2.2 造型设计方法
要学习UG NX 8.0造型技术，首先要了解造型设计的一些方法，本节主要介绍了产品设计中正向设计与逆向设计的设计方法、UG造型自由曲线和自由曲面的构建方法，以及造型设计的一些技巧。
2.2.1 正向/逆向设计
1．正向设计
对于正向设计遵循传统的设计步骤。产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。
一般的工业产品正向设计流程如图2-23所示。
图2-23 工业产品正向设计流程图
2．逆向设计
与正向设计不同，逆向设计（逆向工程）则是一个“从有到无”的过程，是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下，根据已经存在的产品模型的数据，在此基础上构造出产品的三维CAD模型进行再设计的过程。
随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向造型技术关注的主要对象。
通过数字化测量设备（如坐标测量机、光学测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称，逆向设计的一般过程如图2-24所示。
图2-24 逆向设计流程图
3．逆向工程技术的优点
正向设计虽然具有很多优点，但是对于复杂的产品，正向设计方法也显示出了它的不足，设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发，因为设计师无法完全预估产品在设计过程中会出现什么样的状况，如果每一次都因为一些局部的问题而导致整个产品推倒重来，不管从时间上还是从成本上都是不可接受的。
逆向工程是在已有实物的基础上进行再设计的，相对于传统的正向设计，具有以下一些优点。
● 产品设计周期短。正向设计是一个“从无到有”的过程，需要预先构思好产品的功能结构，这往往需要灵感和缜密思考的时间。而逆向设计是以已有实物为参照物，比较直观，在此基础上进行复制和改进设计，可以节省很多的产品构思时间。
● 产品设计可靠。对于正向设计即使是经验丰富的设计师，也不可能考虑得面面俱到。而逆向设计是在已有成熟产品上进行改进设计，风险会小很多，设计出来的产品也会更成熟、可靠。
● 产品设计成本低。正向设计出来的产品一般都需要进行较多性能方面的测试，无论是功能、装配、耐久性等都需要经过检验，周期长，成本高。逆向设计的产品是在原有产品上进行改进的，产品相对比较成熟，在试验的时间和频率上可适当减少，从而降低成本。
4．逆向设计数据的获取
提示
逆向设计的基础便是原产品的各种数据，数据的好坏将直接影响逆向设计产品的优劣，逆向数据的获取通常使用测量工具测量获得。
在目前的市场上，测量的方法主要有接触式和非接触式两种。
● 接触式测量方法。该测量方法是指利用接触式的测量仪器（如三坐标测量仪如图2-25所示，机械手如图2-26所示）对物体进行测量，在测量材质为硬质、容易定位，只需测量孔位、平面、轮廓等指定特征的物体时，一般都采用接触式的测量方法，测量的精度可达0.02mm，多用于质量的检测。
图2-25 三坐标测量仪
图2-26 机械手
● 非接触式测量方法。该测量方法一般都是应用光学和激光的原理进行的，如图2-27和图2-28所示为两种不同的光学测量设备。非接触式测量方法近几年来发展速度很快，用该测量方法获得的数据一般都是大量无序高密度的点云，适合于测量具有复杂曲面、对材质没有要求的物体。
图2-27 三维扫描仪
图2-28 手持式三维扫描仪
提示
在实际应用中，要逆向设计的物体的型面一般都是比较复杂的，这需要测量得到的点的数据足够多、足够密，才能保证数模重构的精度，故在逆向设计中一般都采用非接触式的测量方法。
5．接触式测量的优缺点
（1）接触式测量的优点
● 有较高的准确性和可靠性，因接触式探头技术发展了几十年，其机械结构与电子系统已经相当成熟。
