三維家電造型設(shè)計(jì)方法（在UG,Pro/E等的應(yīng)用）

隨著社會的進(jìn)步，人們生活水平的不斷提高，追求完善已成為時(shí)尚。人們對消費(fèi)產(chǎn)品的要求已不僅僅滿足于基本功能的完備，同時(shí)更注重外觀的美感。家電產(chǎn)品在不斷提高和完善其功能的同時(shí)，在外觀造型上要求越來越高，多以復(fù)雜方式自由地變化的曲線曲面即所謂自由型曲線曲面組成。而這一類形狀單純用畫法幾何與機(jī)械制圖是不能表達(dá)的。這就給家電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造帶來了挑戰(zhàn)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，為人們提供了強(qiáng)有力的工具，三維CAD/CAM/CAE集成化軟件被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。然而，要快速高質(zhì)量地完成一個家電產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，必須根據(jù)家電產(chǎn)品的特點(diǎn)，總結(jié)出一套建模方法和技巧。這樣才能大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，滿足客戶對產(chǎn)品的各種特殊需求。

1、掌握三維CAD造型的原理，充分了解應(yīng)用軟件中的造型方法 CAD的三維模型有三種，即線框、曲面和實(shí)體。

早期的CAD系統(tǒng)往往分別對待以上三種造型。而當(dāng)前的高級三維軟件，例如UGII,PRO/E,EUCLID等則是將三者有機(jī)結(jié)合起來，形成一個整體，在建立產(chǎn)品幾何模型時(shí)兼用線、面、體三種設(shè)計(jì)手段。其所有的幾何造型享有公共的數(shù)據(jù)庫，造型方法間可互相替換，而不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此在進(jìn)行產(chǎn)品造型時(shí)，必須首先充分了解應(yīng)用軟件中的各種造型方法，總結(jié)出造型方法的特點(diǎn)、相關(guān)參數(shù)及應(yīng)用技巧，減少造型時(shí)的盲目性，便能快捷有效地獲得滿意結(jié)果。

1.1線框造型 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(diǎn)、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(jìn)行修剪、延伸、分段、連接等處理，生成更復(fù)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(jìn)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(fù)雜曲線。實(shí)際上，線框功能是進(jìn)一步構(gòu)造曲面和實(shí)體模型的基礎(chǔ)工具。在復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，往往是先用線條勾劃出基本輪廓，即所謂“控制線”，然后逐步細(xì)化，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出曲面和實(shí)體模型。

1.2曲面造型 曲面造型分兩種方法，一是由曲線構(gòu)造曲面；二是由曲面派生曲面。

（1）由曲線構(gòu)造曲面

1）旋轉(zhuǎn)曲面：一輪廓曲線繞某一軸線旋轉(zhuǎn)某一角度而生成的曲面。

2）線性拉伸面：一曲線沿某一矢量方向拉伸一段距離而得到的曲面。

3）直紋面：在兩曲線間，把其參數(shù)值相同的點(diǎn)用直線段連接而成的曲面。

4）掃描面：截面發(fā)生曲線沿一條、二條或三條方向控制曲線運(yùn)動，變化而生成的曲面。可根據(jù)各發(fā)生曲線與脊骨曲線的運(yùn)動關(guān)系，把掃描面分為平行掃描曲面、法向掃描曲面和放射狀掃描曲面。

5）網(wǎng)格曲面：由一系列曲線構(gòu)成的曲面。根據(jù)構(gòu)造曲面的曲線的分布規(guī)律，網(wǎng)格曲面可分為單方向網(wǎng)格曲面和雙方向網(wǎng)格曲面。單方向網(wǎng)格曲面由一組平行或近似平行的曲線構(gòu)成；而雙方向網(wǎng)格曲面由一組橫向曲線和另一組與之相交的縱向曲線構(gòu)成。

