李瑞

[摘 ? ?要]UG系統(tǒng)為了解決產品工程的方案問題而誕生，為用戶的產品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段，作用于交通、航天航空、汽車等各個領域，深受業(yè)內人士好評。一般規(guī)則形狀的零件可以通過尋常的造型方法進行三維建模，但是對于不規(guī)則的復雜零件，則要采取特殊的技巧，所以就UG中曲面造型的技巧做出討論與分析。

[關鍵詞]UG;曲面造型;技巧

[中圖分類號]TP391.72 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–0–02

[Abstract]The UG system was born in order to solve the project problem of product engineering. It provides users with digital modeling and verification methods for product design and processing. It is used in various fields such as transportation， aerospace and automobile， and is well received by the industry. Generally， regular-shaped parts can be modeled in three dimensions by ordinary modeling methods， but for irregular and complex parts， special skills must be adopted， so the surface modeling skills in UG are discussed and analyzed.

[Keywords]UG; surface modeling; skills

UG是集CAD/CAM/CAE于一體的三維參數(shù)化設計的技術，被廣泛應用于汽車、交通、航天技術等多個領域，發(fā)揮著至關重要的作用。

對于傳統(tǒng)的一般造型的零件，只需要使用簡單快捷的試聽特征的造型方法進行三維建模設計，基本可以滿足客戶所需，滿足造型所需，但是，這種方法操作內容比較固定化，對于難度較高、比較復雜的零件就束手無策了，因此，曲面造型技術應運而生，為三維造型技術再添新瓦。

1 研究背景

隨著社會的進步，人們生活水平的不斷提高，對生活用品也逐漸開始追求盡善盡美，對于消費產品，人們的要求已經(jīng)不是基本功能的完善那么簡單了，在追求性能的同時，消費者們開始追求商品的外觀，外觀更高的商品擁有的價值也更高，為了商家的利益，使得相關設計在進行家電產品設計時除了追求性能上的不斷完善和提高，還得鉆研如何使商品的外觀看上去更加美觀，符合大多消費者的審美。追求自我的外形美觀，即代表外觀多為圓潤復雜的曲面結構，但是這一復雜圖紙就不是用簡單的紙畫設計圖或者機械制圖能表達出來的了。

隨著計算機技術和計算機圖形學的不斷發(fā)展，針對這一難題，三維集成化軟件也相繼誕生了，三維CAD/CAM/CAE集成化軟件被廣泛應用于制造業(yè)。然而，要快速高質量地完成一個家電產品的造型設計，必須根據(jù)家電產品的特點，總結出一套建模方法和技巧。這樣才能大大縮短設計周期，提高設計效率，滿足客戶對產品的各種特殊需求。

2 原理

CAD的三維模型分為三種：線框、曲面和實體。

在早期的CAD系統(tǒng)中，這三種造型一般是分開來分析建模的，但是當前的高級三維軟件，可以做到將三者有機結合起來，形成一個整體，在建立產品幾何模型時兼用線、面、體三種設計手段。而在進行產品造型之前，首先要深刻地了解造型方法，包括其特點以及相關參數(shù)等，在進行造型時才不至于手忙腳亂，不知所措。

線框造型可以生成、修改、處理二維和三維線框幾何體，可以生成點、直線、圓、二次曲線、樣條曲線等，又可以對這些基本線框元素進行修剪、延伸、分段、連接等處理，生成更復雜的曲線，線框造型的另一種方法是通過三維曲面的處理來進行，即利用曲面與曲面的求交，曲面的等參數(shù)線，曲面邊界線，曲線在曲面上的投影，曲面在某一方向的分模線等方法來生成復雜曲線。實際上，線框功能是進一步構造曲面和實體模型的基礎工具。在復雜的產品設計中，往往是先用線條勾畫出基本輪廓，即所謂“控制線”，然后逐步細化，在此基礎上構造出曲面和實體模型。

