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第5章曲面造型•5.1曲面概述•5.2由点构造曲面•5.3由曲线构造曲面•5.4其他构造曲面•5.5曲面编辑•5.6曲面操作与编辑综合实例5.1曲面概述•在利用CAD软件进行产品设计时，对于形状比较规则的零件，利用实体特征的造型方式快捷而方便，基本能满足造型的需要。但对于形状复杂的零件，实体特征的造型方法就显得力不从心，有很多局限性，难以胜任，而UG自由曲面构造方法繁多、功能强大、使用方便，提供了强大的弹性化设计方式，成为三维造型技术的重要组成。•实际生产中，设计复杂的零件时，可以采用自由形状特征直接生成零件实体，也可以将自由形状特征与实体特征相结合完成，目前，在日常用品、飞机、轮船和汽车等工业产品的造型设计中应用十分广泛。下一页返回5.1曲面概述•5.1.1曲面的概念及分类•1．曲面的基本概念•1）实体、片体和曲面•在UG中，构造的物体类型有2种：实体与片体。实体是具有一定体积和质量的实体性几何特征。片体是相对于实体而言的，它只有表面，没有体积，并且每一个片体都是独立的几何体，可以包含一个特征，也可以包含多个特征。•（1）实体：具有厚度、由封闭表面包围的具有体积的物体。•（2）片体：厚度为0，没有体积存在。•（3）曲面：任何片体、片体的组合以及实体的所有表面。•2）曲面的U、V方向上一页下一页返回5.1曲面概述•在数学上，曲面是用两个方向的参数定义的：行方向由U参数、列方向由V参数定义。对于“通过点”的曲面，大致具有同方向的一组点构成了行，与行大约垂直的一组点构成了列方向，如图5.1-1所示。对于“通过曲线”和“直纹面”的生成方法，曲线方向代表了U方向，如图5.1-2所示。•3）曲面的阶次•曲面的阶次类似于曲线的阶次，是一个数学概念，用来描述片体的多项式的最高次数，由于片体具有U、V两个方向的参数，因此，需分别指定次数。在UGNX中，片体在U、V方向的次数必须介于2～24，但最好采用3次，称为双三次曲面。曲面的阶次过高会导致系统运算速度变慢，甚至在数据转换时，容易发生数据丢失等情况。上一页下一页返回5.1曲面概述•4）补片类型•片体是由补片构成的，根据补片的类型可分为单补片和多补片。单补片是指所建立的片体只包含一个单一的补片，而多补片则是由一系列的单补片组成，如图5.1-3所示。用户在相应的对话框中可以控制生成单张或多张曲面片。补片越多，越能在更小的范围内控制片体的曲率半径，一般情况下，减少补片的数量，可以使所创建的曲面更光滑，因此，从加工的观点出发，创建曲面时应尽可能使用较少的补片。•5）曲面公差•在数学上，曲面是采用逼近和插值方法进行计算的，因此需要指定造型误差，具体包括两种类型，其公差值在曲面造型预设置中设定。上一页下一页返回5.1曲面概述•（1）距离公差：指构造曲面与数学表达的理论曲面在对应点所允许的最大距离误差。•（2）角度公差：指构造曲面与数学表达的理论曲面在对应点所允许的最大角度误差。•2．曲面的常见类型•通常，定义曲面特征可以采用点、线、片体或实体的边界和表面。根据其创建方法的不同，曲面可以分为很多类型，常见的有以下几种。•（1）基于点的曲面：主要有通过点、由极点、点云、四点曲面等类型。•（2）基于曲线的曲面：主要有直纹曲面、通过曲线、过曲线网格、扫描和截面体等类型。•（3）基于片体的曲面：主要有延伸片体、桥接片体、增厚片体、面圆角、软圆角、偏置面等类型。上一页下一页返回5.1曲面概述•3．曲面造型的预设置•在曲面造型前，为获得合适的曲面，应当在建模之前进行曲面预设置。•单击菜单【首选项】/【建模】选项，打开“建模首选项”对话框，如图5.1-4所示。•1）“常规”选项卡•（1）体类型：控制基于曲线的自由特征、扫掠特征生成的是实体还是曲面（图纸页）。