安金亮，李疆，楊秋萍

（貴陽(yáng)學(xué)院數(shù)控技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550005）

基于UG創(chuàng)意塑形的逆向設(shè)計(jì)研究

安金亮，李疆，楊秋萍

（貴陽(yáng)學(xué)院數(shù)控技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550005）

研究了UG創(chuàng)意塑形對(duì)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的方法與應(yīng)用。分析了基于UG創(chuàng)意塑形“圖片、模型”逆向設(shè)計(jì)的方法與傳統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)方法的不同。研究得出，創(chuàng)意塑形的方法具有更好的實(shí)用性，其操作簡(jiǎn)單，面的控制柔性更好，易于繪制高級(jí)曲面；面的控制方法直接，各個(gè)建模模塊間兼容性好，更新直觀，交互性好，易于設(shè)計(jì)交流，縮短設(shè)計(jì)周期。眾多的優(yōu)越性使其在高級(jí)建模與工業(yè)設(shè)計(jì)中得到了廣泛使用。

創(chuàng)意塑形；細(xì)分建模；逆向設(shè)計(jì)；曲面設(shè)計(jì)

UG NX是一種提供數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)與制造解決方案的CAD/CAM/CAE/CAPP軟件，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造行業(yè)。隨著數(shù)控加工技術(shù)的提升，以及3D打印技術(shù)的大范圍使用，曲面建模、逆向設(shè)計(jì)等高級(jí)建模方法使用越來(lái)越多，但傳統(tǒng)高級(jí)建模的方法對(duì)設(shè)計(jì)者要求普遍較高。較新的UG軟件版本中提供了較為簡(jiǎn)單的曲面建模新方式——?jiǎng)?chuàng)意塑形。此建模方法是UG NX9.0才新加入的模塊，在UG NX10.0和UG NX11.0得到了成熟使用。創(chuàng)意塑形是一種細(xì)分建模的思想，通過(guò)將基本體素進(jìn)行“拆分面、拉伸、變換”等操作進(jìn)行造型。其多個(gè)自由度的控制手柄直觀地對(duì)控制體素外觀的框架（框架點(diǎn)、框架線、框架面）進(jìn)行位置的操作，繼而控制體的形態(tài)，如圖1和圖2所示。

圖1 創(chuàng)意塑形模塊

圖2 變換控制手柄

此建模方法能夠輕松創(chuàng)建通過(guò)傳統(tǒng)方法難以創(chuàng)造的形狀，其命令交互簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的命令工具來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，編輯模型特征更強(qiáng)，模型更改軟件更新迅速，能夠提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，廣泛應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)的正逆向設(shè)計(jì)中，本文重點(diǎn)研究了創(chuàng)意塑形在逆向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

逆向設(shè)計(jì)是一種目標(biāo)產(chǎn)品再現(xiàn)的過(guò)程，對(duì)一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行逆向的分析與研究，并設(shè)計(jì)出其產(chǎn)品或?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化的再設(shè)計(jì)。在外觀造型的逆向設(shè)計(jì)中，一般是通過(guò)可進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的軟件，按照“點(diǎn)→線→面→體”的過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。但這一過(guò)程對(duì)點(diǎn)云、曲線、曲面的基準(zhǔn)選擇、曲線控制、曲面控制難度均較大，曲面之間的縫合、連接等容易出錯(cuò)。在模型沒(méi)有繪制完成之前，模型外形的準(zhǔn)確度判斷不夠直接，不能直觀得出是否滿足目標(biāo)要求，不利于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間以及客戶之間的交流。對(duì)設(shè)計(jì)人員的軟件水平要求也較高，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。為了尋求易操作并快速逆向造型，研究了基于UG軟件中創(chuàng)意塑形的逆向設(shè)計(jì)方法。

1 基于圖片的逆向設(shè)計(jì)

圖3 圖片逆向設(shè)計(jì)過(guò)程

傳統(tǒng)的逆向造型設(shè)計(jì)方法包含2種，即圖片逆向、點(diǎn)云逆向，2種方法都需要建立曲線、曲面。創(chuàng)意塑形的逆向設(shè)計(jì)也包含了2種方法，即基于圖片的逆向、基于目標(biāo)模型的逆向。其中，圖片逆向過(guò)程為：基準(zhǔn)圖片導(dǎo)入→體素調(diào)入→細(xì)分體（拉伸、變換、拆分體等）→面質(zhì)量分析（面分析、反射、曲率等）→優(yōu)化特征（利用其他模塊協(xié)同建模，優(yōu)化細(xì)部特征）→產(chǎn)品，具體如圖3所示。

1.1 基準(zhǔn)圖片導(dǎo)入

在一般建模模塊基準(zhǔn)下導(dǎo)入光柵圖像，并在導(dǎo)入設(shè)置中設(shè)置好大小與位置。較復(fù)雜的產(chǎn)品圖片需要導(dǎo)入三視圖或更多視圖的圖片，UG軟件支持的圖片格式主要為jpg、png、tiff等。圖片在導(dǎo)入之前可用圖片處理軟件修剪設(shè)置，不要留過(guò)多的空白邊界或其他雜亂圖形。

1.2 基本體素調(diào)入

在創(chuàng)意塑形模塊中調(diào)入基本體素，基本體素有實(shí)體類、面類、框架線。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可通過(guò)分部位進(jìn)行多次調(diào)入基本體素來(lái)變得更加簡(jiǎn)單。將多個(gè)基本體素特征放在一個(gè)一個(gè)細(xì)分體里面，易出現(xiàn)大量框架重疊，導(dǎo)致選擇框特征出現(xiàn)多選、選錯(cuò)的情況。