3 曲面造型技巧

3.1 了解產品，進行設計

在進行任何造型之前，都要對產品本身有一個深刻的了解，對產品進行分析，確定其結構的主要特征，然后根據(jù)結構確定合理的建模順序，雖然有些產品看起來很復雜，但是只要能正確地分析產品的結構特征，分清基本特征和構造特征，再從基本特征入手分析，設計建模，保證建模的重點，就可以產生一個合理的造型“基體”，或稱之為“毛坯”就到這里，設計才剛剛開始，要做的就是在這個“毛坯”上進行細節(jié)的設計，決定好建模的主次順序，之后的問題便都迎刃而解了。

圖紙造型過程可分為如下兩個階段。

（1）造型分析，確定正確的造型思路和方法。包括：①在正確識圖的基礎上將產品分解成單個曲面或面組。②確定每個曲面的類型和生成方法，如直紋面、拔模面或掃略面等。③確定各曲面之間的聯(lián)接關系（如倒角、裁剪等）和聯(lián)接次序。

（2）造型的實現(xiàn)，包括：①根據(jù)圖紙在CAD/CAM軟件中畫出必要的二維視圖輪廓線，并將各視圖變換到空間的實際位置;②針對各曲面的類型，利用各視圖中的輪廓線完成各曲面的造型;③根據(jù)曲面之間的聯(lián)接關系;④完成產品中結構部分（實體）的造型。

顯然，第一階段是整個造型工作的核心，其決定了第二個階段的操作方法?？梢哉f，在CAD/CAM軟件上畫第一條線之前，已經(jīng)在其頭腦中完成了整個產品的造型，做到“胸有成竹”。第二階段的工作只不過是第一階段工作的在某一類CAD/CAM軟件上的反映而已。在一般情況下，曲面造型只要遵守以上步驟，再結合一些具體的實現(xiàn)技術和方法，不需要特別的技巧即可解決大多數(shù)產品的造型問題。

3.2 造型

在造型時根據(jù)產品的主要結構建立特征曲線，通過拉伸、旋轉等建立一個合理的“毛坯”，再采用布爾“并、交、差”運算，在實體之間合并、挖除、相交成型，同時還可以使用面片體作為“刀具”將“毛坯”實體剪切去除，以獲得實體的外觀形狀。

這也是在家電產品造型時最常用的造型方法。其關鍵在于如何建立高質量的面片體“刀具”，這將在曲面造型技巧一節(jié)中提及。在這里需提出的是，用以修剪、分割實體的曲面片“刀具”各邊緣都應超出“毛坯”剪切截面邊緣。此時可將原片體沿切面方向延伸，延伸片與原片體縫合后形成的較大片體即可作為“刀具”也可以重新做一較大的片體“刀具”。

3.3 曲面造型技巧

家電產品的外觀形狀多由自由型曲線曲面組成，其共同點是必須保證曲面光順。曲面光順從直觀上可以理解為保證曲面光滑而且圓順，不會引起視覺上的凸凹感，從理論上是指具有二階幾何連續(xù)，不存在奇點與多余拐點，曲率變化較小以及應變能較小等特點。要保證構造出來的曲面既光順又能滿足一定的精度要求，就必須掌握一定的曲面造型技巧。

3.3.1 化整為零，各個擊破

用一張曲面去描述一個復雜的家電產品外形是不切實際和不可行的，這樣構造的曲面往往會不光順，產生大的變形q這時可根據(jù)應用軟件曲面造型方法，結合產品的外形情況，將其劃分為多個區(qū)域來構造幾張曲面，然后將其縫合，或用過渡面與其連結。當今的三維CAD系統(tǒng)中的曲面幾乎都是定義在四邊形域上。因此，在劃分區(qū)域時，應盡量將各個子域定義在四邊形域內，即每個子面片都具有四條邊。而在某一邊退化為點時構成三角形域，這樣構造的曲面也不會在該點處產生大的變形。

