第6章曲面建模.docx

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第6章曲面建模

第6章曲面建模

UG曲面建模技术是体现CAD/CAM软件建模能力的重要标志，直接采用前面章节的方法就能够完成设计的产品是有限的，大多数实际产品的设计都离不开曲面建模。

曲面建模用于构造用标准建模方法无法创建的复杂形状，它既能生成曲面（在UG中称为片体，即零厚度实体），也能生成实体。

本章主要介绍曲面模型建立和编辑。

6.1曲面建模概述

曲面是指空间具有两个自由度的点构成的轨迹。

同实体模型一样，都是模型主体的重要组成部分，但又不同于实体特征。

区别在于曲面有大小但没有质量，在特征的生成过程中，不影响模型的特征参数。

曲面建模广泛应用设计飞机、汽车、电机及其他工业造型设计过程，用户利用它可以方便的设计产品上的复杂曲面形状。

UGNX6曲面建模的建模方法繁多，功能强大，使用方便。

全面掌握和正确合理使用是用好该模块的关键。

曲面的基础是曲线，构造曲线要避免重叠、交叉和断点等缺陷。

曲面建模的应用范围包括以下四个方面。

构造用标准方法无法创建的形状和特征。

修剪一个实体而获得一个特殊的特征形状。

将封闭曲面缝合成一个实体。

对线框模型蒙皮。

6.1.1常用概念

UG曲面建模，一般来讲，首先通过曲线构造方法生成主要或大面积曲面，然后进行曲面的过渡和连接，光顺处理，曲面的编辑等方法完成整体造型。

在使用过程经常会遇到以下一些常用概念。

行与列：

行定义了曲面的U方向，列是大致垂直于曲面行方向的纵向曲线方向（V方向）。

曲面的阶次：

阶次是一个数学概念，是定义曲面的三次多项式方程的最高次数。

建议用户尽可能采用三次曲面，阶层过高会使系统计算量过大，产生意外结果，在数据交换时容易使数据丢失。

公差：

一些自由形状曲面建立时采用近似方法，需要使用距离公差和角度公差。

分别反映近似曲面和理论曲面所允许距离误差和面法向角度允许误差。

截面线：

是指控制曲面U方向的方位和尺寸变化的曲线组。

可以是多条或者是单条曲线。

其不必光顺，而且每条截面线内的曲线数量可以不同，一般不超过150条。

引导线：

用于控制曲线的V方向的方位和尺寸。

可以是样条曲线、实体边缘和面的边缘，可以是单条曲线，也可以是多条曲线。

其最多可选择3条，并且需要G1连续。

6.1.2曲面建模的基本原则

曲面建模不同于实体建模，其不是完全参数化的特征。

在曲面建模时，需要注意以下几个基本原则。

创建曲面的边界曲线尽可能简单。

一般情况下，曲线阶次不大于3。

当需要曲率连续时，可以考虑使用五阶曲线。

用于创建曲面的边界曲线要保持光滑连续，避免产生尖角、交叉和重叠。

另外在进行创建曲面时，需要对所利用的曲线进行曲率分析，曲率半径尽可能大，否则会造成加工困难和形状复杂。

避免创建非参数化曲面特征。

曲面要尽量简洁，面尽量做大。

对不需要的部分要进行裁剪。

曲面的张数要尽量少。

根据不同部件的形状特点，合理使用各种曲面特征创建方法。

尽量采用实体修剪，再采用挖空方法创建薄壳零件。

曲面特征之间的圆角过渡尽可能在实体上进行操作。

曲面的曲率半径和内圆角半径不能太小，要略大于标准刀具的半径，否则容易造成加工困难。

6.13曲面建模的一般过程

一般来说，创建曲面都是从曲线开始的。

可以通过点创建曲线来创建曲面，也可以通过抽取或使用视图区已有的特征边缘线创建曲面。