● 受外界影响小，接触式测量可以直接接触工件表面，故与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。
● 精确测量出物体的几何形状，被测物体固定在二坐标测量机上，并配合测量软件，可精确测量出物体的几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球。
● 测量点的疏密和分布范围可以自由控制，如图2-29所示为接触式测量测出的点云数据。
图2-29 接触式测量测出的点云数据
（2）接触式测量的缺点
● 夹具成本高，为了确定测量基准点而使用特殊夹具，会导致较高的测量费用。不同形状的产品会造成原来的夹具不适用而使成本大幅度增加。
● 探头磨损，球形的探头容易因接触力造成磨损。为了维持一定的精度，需要经常校正探头的直径。不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏。
● 测量速度慢，逆向工程技术接触式触发探头是以逐点进出方式进行测量的，所以测量速度慢。
● 测量受限，检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发头的直径必定要小于被测量的三维曲面。
● 需要误差补偿，因传统接触触发式探头是感应元件，测量到的点是探头的球心位置，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿。
6．接触式测量的优缺点
（1）非接触式测量的优点
● 不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。
● 测量速度非常快，不必像接触式触发探头那样逐点进出测量。
● 软工件、薄工件、不可接触的高精度工件可直接测量，如图2-30所示为测量的人体面部数据。
图2-30 人体面部扫描数据
● 可以获得大量的点云数据，如图2-31所示为测量获得的汽车表面的点云数据。
图2-31 汽车表面点云
（2）非接触式测量的缺点
● 测量精度不算太高，因非接触式探头大多使用光敏位置探测器PSD（Position Sensitive Device）来检测光点位置，目前PSD的精度还不够高，约为20缪以上。
● 因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性影响，如颜色、斜率等。
● PSD易受环境光线及杂散光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难。
● 非接触式测量只能做轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理及不连续形状的处理较难。
● 使用CCD做探测器时成像镜头的焦距会影响测量精度，因工件几何外形变化大时成像会失焦，成像模糊。
7．使用UG NX 8.0进行正/逆向设计
对于在UG NX中进行正/逆向设计主要有以下的相同点。
● 产品的设计思路相同，无论是正向设计还是逆向设计设计，其思路都是先对产品进行区域划分，然后由点构线，由线构面，由面构体。
● 对配合部分的要求相同，配合部分也就是需要装配的部分，在正/逆向设计中都需要特别关注，并保证配合部位的尺寸严格满足要求。
● 对美观的要求相同，无论是通过正向建模还是通过逆向建模都要求创建的模型达到形同的美观效果，这样做出来的产品才有生产销售的意义。
对于在UG NX中进行正/逆向设计也有许多不同的地方。
● 设计方法不同，正向设计是“从无到有”，进行正向设计根据的是产品的概念设计图，或者完全“无中生有”，而逆向是根据实物进行产品造型的，因而使用的工具手段均与正向设计有所不同。
● 设计的质量要求不同，因为逆向设计的设计周期短，设计成品低，所以设计的质量相应地要比正向设计的质量要求要低一些。
