAD/CAM等先进技术。由于反求工程的实施能在很短的时间内准确、可靠的复制实物样件，因此反求工程成为当前企业先进制造技术的热门课题之一。利用一些非专业的逆向设计软件（如：ug、Pro/E、Catia等）和一些专业的逆向设计软件（如：Surfacer、Imageware、CopyCAD、Trace等）进行逆向造型是现阶段反求工程在企业应用的典型例子。
4 g1 p' F( T; }! O       由于公司新产品开发需要，笔者在实际工作中常常利用NX软件进行零件反求，在外形复杂汽车冲压件的逆向造型设计中取得良好的应用效果。选择测量设备是英国LK公司的三坐标测量机，可以用来测量特征的空间坐标、扫描剖面、测量分型线以及轮廓线。此设备获得点的数据量不像激光扫描仪扫描的那么大，所以用一些非专业的逆向设计软件是很合适的。 UG的逆向造型遵循：点→线→面→体的一般原则。以下以NX软件为例来探讨UG逆向造型的一般方法和技巧。
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% T. C' L) ], |% u3 P9 r5 q6 q6 ?        一、测点  
       测点之前做好打点规划。由设计人员提出曲面打点要求。一般原则是在曲率变化比较大的地方打点密一些，平滑的地方则相对少一些。由于一般的三坐标测量机取点的效率低于激光扫描仪，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方便。

       二、连线
       1.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UG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。
( U* l7 ^  F! d: K5 |       2.点连线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。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。
3 n/ e% w! p8 j! k  K- u) y9 G       3.曲线调整因测量有误差及样件表面不光滑等原因，连成spline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Edit 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移动、往某个方向移动、是粗调还是细调以及打开显示spline的“梳子” 开关等。另外，调整spline经常还要用到移动spline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。

       三、构面
       运用各种构面方法建立曲面，包括Though Curve Mesh、Though Curves、Rule、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。笔者最常用的是Though 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。
  `. L* Z9 r  D/ ]2 P8 C9 s       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。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。
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/ P% ]: I* v, y       四、构体
3 D# v. D" X- ^: }, p       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（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。

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受教了
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