其一般的创建过程如下所示。

（1）首先创建曲线。

可以用测量得到的云点创建曲线，也可以从光栅图像中勾勒出用户所需曲线。

（2）根据创建的曲线，利用过曲线、直纹、过曲线网格、扫掠等选项，创建产品的主要或者大面积的曲面。

（3）利用桥接面、二次截面、软倒圆、N-边曲面选项，对前面创建的曲面进行过渡接连、编辑或者光顺处理。

最终得到完整的产品模型。

6.2创建曲面

在UGNX6中，可以通过多种方法创建曲面。

可以利用点创建曲面，也可以利用曲线创建曲面，还可以利用曲面创建曲面。

由点创建曲面是指利用导入的点数据创建曲线、曲面的过程。

可以通过“通过点”方式来创建曲面，也可以通过“从极点”、“从云点”等方式来完成曲面建模。

由以上几种创建曲面方式创建的曲面与点数据之间不存在关联性，是非参数化的。

即当创建点编辑后，曲面不会产生关联性变化。

另外，由于其创建的曲面光顺行比较差，一般在曲面建模中，此类方法很少使用，限于篇幅，此处不再详细介绍。

此处仅对由曲线和曲面创建曲面的各种方法进行介绍。

6.2.1创建直纹面

直纹面是指利用两条截面线串生成曲面或实体。

截面线串可以由单个或多个对象组成，每个对象可以是曲线、实体边界或实体表面等几何体。

创建直纹面，单击“曲面”工具栏中的“直纹面”按钮，打开“直纹面”对话框，如图6.1所示。

在“对齐”下拉列表框中，系统提供了2种对齐方式，下面分别进行介绍。

参数：

用于将截面线串要通过的点以相等的参数间隔隔开。

目的是让每个曲线的整个长度完全被等分，此时创建的曲面在等分的间隔点处对齐。

若整个截面线上包含直线，则用等弧长的方式间隔点。

若包含曲线，则用等角度的方式间隔点。

根据点：

用于不同形状的截面线的对齐，特别是当截面线有尖角时，应该采用点对齐方式。

例如，当出现三角形截面和长方形截面时，由于边数不同，需采用点对齐方式，否则可能导致后续操作错误。

6.2.2通过曲线组

该方法是指通过一系列轮廓曲线（大致在同一方向）建立曲面或实体。

轮廓曲线又叫截面线串。

截面线串可以是曲线、实体边界或实体表面等几何体。

其生成特征与截面线串相关联，当截面线串编辑修改后，特征会自动更新。

“通过曲线组”方式与“直纹面”方法类似，区别在于“直纹面”只适用两条截面线串，并且两条截面线串之间总是相连的。

而“通过曲线组”最多允许使用150条截面线串。

执行“插入”|“网格曲面”|“通过曲线组”命令（或者单击“曲面”工具栏中的“通过曲线组”按钮），打开“通过曲线组”对话框，如图6.8所示。

6.2.3通过曲线网格

该方法是指用主曲线和交叉曲线创建曲面的一种方法。

其中主曲线是一组同方向的截面线串，而交叉曲线是另一组大致垂直于主曲线的截面线。

通常把第一组曲线线串称为主曲线，把第二组曲线线串称为交叉曲线。

由于没有对齐选项，在生成曲面，主曲线上的尖角不会生成锐边。

“通过曲线网格”曲面建模有以下几个特点。

生成曲面或体与主曲线和交叉曲线相关联。

生成曲面为双多次三项式，即曲面在行与列两个方向均为3次。

主曲线环状封闭，可重复选择第一条交叉线作为最后一条交叉线，可形成封闭实体。

选择主曲线时，点可以作为第一条截面线和最后一条截面线的可选对象。

6.2.4扫掠

扫掠是使用轮廓曲线沿空间路径扫掠而成，其中扫掠路径称为引导线（最多3根），轮廓线称为截面线。

引导线和截面线均可以由多段曲线组成，但引导线必须一阶导数连续。

该方法是所有曲面建模中最复杂、最强大的一种，在工业设计设计中使用广泛。

