UG在逆向工程中的應用
2008/8/1 23:20:00
一、引言
傳統的產品設計一般都是“從無到有”的過程，設計人員首先構思產品的外形、性能以及大致的技術參數等，再利用CAD建立產品的三維數字化模型，最終將模型轉入制造流程，完成產品的整個設計制造周期，這樣的過程可稱為“正向設計”。而逆向工程則是一個“從有到無”的過程，就是根據已有的產品模型，反向推出產品的設計數據，包括設計圖紙和數字模型。
逆向工程的專業軟件有Surfacer、ICEM、CopyCAD和RapidForm等，這些軟件非常適合處理大量掃描的點云數據。例如，對一個小車的外型進行激光掃描，大約可以得到30萬個測量點，通過專業的Surfacer軟件建構而得到數字模型，達到了預期的效果。同時，我們也對UG在逆向工程中的應用進行了探索，在過程中得到了一些經驗，下面詳細介紹如下。
二、數據點的輸入
用UG軟件做逆向工程，使用的測量設備大多都是接觸式手動三坐標劃線機，主要針對剖面、輪廓和特征線進行測量，測量的數據點不是很多，UG處理起來也比較容易。
但是本文的車模型用激光掃描測到的數據點多達30萬個，這么多的數據點輸入UG是很困難的，因此我們在Surfacer軟件里對點云數據進行了除噪、稀疏等預處理。而為了準確地保持原來的特征點和輪廓點，我們大體構造了輪廓線和特征線，和點云數據一起導入UG中，如圖1所示。
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圖1 輸入數據
三、通過點構造曲線
1.在連線過程中，一般是先連特征線點，后連剖面點。在連線前應有合理的規劃，根據此車的形狀和特征確定如何分面，以便確定哪些點應該連接，并對以后的構面方法做到心中有數，連線的誤差一般控制在0.4mm以下。
2.常用到的是直線、圓弧和樣條線（spline），其中最常用的是樣條線。一般選用“through point” 方式，階次最好為3階，因為階次越高，柔軟性越差，即變形困難，且后續處理速度慢，數據交換困難。
3.因測量時有誤差以及模型外表面不光滑等原因，連成的樣條線不光順時還需要進行調整，否則構造出的曲面也不光滑。調整時常用的一種方法是Edit Spline，一般常用Edit pole選項，包括移動、添加控制點以及控制極點沿某個方向移動，方便對樣條進行編輯，此外，曲線的斷開（divide）、橋接（bridge）和光順曲線（Smooth spline）也經常用到。
總之，在生成面之前需要做大量的調線工作，調線時可以使用曲率梳對其進行分析，以保證曲線的質量，如圖2所示。
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圖2 構造的曲線
四、構造曲面
因為車身要求有流暢的外形、光順的外表面，因此在構造曲面的時候，要分成若干曲面進行，尤其要保證面和面之間能夠相切連續或曲率連續，這樣才能形成一個沒有接痕的曲面。另外，構造曲面時，還要根據具體情況選擇合適的構造方法。
1.構造曲面的方法
(1)最常用的構造方法是Though Curve Mesh，不僅可以保證曲面邊界曲率的連續性，還可以控制四周邊界曲率（相切），而Though curves只能保證兩邊曲率。
(2)使用較多的還有nxn命令，可以動態顯示正在創建的曲面，還可以隨時增、減定義曲線串，而曲面也將隨之改變。同樣，還可以保持與相鄰面的G0、G1以及G2連續。
(3)在構造曲面時，經常會遇到三邊曲面和五邊曲面。一般做條曲線，把三邊曲面轉化為四邊曲面，或將邊界線延伸，把五邊曲面轉化成四邊曲面，用以重構曲面。其中，在曲面上，做樣條線（curve on surface）和修剪（trim）是常用到的兩個命令，如圖3所示。
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圖3 構建的三角面
(4)構造完外表面，要進行鏡像處理。在曲面的中心處常會出現凸起，顯得曲面不光順，一般都是把曲面的中心處剪切掉，然后通過橋接使之平滑。