3.3.2 建立光順的曲面片控制線

曲面的品質與生成它的曲線即控制線有密切關系。因此，要保證光順的曲面，必須有光順的控制線。

曲線的品質主要考慮以下幾點：①滿足精度要求;②曲率主方向盡可能一致;③曲線曲率要大于將做圓角過渡的半徑值。

在建立曲線時，利用投影、插補、光順等手段生成樣條曲線，然后通過其“曲率梳”的顯示來調整曲線段函數(shù)次數(shù)、迭代次數(shù)、曲線段數(shù)量、起點及終點結束條件、樣條剛度參數(shù)值等來交互式地實現(xiàn)曲線的修改達到其光滑的效果。有時通過線束或其它方式生成的曲面發(fā)生較大的波動，往往是因為構造樣條曲線的U、V參數(shù)分布不均或段數(shù)參差不齊引起的。這時可通過將這些空間曲線進行參數(shù)一致性調整，或生成足夠（視形狀與精度而定）數(shù)目的曲線上的點，再通過這些點重新擬合曲線。在曲面片之間實現(xiàn)光滑連接時，首先要保證各連接面片間具有公共邊，更重要一點是要保證各曲面片的控制線連接要光順，這是保證面片連接光順的必要條件。此時，可通過修改控制線的起點、終點約束條件，使其曲率或切矢在接點保證一致。

3.3.3 將輪廓線刪繁就簡再構造曲面

曲面輪廓往往是已經(jīng)修剪過的，如果直接利用這些輪廓線來構造曲面，常常難以保證曲面的光順性，所以造型時在滿足零件的幾何特點前提下，可利用延伸、投影等方法將3D輪廓線還原為2D輪廓線，并去掉細節(jié)部分，然后構造出“原始”曲面，再利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。

3.3.4 從模具的角度考慮

產品三維造型的最終目的是制造。家電產品零件大都由模具生產出來。因此，在三維造型時，要從模具的角度去考慮，在確定產品出模方向后，應檢查曲面能否出模，是否有倒扣現(xiàn)象（即撥模角為負角），如發(fā)現(xiàn)有倒扣現(xiàn)象，應對曲面的控制線進行修改，重構曲面。這一點往往被忽略，卻是非常重要的。

3.3.5 曲面光順評估

在構造曲面時，要隨時檢查所建曲面的狀況，注意檢查曲面是否光順，是否扭曲，曲率變化情況等，以便及時修改。檢查曲面光順的方法可利用對構成的曲面進行渲染處理，即通過透視、透明度和多重光源等處理手段，產生高清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖像，再根據(jù)處理后的圖像光亮度的分布規(guī)律來判斷出曲面的光順度。圖像明暗度變化比較均勻，則曲面光順性好，如果圖像在某區(qū)域的明暗度與其它區(qū)域相比變化較大，則曲面光順性差。另外，可顯示曲面上的等高斯曲率線，進而顯示高斯曲率的彩色光柵圖像，從等高斯曲率線的形狀與分布、彩色光柵圖像的明暗區(qū)域及變化，直觀地了解曲面的光順性情況。

4 結束語

家電產品的CAD三維造型設計關系到整個產品的外觀性能等方面，是整個設計過程中的重中之重。而利用現(xiàn)代先進的UG技術，除了可以輔助設計者完成其設計構思，減輕勞動強度，提高效率和精度，改善視覺效果之外，而且還可以為后續(xù)的分析、模具設計、NC加工等奠定基礎。要高質量地完成家電產品的造型，通常是經(jīng)過數(shù)次的反復，綜合利用各方面的知識和經(jīng)驗，并掌握一定的造型方法和技巧。本文所介紹的只是簡單的曲面造型技巧，還需要相關人士努力鉆研相關知識，在實際操作中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，總結經(jīng)驗，在實踐中提高。

參考文獻

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