注意
对于不同的产品也不可一概而论，但相对而言逆向设计的质量要求不如正向设计的高。
2.2.2 自由曲线的构建方法
UG NX 8.0自由曲线的种类很多，构建方法也有多种多样，自由曲线可以分为基本曲线、规则曲线和样条曲线等。基本曲线包括直线、圆弧和圆等，规则曲线包括二次曲线、方程曲线和螺旋线等。
自由曲线的构建方法大致可以分为根据点构造自由曲线、根据曲线构造自由曲线和根据面构造自由曲线三种。
1．根据点构造自由曲线
UG NX中的基本曲线、规则曲线和样条曲线均可根据点构造，如图2-32所示。
图2-32 根据点构造曲线
图2-32 根据点构造曲线（续图）
2．根据曲线构造自由曲线
根据曲线构造自由曲线最基本的一个特点是在构造自由曲线时需要选择曲线，例如在构造偏置曲线时需要选择一条曲线作为偏置对象。
根据曲线构造自由曲线的方法包括“偏置曲线”、“桥接曲线”、“圆形圆角曲线”、“简化曲线”、“连接曲线”、“镜像曲线”、“投影曲线”、“在面上偏置曲线”等。
这些根据曲线构造自由曲线的方法简单说明如下。
（1）偏置曲线
通过已存在的曲线，以一定的规则移动构建新的曲线，如图2-33所示。UG NX 8.0提供四种偏置方法，分别是距离偏置、拔模方向偏置、规律控制偏置和三维轴向偏置。
图2-33 偏置曲线
（2）桥接曲线
桥接曲线可以在两个曲线（曲线、点、一个面边缘）中间创建具有一定约束条件的曲线，如图2-34所示。
图2-34 桥接曲线
桥接曲线可以设置与存在曲线垂直或者相切，在相切时可以设置连续性的属性（G0、G1、G2或G3），此外还可以进行桥接曲线的形状控制。
提示
桥接曲线应用灵活方便，在产品造型中使用频率较高，掌握好桥接曲线对建模水平的提高大有益处，希望读者仔细理解。
（3）镜像曲线
把用户指定的曲线根据镜像平面得到曲线的镜像曲线。用户需要指定需要镜像的曲线和镜像平面，然后就可以得到和原曲线相关或者不相关的镜像曲线，如图2-35所示。
图2-35 镜像曲线
（4）在面上偏置曲线
选择曲面上的曲线或者曲面边缘，在曲面上偏置创建等距的曲线。创建的偏置曲线可以是与原曲线相关联的，也可以是不关联的，在面上偏置曲线的效果如图2-36所示。
图2-36 面上偏置曲线
（5）投影曲线
投影曲线可以把点、曲线和边缘曲线根据投影方向投影到片体、曲面和基准平面上。投影方向可以是矢量，也可以是面的法向。投影曲线效果如图2-37所示。
图2-37 投影曲线
（6）组合曲线
组合曲线可以把两个不同方位的曲线按照指定的投影方向进行组合，组合曲线效果如图2-38所示。
图2-38 组合曲线
3．根据曲面构造自由曲线
根据曲面构造自由曲线一个最基本的特点是在构造自由曲线时需要选择曲面，例如在构造截面曲线时需要选择一个截面。根据曲面构造自由曲线的方法包括“相交曲线”、“截面曲线”、“等参数曲线”和“抽取曲线”等，其效果如图2-39所示。
图2-39 根据曲面构造自由曲线
提示
截面曲线可以获取小平面体的截面线，在逆向工程中有重要应用；抽取曲线中的抽取等斜度曲线在产品开模时也有重要的应用。
2.2.3 自由曲面的构建方法
UG具有强大的曲面造型功能，提供了非常丰富的自由曲面的构造方法。这些构造方法大致可以分为三类，一类是根据点构造自由曲面的方法，一类是根据曲线构造自由曲面的方法，还有一类是根据曲面构造自由曲面的方法。
1．根据点构造自由曲面
根据点构造自由曲面的方法有“通过点”、“从极点”、“从点云”及“四点曲面”等多种方法，可以根据己知点的位置，创建需要的曲面。根据点构造的自由曲面形式如图2-40所示。
图2-40 根据点构造自由曲面
提示
根据点构造自由曲面，在逆向工程中有广泛的应用，尤其通过点云创建自由曲面，方法灵活，在逆向工程中合理地利用可以起到事半功倍的效果。
2．根据曲线构造自由曲面
根据曲线构造自由曲面的方法有“直纹面”、“通过曲线组曲面”、“通过网格曲线曲面”、“扫掠曲面”和“剖切曲面”等方法，这些方法在构造曲面时都需要选择一些曲线截面曲线和引导曲线等参数。