创建扫掠曲面，执行“插入”|“扫掠”|“扫掠”命令（或者单击“曲面”工具栏中的“扫掠”按钮），打开“扫掠”对话框，如图6.19所示。

6.2.5截面

创建截面可以理解为在截面曲线上创建曲面。

主要是利用与截面曲线相关的条件来控制一组连续截面曲线的形状，从而生成一个连续的曲面。

其特点是垂直于脊线的每个横截面内均为精确的二次（三次或五次）曲线。

在飞机机身和汽车覆盖件建模中应用广泛。

执行“插入”|“网格曲面”|“截面”命令（或者单击“曲面”工具栏中的“剖切曲面”按钮），打开“剖切曲面”对话框，如图6.27所示。

在UGNX6中系统提供了20种截面曲面类型，其中“Rho”是投射判别式，是控制截面线“丰满度”的一个比例值。

“顶点线串”完全定义截型体所需数据。

其它线串控制曲面的起始和终止边缘以及曲面形状。

下面介绍其中常用的几种截面曲面类型，其余类型可参考其学习。

6.2.6N边曲面

N边曲面用于创建一组由端点相连曲线封闭的曲面，并指定其与外部面的连续性。

创建N边曲面，执行“插入”|“网格曲面”|“N边曲面”命令（或者单击“曲面”工具栏中的“N边曲面”按钮），打开“N边曲面”对话框，如图6.42所示。

6.2.7桥接曲面

桥接曲面用于在两个曲面建立过渡曲面。

过渡曲面与两个曲面之间的连接可以采用相切连续或曲率连续两种方式。

桥接曲面简单方便，曲面光滑过渡，边界约束自由。

为曲面过渡的常用方式。

创建桥接曲面，单击“曲面”工具栏中的“桥接”按钮，打开“桥接”对话框，如图6.46所示。

对该对话框中常用选项的功能说明如下。

主面：

用于选择两个主面。

单击该按钮，指定两个需要连接的表面。

在指定表面后，系统将显示表示向量方向的箭头。

指定片体上不同的边缘和拐角，箭头显示会不断更新，此箭头的方向表示片体生产的方向。

侧页：

用于指定侧面。

单击该按钮，指定一个或两个侧面，作为生产片体时的引导侧面，系统依据引导侧面的限制而生成片体的外形。

第一侧面线串：

单击该按钮，指定曲线或边缘，作为生产片体时的引导线，以决定连接片体的外形。

第二侧面线串：

单击该按钮，指定另一条曲线或边缘，与上一个按钮配合，作为生产片体的引导线，以决定连接片体的外形。

相切：

选择该选项，沿原来表面的切线方向和另一个表面连接。

曲率：

选择该选项，沿原来表面圆弧曲率半径与另一个表面连接，同时保证相切的特性。

6.2.8规律延伸

规律延伸曲面是指在已有片体或表面上曲线或原始曲面的边，生成基于长度和角度可按指函数规律变化的建立延伸曲面。

其主要用于扩大曲面，通常采用近似方法建立。

创建规律延伸曲面，执行“插入”|“弯边曲面”|“规律延伸”命令（或者单击“曲面”工具栏中的“规律延伸”按钮，打开“规律延伸”对话框，如图6.50所示。

6.2.9偏置曲面

偏置曲面用于创建原有曲面的偏置平面，即沿指定平面的法向偏置点来生成用户所需的曲面。

其主要用于从一个或多个已有的面生成曲面，已有面称之为基面，指定的距离称为偏置距离。

创建偏置曲面，执行“插入”|“偏置\缩放”|“偏置曲面”命令（或者单击“曲面”工具栏中的“偏置平面”按钮），打开“偏置平面”对话框，如图6.57所示。

偏置曲面操作比较简单，选取基面后，设置偏置距离，单击“确定”按钮便完成偏置曲面操作。

举例介绍用“偏置曲面”创建曲面的操作步骤如下。

6.2.10艺术曲面

该方式是指用任意数量的截面和引导线来创建艺术曲面。