6）擬合曲面：由一系列有序點(diǎn)擬合而成的曲面。

7）平面輪廓面：由一條封閉的平面曲線所構(gòu)成的曲面。 二次曲面：橢圓面q拋物面，雙曲面等。 （2）由曲面派生曲面

1）等半徑倒圓曲面：一定半徑的圓弧段與兩原始曲面相切，并沿著它們的交線方向運(yùn)動而生成的圓弧型過渡面。

2）變半徑倒圓曲面：半徑值按一定的規(guī)律變化的圓弧段與兩原始曲面相切，并沿它們的交線方向運(yùn)動而生成的圓弧型過渡面。

3）等厚度偏移曲面：與原始曲面偏移一均勻厚度值的曲面。

4）變厚度偏移曲面：在原始曲面的角點(diǎn)處，沿該點(diǎn)曲面法矢量方向偏移給定值而得到的曲面。

5）混合曲面（橋接曲面）：在兩個（或多個）分離曲面的指定邊界線處，生成一個以指定邊界為生成曲面的邊界線，與所選周圍原始曲面圓滑連接的中間曲面。

6）延伸曲面：在曲面的指定邊界線處，按曲面的原有趨勢（或某一給定的矢量方向）進(jìn)行給定條件的曲面擴(kuò)展而生成的曲面。

7）修剪曲面：把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。 拓?fù)溥B接曲面：把具有公共邊界線的兩個曲面進(jìn)行拓?fù)湎嗉雍蟮那妗?/p>

1.3實(shí)體造型

（1）基本體素

1）拉伸體：一條封閉的曲線沿某一矢量方向拉伸一段距離而得到的實(shí)體，包括方體。

2）旋轉(zhuǎn)體：一條封閉曲線繞某一軸線旋轉(zhuǎn)某一角度而生成的實(shí)體。包括圓柱體、圓錐體、球體等。 3）掃描體：一條或多條封閉的截面曲線沿一條軌道按一定的規(guī)律運(yùn)動而生成的實(shí)體。

4）等厚體：與原始曲面偏移給定厚度值而形成的實(shí)體。

5）縫合體：由一組封閉曲面縫合而成的實(shí)體。

6）倒圓體：在實(shí)體的棱線處，生成一個與該棱線處的兩相鄰表面相切的圓弧型過渡體。

7）倒角體：在實(shí)體的棱線處，生成一個給定角度和長度的倒角體。

（2）工藝特征形體 包括凸臺、凹腔、孔、鍵槽、螺紋、筋等。

（3）拓?fù)洳僮鲗w素進(jìn)行并、交、差布爾運(yùn)算及用曲面片體修剪體素而生成新的實(shí)體。

2、對產(chǎn)品進(jìn)行剖析，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征和合理的建模順序

有些家電產(chǎn)品看起來相當(dāng)復(fù)雜，造型時(shí)感到無從下手，但只要能合理地對產(chǎn)品進(jìn)行分解，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征，分清哪些是基本特征（如配合面，**產(chǎn)品外形輪廓的特征），哪些是構(gòu)造特征（如面與面之間的過渡、凸臺、凹腔、倒圓、倒角等）。首先從基本特征入手，**重點(diǎn)，產(chǎn)生一合理的造型“基體”或稱之為“毛坯”。在這“毛坯”上完成細(xì)節(jié)部分，如過渡面、局部凸臺、凹腔、孔、筋條等。這樣主次分明，先做什么，后做什么，問題就迎刃而解了。 在造型時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)建立特征曲線，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等建立一個合理的“毛坯”，再采用布爾“并、交、差”運(yùn)算，在實(shí)體之間合并、挖除、相交成型，同時(shí)還可以使用面片體作為“刀具”將“毛坯”實(shí)體剪切去除，以獲得實(shí)體的外觀形狀。這也是在家電產(chǎn)品造型時(shí)常用的造型方法。其關(guān)鍵在于如何建立高質(zhì)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(shí)體的曲面片“刀具”各邊緣都應(yīng)超出“毛坯”剪切截面邊緣。此時(shí)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”也可以重新作一較大的片體“刀具”。