(5)構造曲面時，兩個面之間往往有“折痕”，曲面很不光順，主要是因為兩個面相切不連續造成的。解決這個問題，可以通過Though curve mesh 設置邊界相切連續選項，還可以在構造曲面后選擇match edge（NX3）選項，可以使兩個曲面的邊界相匹配，從而使曲率連續。另外，即使兩個曲面不相接，match edge命令也可以將一個曲面的邊界自動延伸并重合至另一個曲面的邊界。
(6)在構造單張且較為平坦的曲面時，直接用點云構面（from point cloud）將會更方便、更準確。有時面之間的空隙需要橋接（Bridge），以保證曲面光滑過渡。當曲面求交時，進行圓角處理也會使兩曲面圓滑過渡。
2.構造曲面應注意的幾個問題
(1)構面最關鍵的是抓住樣件特征，還需要簡潔，曲面面積盡量大，而張數不要太多。另外，還要合理分面以提高建模效率。
(2)在構建曲面過程中，有時需要再加連一些線條，以便構造曲面，連線和構面需要經常交替進行。曲面建成后，要檢查曲面的誤差，一般測量點到面的誤差，誤差不要超過1mm。
(3)構造曲面階次要盡量小，一般推薦為3階。因為，高階次的片體使其與其他CAD系統間成功交換數據的可能性減少，其他CAD系統也可能不支持高階次的曲面。階次高，則片體比較“剛硬”，曲面偏離極點較遠，在極點編輯曲面時很不方便。另外，階次低還有利于增加一些圓角、斜度和增厚等特征，有利于下一步編程加工，提高后續生成數控加工刀軌的速度。
五、構造實體
構建完外表面后，需要構建實體數字模型。如果模型較簡單且曲率變化不大時，把它們縫合成一個整體，再使用增厚指令就可建立實體，但在大多數情況下卻不可能實現，對本文中的模型更是如此。
如果把外表面縫合成一個整體，再把車底補面成為一個封閉的片體，從而成為一個實體，但由于車底部曲面的曲率變化比較大，往往實現不了抽殼命令。因此，首先需要先偏置外表面的各個片體，再構建出內、外表面的橫截面，最后把做出的橫截面和內、外表面縫合起來，使之成為封閉的片體，從而自動轉化為實體，此過程一般包括以下四個方面。
1.曲面的偏值
用Offset指令同時選多個面或全選以提高效率。小車外表面各個片體偏值的情況，如圖4所示。
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圖4 曲面的偏值
圖4中的箭頭表示偏值的方向，如果箭頭反向，只要輸入負值即可。
不是任何曲面都能夠實現偏值，不能實現偏值一般有以下幾種原因：
(1)由于曲面本身曲率太大，基本曲面有法線突變的情況；
(2)偏值距離太大而造成偏值后自相交，導致偏值失敗（本文中把小車片體統一偏值2毫米）；
(3)被偏值曲面的品質不好，局部有波紋，只能修改好曲面后再進行偏值；
(4)還有一些曲面看起來很好，但就是不能偏值，遇到這種情況可用Extract Geometry轉化成B 曲面后再進行偏值。
以上四種情況在構造曲面時都可能遇到，要學會分析其原因。
2.曲面的縫合
偏值后的曲面還需要裁剪或者補面，用各種曲面編輯手段構建內表面，然后縫合內表面和外表面。縫合時，經常會縫合失敗，一般有下列幾種可能。
(1)縫合時，縫合的偏體太多。應該每次只縫合少數幾個片體，需要多次縫合。
(2)縫合公差小于兩個被縫合曲面相鄰邊之間的距離。遇到此類問題，一般是加大縫合公差后，再進行縫合。
(3)兩個表面延伸后不能交匯，邊緣形狀不匹配。如果片體不是B曲面，則需要先將片體轉化為B曲面，使之與對應的另一片體的邊匹配，再進行縫合。
(4)邊緣上有難以察覺的微小畸形或其他幾何缺陷。可局部放大，進行表面分析檢查幾何缺陷，如果確實存在幾何缺陷，則修改或重建片體后重新縫合。
3.縫合的有效性
最后需要注意的是，雖然執行了縫合命令，計算機也沒有給出錯誤提示，看似縫合成功，其實未必。有的片體在縫合完成后，放大時會看到有亮顯點或亮顯線，甚至還有空隙。因此，在縫合完成后，一定要立即檢查縫合的有效性。若在縫合線上出現了亮顯點或亮顯線，就意味著此部位沒有縫合成功，必須取消縫合操作，重新進行縫合，否則將給后續的實體建模工作帶來困難，但如果僅外周邊亮顯，則說明縫合成功，如圖5所示。