其与通过曲线网格创建曲面类型相似，也是通过一条引导线来创建曲面。

利用该选项可以改变曲面的复杂程度，而不必重新创建曲面。

创建艺术曲面，执行“插入”|“网格曲面”|“艺术曲面”命令（或者单击“自由曲面形状”工具栏中的“艺术曲面”按钮），打开“艺术曲面”对话框，如图6.61所示。

6.3编辑曲面

对于创建的曲面，往往需要通过一些编辑操作才能满足设计要求。

曲面编辑操作作为一种高效的曲面修改方式，在整个建模过程起到着非常重要的作用。

可以利用编辑功能重新定义曲面特征的参数，也可以通过变形和再生工具对曲面直接进行编辑操作。

曲面的创建方法不同，其编辑的方法也不同，下面对几种常用的曲面编辑方法进行讲述。

6.3.1X成形

该方法是指通过一系列的变换类型以及高级变换方式对曲面的点进行编辑，从而改变原曲面。

单击“曲面形状”工具栏中的“X变形”按钮，打开“X变形”对话框，如图6.66所示。

6.3.2等参数裁剪/分割

该方法是指按照一定的百分比在曲面的U方向和V方向进行等参数的修剪和分割。

单击“编辑曲面”工具栏中的“等参数修剪/分割”按钮，打开“修剪/分割”对话框，如图6.73所示。

下面分别介绍“等参数修剪”和“等参数分割”的用法。

6.3.3剪断曲面

剪断曲面是以指定点为参照，进行分割或剪断曲面中不需要的部分。

“剪断曲面”不同于“修剪曲面”，因为剪断操作实际修改了输入曲面几何体，而修剪操作保留曲面不变。

创建剪断曲面，单击“自由曲面形状”工具栏中的“剪断曲面”按钮，打开“剪断曲面”对话框，如图6.82所示。

6.3.4扩大曲面

该选项用于在选取的被修剪的或原始的表面基础上生成一个扩大或缩小的曲面。

扩大曲面，单击“编辑曲面”工具栏中的“扩大曲面”按钮，打开“扩大曲面”对话框，如图6.88所示。

对该对话框中各项参数说明如下。

线性：

是指曲面上延伸部分是沿直线延伸而成的直纹面。

该选项只能扩大曲面，不可以缩小曲面。

自然：

是指曲面上的延伸部分是按照曲面本身的函数规律延伸。

该选项既可以扩大曲面也可以缩小曲面。

全部：

用于同时改变U向和V向的最大和最小值。

只有移动其中一个滑块，便可以移动其他滑块。

重置和重新选择面：

用于进行重新开始或更换编辑面。

编辑副本：

用于对编辑后的曲面进行复制，以方便后续操作。

6.3.5变换曲面

该选项是指通过动态方式对曲面进行一系列的缩放、旋转或平移操作，并移除特征的相关参数。

创建变换曲面，单击“自由曲面形状”工具栏中的“变换片体”按钮，打开“变换曲面”对话框，如图6.92所示。

6.4综合实例

6.4.1——创建饮料瓶模型

本节利用一个饮料瓶造型的基本实例介绍曲面建模的若干功能，从而加深读者对本章的认识。

具体操作步骤如下介绍。

图6.99饮料瓶造型

6.4.2——后视镜壳造型

汽车后视镜壳的造型，如图6.100所示。

图6.100后视镜壳

6.5小结

本章主要介绍了常用的几种曲面建模及曲面编辑的方法。

读者可以参照本书提供的实例和相关知识点讲解，通过上机练习，逐步掌握各种曲面的创建及编辑方法。

6.6思考练习

1.创建直纹面与创建过曲线组曲面有何异同点？

2.创建过曲线组曲面时对曲线的开闭和矢量方向的一致性有何要求？

3.简述扩大曲面的操作方法。

4.利用“直纹面”功能创建曲面时，对曲线的数量和选取方式有何要求？

5.如图6.130。

完成如图6.131所示曲面的绘制。

6.创建如图6.132所示的花瓶。