3、曲面造型技巧

家電產(chǎn)品的外觀形狀多由自由型曲線曲面組成，其共同點(diǎn)是必須**曲面光順。曲面光順從直觀上可以理解為**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(diǎn)與多余拐點(diǎn)，曲率變化較小以及應(yīng)變能較小等特點(diǎn)。要**構(gòu)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。

3.1化整為零，各個擊破

用一張曲面去描述一個復(fù)雜的家電產(chǎn)品外形是不切實(shí)際和不可行的，這樣構(gòu)造的曲面往往會不光順，產(chǎn)生大的變形q這時(shí)可根據(jù)應(yīng)用軟件曲面造型方法，結(jié)合產(chǎn)品的外形情況，將其劃分為多個區(qū)域來構(gòu)造幾張曲面，然后將其縫合，或用過渡面與其連結(jié)。 當(dāng)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(shí)，應(yīng)盡量將各個子域定義在四邊形域內(nèi)，即每個子面片都具有四條邊。而在某一邊退化為點(diǎn)時(shí)構(gòu)成三角形域，這樣構(gòu)造的曲面也不會在該點(diǎn)處產(chǎn)生大的變形。

3.2建立光順的曲面片控制線

曲面的品質(zhì)與生成它的曲線即控制線有密切關(guān)系。因此，要**光順的曲面，必須有光順的控制線。曲線的品質(zhì)主要考慮以下幾點(diǎn)：

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(shí)，利用投影、插補(bǔ)、光順等手段生成樣條曲線，然后通過其“曲率梳”的顯示來調(diào)整曲線段函數(shù)次數(shù)、迭代次數(shù)、曲線段數(shù)量、起點(diǎn)及終點(diǎn)結(jié)束條件、樣條剛度參數(shù)值等來交互式地實(shí)現(xiàn)曲線的修改達(dá)到其光滑的效果。有時(shí)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?yàn)闃?gòu)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(shí)可通過將這些空間曲線進(jìn)行參數(shù)一致性調(diào)整，或生成足夠（視形狀與精度而定）數(shù)目的曲線上的點(diǎn)，再通過這些點(diǎn)重新擬合曲線。 在曲面片之間實(shí)現(xiàn)光滑連接時(shí)，首先要**各連接面片間具有公共邊，更重要一點(diǎn)是要**各曲面片的控制線連接要光順，這是**面片連接光順的必要條件。此時(shí)，可通過修改控制線的起點(diǎn)、終點(diǎn)約束條件，使其曲率或切矢在接點(diǎn)**一致。

3.3將輪廓線刪繁就簡再構(gòu)造曲面

我們看到的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(gòu)造曲面，常常難以**曲面的光順性，所以造型時(shí)在滿足零件的幾何特點(diǎn)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(xì)節(jié)部分，然后構(gòu)造出“原始”曲面，再利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。

3.4從模具的角度考慮

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

3.5曲面光順評估

在構(gòu)造曲面時(shí)，要隨時(shí)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(shí)修改。

檢查曲面光順的方法可利用對構(gòu)成的曲面進(jìn)行渲染處理，即通過透視、透明度和多重光源等處理手段產(chǎn)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(jìn)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(jié)束語

家電產(chǎn)品的CAD三維造型是整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的CAD技術(shù)，不但可以輔助設(shè)計(jì)者完成其設(shè)計(jì)構(gòu)思，減輕勞動強(qiáng)度，提高效率和精度，改善視覺效果，而且為后續(xù)的分析、模具設(shè)計(jì)、NC加工等奠定了基礎(chǔ)。要高質(zhì)量地完成家電產(chǎn)品的造型，通常是經(jīng)過數(shù)次的反復(fù)，綜合利用各方面的知識和經(jīng)驗(yàn)，并掌握一定的造型方法和技巧。在實(shí)際操作中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中提高。