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圖5 內外表面與橫截面的縫合
傳統的產品設計一般都是“從無到有”的過程，設計人員首先構思產品的外形、性能以及大致的技術參數等，再利用CAD建立產品的三維數字化模型，最終將模型轉入制造流程，完成產品的整個設計制造周期，這樣的過程可稱為“正向設計”。而逆向工程則是一個“從有到無”的過程，就是根據已有的產品模型，反向推出產品的設計數據，包括設計圖紙和數字模型。
逆向工程的專業軟件有Surfacer、ICEM、CopyCAD和RapidForm等，這些軟件非常適合處理大量掃描的點云數據。例如，對一個小車的外型進行激光掃描，大約可以得到30萬個測量點，通過專業的Surfacer軟件建構而得到數字模型，達到了預期的效果。同時，我們也對UG在逆向工程中的應用進行了探索，在過程中得到了一些經驗，下面詳細介紹如下。
二、數據點的輸入
用UG軟件做逆向工程，使用的測量設備大多都是接觸式手動三坐標劃線機，主要針對剖面、輪廓和特征線進行測量，測量的數據點不是很多，UG處理起來也比較容易。
但是本文的車模型用激光掃描測到的數據點多達30萬個，這么多的數據點輸入UG是很困難的，因此我們在Surfacer軟件里對點云數據進行了除噪、稀疏等預處理。而為了準確地保持原來的特征點和輪廓點，我們大體構造了輪廓線和特征線，和點云數據一起導入UG中，如圖1所示。
圖1 輸入數據
三、通過點構造曲線
1.在連線過程中，一般是先連特征線點，后連剖面點。在連線前應有合理的規劃，根據此車的形狀和特征確定如何分面，以便確定哪些點應該連接，并對以后的構面方法做到心中有數，連線的誤差一般控制在0.4mm以下。
2.常用到的是直線、圓弧和樣條線（spline），其中最常用的是樣條線。一般選用“through point” 方式，階次最好為3階，因為階次越高，柔軟性越差，即變形困難，且后續處理速度慢，數據交換困難。
3.因測量時有誤差以及模型外表面不光滑等原因，連成的樣條線不光順時還需要進行調整，否則構造出的曲面也不光滑。調整時常用的一種方法是Edit Spline，一般常用Edit pole選項，包括移動、添加控制點以及控制極點沿某個方向移動，方便對樣條進行編輯，此外，曲線的斷開（divide）、橋接（bridge）和光順曲線（Smooth spline）也經常用到。
總之，在生成面之前需要做大量的調線工作，調線時可以使用曲率梳對其進行分析，以保證曲線的質量，如圖2所示。
圖2 構造的曲線
四、構造曲面
因為車身要求有流暢的外形、光順的外表面，因此在構造曲面的時候，要分成若干曲面進行，尤其要保證面和面之間能夠相切連續或曲率連續，這樣才能形成一個沒有接痕的曲面。另外，構造曲面時，還要根據具體情況選擇合適的構造方法。
1.構造曲面的方法
(1)最常用的構造方法是Though Curve Mesh，不僅可以保證曲面邊界曲率的連續性，還可以控制四周邊界曲率（相切），而Though curves只能保證兩邊曲率。
(2)使用較多的還有nxn命令，可以動態顯示正在創建的曲面，還可以隨時增、減定義曲線串，而曲面也將隨之改變。同樣，還可以保持與相鄰面的G0、G1以及G2連續。
(3)在構造曲面時，經常會遇到三邊曲面和五邊曲面。一般做條曲線，把三邊曲面轉化為四邊曲面，或將邊界線延伸，把五邊曲面轉化成四邊曲面，用以重構曲面。其中，在曲面上，做樣條線（curve on surface）和修剪（trim）是常用到的兩個命令，如圖3所示。
圖3 構建的三角面
(4)構造完外表面，要進行鏡像處理。在曲面的中心處常會出現凸起，顯得曲面不光順，一般都是把曲面的中心處剪切掉，然后通過橋接使之平滑。