1.3 細(xì)分體

細(xì)分體是一個(gè)反復(fù)細(xì)化、修改、調(diào)整的過(guò)程，常用的方法有“拉伸、變換、拆分面、對(duì)稱建模等”。在圖片逆向中是以圖片為基準(zhǔn)，通過(guò)人的思考判斷來(lái)確定形狀，尤其拆分面的過(guò)程中不能盲目拆分，外形的控制框架越多越難以實(shí)現(xiàn)面的控制，力求以較少的框架來(lái)拉伸變換出目標(biāo)產(chǎn)品模型。

1.4 面質(zhì)量分析

在曲面質(zhì)量分析中，常用面分析、面曲率、面反射等方法來(lái)分析面的質(zhì)量情況。在“渲染樣式”模塊中的“面分析”，可以創(chuàng)建一些分析類型的顯示，包括著色圖、彩色編碼圖、面網(wǎng)格點(diǎn)上的彩色編碼脊線和面反射。面分析顯示對(duì)于檢測(cè)面上的拐點(diǎn)、變化和缺陷非常有用。“反射”主要是創(chuàng)建特殊環(huán)境來(lái)評(píng)估其美觀質(zhì)量，如圖4所示。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，UG創(chuàng)意塑形中很容易實(shí)現(xiàn)G1、G2以上高階曲面的繪制。而傳統(tǒng)的高階曲面繪制很難，曲率的調(diào)整、數(shù)據(jù)修改后線轉(zhuǎn)換成曲面，面轉(zhuǎn)換成體更新都比較慢。

圖4 反射分析

1.5 優(yōu)化細(xì)部特征

在一個(gè)產(chǎn)品中，往往會(huì)有復(fù)雜的高級(jí)曲面，還會(huì)有簡(jiǎn)單的平面基本體，比如凸臺(tái)、孔、螺紋等，這些特征一般也會(huì)有精確的尺寸參數(shù)。這種情況下，需要在基本建模的環(huán)境下繪制，UG軟件提供了交協(xié)同、混合（全參數(shù)、無(wú)參數(shù)、全參數(shù)與無(wú)參數(shù)）建模的方式，能夠在多個(gè)模塊之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，滿足了精美外觀的同時(shí)，保證了產(chǎn)品的精確尺寸設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的產(chǎn)品模型達(dá)到了逆向設(shè)計(jì)要求，可用快速制造的方法（3D打印）得到實(shí)物樣品，可根據(jù)實(shí)物來(lái)進(jìn)行優(yōu)化修改或創(chuàng)新再設(shè)計(jì)，最后通過(guò)適合的制造方法生產(chǎn)、推廣。

2 基于模型的逆向設(shè)計(jì)

基于模型的逆向設(shè)計(jì)方法是以模型為基準(zhǔn)的，通過(guò)直觀判斷模型外觀，不斷變換縮小與目標(biāo)模型的差距來(lái)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，是一種新的逆向設(shè)計(jì)方法。一般過(guò)程為：模型獲取→基本體素調(diào)入→細(xì)分體（拉伸、變換、拆分體等）→面質(zhì)量分析（面分析、反射、曲率等）→優(yōu)化特征（與其他模塊協(xié)同建模，優(yōu)化細(xì)部特征）→目標(biāo)產(chǎn)品模型。這一過(guò)程基本與圖片逆向一樣，只是其中的參考基準(zhǔn)為一個(gè)三維數(shù)字模型，與以往的圖片、點(diǎn)云相比更為直觀。使得在設(shè)計(jì)過(guò)程中模型變換、人機(jī)交互更為直接。其中，“模型獲取”因目標(biāo)基準(zhǔn)模型需要導(dǎo)入軟件，因此，模型基本是通過(guò)掃描已有的實(shí)物模型獲得。為了保證好兼容性與精確性，掃描文件一般保留為精度較高的stl格式模型較好?！盎倔w素導(dǎo)入”和圖片逆向設(shè)計(jì)中的方法一致，按結(jié)構(gòu)劃分部位，分多次多個(gè)導(dǎo)入基本體素。此方法設(shè)計(jì)更容易，避免了框架重疊交叉。如果用一個(gè)體素的框架來(lái)控制形狀，因框架太多，會(huì)加大選擇框架、控制框架的難度。細(xì)分完成后可同樣采用“面分析、面曲率、反射”等方法對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行面的質(zhì)量分析，如圖5所示。通過(guò)分析結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行再次優(yōu)化后便可以進(jìn)行試制，具體如圖6所示。

圖5 基于模型的逆向設(shè)計(jì)過(guò)程

圖6 曲面質(zhì)量分析

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于創(chuàng)意塑形的2種逆向設(shè)計(jì)方法的分析，得出創(chuàng)意塑形的逆向設(shè)計(jì)方法相比于傳統(tǒng)的逆向設(shè)計(jì)方法，在操作上更加簡(jiǎn)單易控制，交互性更好；在曲面質(zhì)量上，能減少壞面的發(fā)生，能輕松創(chuàng)建傳統(tǒng)建模難以完成的高級(jí)曲面；在設(shè)計(jì)模型與目標(biāo)產(chǎn)品模型的對(duì)比上更加直接，編輯、修改模型更新快。諸多的優(yōu)勢(shì)使得創(chuàng)意塑形在逆向設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì)中都能較大地縮短設(shè)計(jì)周期、提高效率，在高級(jí)曲面設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)中得到了廣泛使用。

［1］程少高、張穎、花爭(zhēng)立.UG軟件在逆向工程復(fù)雜曲面造型中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2011（05）.

［2］楊家鵬，胡華麗，姜俊.基于UG的產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的方法與應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010（10）.

［3］何永喜.UG曲面設(shè)計(jì)在逆向工程中的應(yīng)用［J］.遼寧經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（05）.

〔編輯：張思楠〕

TP391.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.122

2095－6835（2017）14－0122－03