上一页下一页返回5.1曲面概述•（2）栅格线：在线框显示模式下，控制曲面内部是否以线条显示，以区别是曲面还是曲线，曲面内部曲线的条数可分别由U、V方向的显示条数控制；如图5.1-6（a）所示的线框，不能看出是一个曲面还是4条曲线；而在图5.1-6（b）中，用户立即看出这是曲面。如果在“建模首选项”中没有设定，可以在曲面构造完成后，单击菜单【编辑】/【对象显示】选项，选择需编辑的曲面，单击【确定】按钮，在如图5.1-7所示的对话框中设置“U”和“V”数值。•（3）密度和密度单位：密度主要用于几何特性计算。•2）“自由曲面”选项卡•（1）曲线拟合方法：在拟合方法中使用三次还是五次曲线，主要用在样条曲线的构造上。上一页下一页返回5.1曲面概述•（2）自由曲面构造结果：控制生成的平面在数学上是“平面”表示还是“B-曲面”表示。当选中【B曲面】单选项时，即使所生成的几何体是平面，系统总是建立一个样条曲面类型的片体；而选中【平面】单选项时，同时定义曲面的边界线在同一平面上，系统将建立一个平面类型的片体。•5.1.2曲面构造的方法和原则•1．构造曲面的方法•使用UGNX6曲面造型模块，用户能够设计复杂的自由外形。例如，在进行汽车、飞机以及各种日用品的外形设计时，除了能满足功能要求外，还需要美观、圆滑、符合人体工程学要求等。上一页下一页返回5.1曲面概述•构造曲面时，一般先根据产品外形要求，将绘制的剖截面通过拉伸、旋转等操作创建；也可以由绘制的边界曲线，或者由实样测量的数据点，运用通过点、点云、过曲线等方法创建；对于简单的曲面，可以一次完成建模，而实际产品的形状往往比较复杂，还需对已有曲面进行延伸、修剪、过渡连接、光顺处理等编辑操作才能完成整体造型。•按照曲面的类型不同，构造曲面的方法可大致分为以下3类。•（1）利用点构造曲面：它根据导入的点数据构建曲线、曲面。如通过点、从极点、从点云等构造方法，该功能所构建的曲面与点数据之间不存在关联性，是非参数化的，即当构造点编辑后，曲面不会产生关联变化。由于这类曲面的可修改性较差，建议尽量少用。上一页下一页返回5.1曲面概述•（2）利用曲线构造曲面：根据曲线构建曲面，如直纹面、通过曲线、过曲线网格、扫掠、截面线等构造方法，此类曲面是全参数化特征，曲面与曲线之间具有关联性，工程上大多采用这种方法。•（3）利用曲面构造曲面：根据曲面为基础构建新的曲面，如桥接、N-边曲面、延伸、按规律延伸、放大、曲面偏置、粗略偏置、扩大、偏置、大致偏置、曲面合成、全局形状、裁剪曲面、过渡曲面等构造方法。•2．曲面工具•UG软件的曲面设计模块中，具有十分强大的曲面造型功能，主要包含常规曲面设计、自由曲面设计和曲面编辑等功能。构造曲面的工具条和菜单如图5.1-8所示。上一页下一页返回5.1曲面概述•3．构造曲面的一般原则•在UGNX6中，使用曲面功能设计产品外形时，一般应遵循以下原则：•（1）用于构造曲面的曲线尽可能简单，曲线阶次数3。•（2）用于构造曲面的曲线要保证光顺连续，避免产生尖角、交叉和重叠。•（3）曲面的曲率半径尽可能大，否则会造成加工困难和复杂。•（4）曲面的阶次尽量选择三次，避免使用高次曲面。•（5）避免构造非参数化特征。•（6）如有测量的数据点，建议可先生成曲线，再利用曲线构造曲面。上一页下一页返回5.1曲面概述•（7）根据不同3D零件的形状特点，合理使用各种曲面构造方法。•（8）设计薄壳零件时，尽可能采用修剪实体，再用抽壳方法进行创建。•（9）面之间的圆角过渡尽可能在实体上进行操作。•（10）内圆角半径应略大于标准刀具半径，以方便加工。上一页返回5.2由点构造曲面•由点构造曲面的方法是根据导入的点数据构建曲线、曲面，能方便地生成通过指定点的曲面。由点构造曲面特征主要有以下几种方法。•（1）通过点：输入的点一定落在构造的曲面上。•（2）从极点：由控制多边形逼近出一个曲面。•（3）从点云：由大量数据点拟合的曲面。•（4）四点曲面：通过指定的四个点构造一个曲面。