(5)構造曲面時，兩個面之間往往有“折痕”，曲面很不光順，主要是因為兩個面相切不連續造成的。解決這個問題，可以通過Though curve mesh 設置邊界相切連續選項，還可以在構造曲面后選擇match edge（NX3）選項，可以使兩個曲面的邊界相匹配，從而使曲率連續。另外，即使兩個曲面不相接，match edge命令也可以將一個曲面的邊界自動延伸并重合至另一個曲面的邊界。
(6)在構造單張且較為平坦的曲面時，直接用點云構面（from point cloud）將會更方便、更準確。有時面之間的空隙需要橋接（Bridge），以保證曲面光滑過渡。當曲面求交時，進行圓角處理也會使兩曲面圓滑過渡。
2.構造曲面應注意的幾個問題
(1)構面最關鍵的是抓住樣件特征，還需要簡潔，曲面面積盡量大，而張數不要太多。另外，還要合理分面以提高建模效率。
(2)在構建曲面過程中，有時需要再加連一些線條，以便構造曲面，連線和構面需要經常交替進行。曲面建成后，要檢查曲面的誤差，一般測量點到面的誤差，誤差不要超過1mm。
(3)構造曲面階次要盡量小，一般推薦為3階。因為，高階次的片體使其與其他CAD系統間成功交換數據的可能性減少，其他CAD系統也可能不支持高階次的曲面。階次高，則片體比較“剛硬”，曲面偏離極點較遠，在極點編輯曲面時很不方便。另外，階次低還有利于增加一些圓角、斜度和增厚等特征，有利于下一步編程加工，提高后續生成數控加工刀軌的速度。
五、構造實體
構建完外表面后，需要構建實體數字模型。如果模型較簡單且曲率變化不大時，把它們縫合成一個整體，再使用增厚指令就可建立實體，但在大多數情況下卻不可能實現，對本文中的模型更是如此。
如果把外表面縫合成一個整體，再把車底補面成為一個封閉的片體，從而成為一個實體，但由于車底部曲面的曲率變化比較大，往往實現不了抽殼命令。因此，首先需要先偏置外表面的各個片體，再構建出內、外表面的橫截面，最后把做出的橫截面和內、外表面縫合起來，使之成為封閉的片體，從而自動轉化為實體，此過程一般包括以下四個方面。
1.曲面的偏值
用Offset指令同時選多個面或全選以提高效率。小車外表面各個片體偏值的情況，如圖4所示。
圖4 曲面的偏值
圖4中的箭頭表示偏值的方向，如果箭頭反向，只要輸入負值即可。
不是任何曲面都能夠實現偏值，不能實現偏值一般有以下幾種原因：
(1)由于曲面本身曲率太大，基本曲面有法線突變的情況；
(2)偏值距離太大而造成偏值后自相交，導致偏值失敗（本文中把小車片體統一偏值2毫米）；
(3)被偏值曲面的品質不好，局部有波紋，只能修改好曲面后再進行偏值；
(4)還有一些曲面看起來很好，但就是不能偏值，遇到這種情況可用Extract Geometry轉化成B 曲面后再進行偏值。
以上四種情況在構造曲面時都可能遇到，要學會分析其原因。
2.曲面的縫合
偏值后的曲面還需要裁剪或者補面，用各種曲面編輯手段構建內表面，然后縫合內表面和外表面。縫合時，經常會縫合失敗，一般有下列幾種可能。
(1)縫合時，縫合的偏體太多。應該每次只縫合少數幾個片體，需要多次縫合。
(2)縫合公差小于兩個被縫合曲面相鄰邊之間的距離。遇到此類問題，一般是加大縫合公差后，再進行縫合。
(3)兩個表面延伸后不能交匯，邊緣形狀不匹配。如果片體不是B曲面，則需要先將片體轉化為B曲面，使之與對應的另一片體的邊匹配，再進行縫合。
(4)邊緣上有難以察覺的微小畸形或其他幾何缺陷。可局部放大，進行表面分析檢查幾何缺陷，如果確實存在幾何缺陷，則修改或重建片體后重新縫合。
3.縫合的有效性
最后需要注意的是，雖然執行了縫合命令，計算機也沒有給出錯誤提示，看似縫合成功，其實未必。有的片體在縫合完成后，放大時會看到有亮顯點或亮顯線，甚至還有空隙。因此，在縫合完成后，一定要立即檢查縫合的有效性。若在縫合線上出現了亮顯點或亮顯線，就意味著此部位沒有縫合成功，必須取消縫合操作，重新進行縫合，否則將給后續的實體建模工作帶來困難，但如果僅外周邊亮顯，則說明縫合成功，如圖5所示。
圖5 內外表面與橫截面的縫合
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