根据曲线构造的自由曲面都具有参数化设计的特点，即用户可以通过更改构造自由曲面的曲线修改曲面，而不用重新创建新的曲面。
根据曲线构造自由曲面的效果如图2-41所示。
图2-41 根据曲线构造自由曲面
3．根据曲面构造自由曲面
根据曲面构造自由曲面的方法有“延伸曲面”、“桥接曲面”、“曲面偏置”、“轮廓线弯边”、“裁剪曲面”、“面倒圆角”和“软倒曲面”等，这些方法在构造自由曲面时至少需要选择一个曲面作为基本面。
根据曲面构造的自由曲面大都具有参数化设计的特点，即可以通过更改构造自由曲面的一些参数，如改变曲面的法线方向、替换边界对象、修改延伸距离、修改偏置距离和修改半径的变化规律等可以编辑和修改曲面，而不用重新创建曲面。
根据曲面构造自由曲面的效果如图2-42所示。
图2-42 根据曲面构造自由曲面
2.2.4 造型设计技巧
一个美观的产品外形往往是光滑而圆顺的。光滑的曲面从外表看流线顺畅，不会引起视觉上的凸凹感，从理论上是指具有二阶几何连续，不存在奇点与多余拐点，曲率变化较小及应变较小等特点的曲面。
要保证构造出来的曲面既光滑又能满足一定的精度要求，就必须掌握一定的曲面造型技巧，下面我们就一些常用的技巧进行介绍。
1．先局部再整体
一个产品的外形，往往由多个区域构成，单纯靠一个特征就能完成的产品几乎是不存在的，这时就要根据应用软件曲面造型方法，结合产品的外形特点，将其划分为多个区域来构造几张曲面，然后再将它们缝合在一起，或用过渡面与其连接。
提示
构建四边面时，尤其使用曲线构建四边面时，应尽量使四边面的边线保持近似垂直，如图2-43所示的面的质量就不如图2-44所示的面质量高，这样有利于构建高质量的曲面。
图2-43 四边面（较差）
图2-44 面倒圆角（较好）
2．保证曲线质量
曲线的质量往往直接决定曲面的质量，故在创建曲面前，首先要保证曲线的质量。要创建一条高质量的控制曲线，主要应从以下几点着手：
● 要达到精度的要求。
● 避免不必要的拐点，曲率主方向要尽可能一致，如图2-45所示的曲线中就存在多余的拐点，应当调整，如图2-46所示的曲线和如图2-45所示的曲线形状相差不大，但质量较好。
图2-45 曲线质量（差）
图2-46 曲线质量（好）
● 曲线曲率不可太小，至少要大于将作为圆角过渡的半径值。
提示
在创建曲线时，首先利用点、曲线和曲面生成所需的曲线，再使用光顺等手段生成光滑的样条曲线，然后根据其曲率图的显示来调整曲线段，从而达到光滑的效果。
3．注重实际，保证产品能够开模
再漂亮的曲面造型，如果不注重实际的生产制造，也毫无用处，产品三维造型的最终目的是制造模具。
产品零件大多由模具生产出来，因此在三维造型时，要从模具的角度去考虑，在确定产品出模方向后，应检查曲面能否出模，是否有倒扣现象（即拔模角为负角），如图2-47所示的零件就出现了倒扣现象，而如图2-48所示的零件就没有。如发现问题，应对曲面进行修改或重构曲面。
图2-47 出现倒扣
图2-48 没有倒扣
4．随时检查，及时修改
在进行曲面造型时，要随时检查所建曲面的状况，注意检查曲面是否光滑、有无扭曲、曲率变化等情况，以便及时修改。检查曲面光滑的方法主要有以下两种。
● 对构造的曲面进行渲染处理，可通过透视、透明度和多重光源等处理手段产生高清晰度的逼真的彩色图像，再根据处理后图像的光亮度的分布规律来判断曲面的光滑度。图像明暗度变化比较均匀，则曲面光滑性好。
● 可以使用UG NX的分析工具，对曲面进行曲面反射分析，通过斑马线分析曲面的质量，还可以通过面分析中的半径分析，分析曲面的曲率，分析曲面是否存在不必要的拐点等。
提示
在产品造型设计中看似相同的模型其实模型质量可能存在很大的差异，需要通过分析工具才能检查出来，UG NX 8.0提供了丰富的模型分析工具，可以对模型进行多方位的分析，其具体操作可以参看后面的相关章节。