•【例5.2-1】“通过点”与“从极点”构造曲面操作实例•根据如图5.2-1所示点，用“通过点”或“从极点”的方法构造曲面。操作步骤如下。下一页返回5.2由点构造曲面•（1）单击图标或单击【插入】/【曲面】/【通过点】选项，弹出如图5.2-2所示的对话框（如果为【从极点】，应单击图标，后面的操作类似）。•（2）按图5.2-2所示进行设置，单击【确定】按钮，弹出如图5.2-3所示“过点”对话框。•（3）确定点的选择方法为【全部成链】，弹出“指定点”对话框，按提示在屏幕上依次选择每行的起点、终点，选完一行后，单击【确定】按钮，依次选择下一行点，全部完成点的指定后，单击如图5.2-4所示【所有指定的点】按钮，完成曲面，如图5.2-5所示。其中，图（a）为“通过点”构造的曲面；图（b）为“从极点”构造的曲面。上一页下一页返回5.2由点构造曲面•注意：选择点时，按行选择，而且，应当按照同样的顺序进行，否则可能导致曲面扭曲，如图5.2-6所示。•当点来自扫描仪或数控测量点时，数据非常庞大，输入的点数很多，而且这些点可能没有严格按照行或列组织，是一种无规律的散乱点形式，此时，利用“从点云”的构造方式比较方便。•【例5.2-2】“从点云”构造曲面操作实例•根据如图5.2-1所示点，用“从点云”的方法构造曲面。操作步骤如下。•（1）单击图标或单击【插入】/【曲面】/【从点云】选项，弹出如图5.2-7所示的对话框。•（2）输入U方向和V方向次数，建议输入“3”。输入U方向和V方向曲面片数。上一页下一页返回5.2由点构造曲面•（3）确定坐标方向：由于点云没有行、列组织，因此，需要指定一个坐标系。如果用户不指定，系统有默认的四边形和U、V轴，如图5.2-8所示。图5.2-8坐标方向的确定•（4）在屏幕上选择点：直接用鼠标画出矩形框将需要输入的点全部包含在内。构造的曲面如图5.2-9所示。•注意：在同样数据点的情况下，点云方式逼近的曲面比通过点方法要光滑得多，但有误差，点不一定落在曲面上。上一页下一页返回5.2由点构造曲面•【例5.2-3】“四点曲面”操作实例•根据已知四点，用“四点曲面”的方法构造曲面。操作步骤如下。•（1）单击图标或单击【插入】/【曲面】/【四点曲面】选项，弹出如图5.2-10属性栏。•（2）按提示依次选择四点，单击【确定】按钮，完成曲面构造，如图5.2-11所示。上一页返回5.3由曲线构造曲面•利用曲线构造曲面在工程上应用非常广泛，例如飞机的机身、机翼等，原始输入数据是若干截面上的点，一般先将其生成样条曲线，再构造曲面。此类曲面至少需要两条曲线，并且，生成的曲面与曲线之间具有关联性，即对曲线进行编辑后曲面也将随之变化。基于曲线的曲面特征如下。•（1）输入一个方向的曲线：直纹面、过曲线组、截面线。•（2）输入两个方向的曲线：过曲线网格、扫掠曲线。•这里所指的曲线可以是曲线、片体的边界线、实体表面的边、多边形的边等。返回下一页5.3由曲线构造曲面•5.3.1直纹面•直纹面是严格通过两条截面线串而生成的直纹片体或实体，它主要表现为在两个截面之间创建线性过渡的曲面。其中，第一根截面线可以是直线、光滑的曲线，也可以是点。而每条曲线可以是单段，也可以是多段组成。•1．“直纹面”操作实例•【例5.3-1】通过两条曲线创建直纹面。•操作步骤如下。•（1）单击直纹面图标或单击【插入】/【网格曲面】/【直纹面】选项，弹出“直纹”对话框，如图5.3-1所示。上一页下一页返回5.3由曲线构造曲面•（2）选择第一条曲线作为截面线串1，在第一条曲线上，会出现一个方向箭头。•（3）单击鼠标中键完成截面线串1的选择或单击截面线串2选择按钮，选择第二条曲线作为截面线串2，在第二条曲线上，也会出现一个方向箭头，如图5.3-2所示。•（4）可以根据输入曲线的类型，选择需要的对齐方式，如图5.3-1所示，然后单击【确定】按钮，得到如图5.3-3所示的曲面，完成曲面创建。•注意：第二条曲线的箭头方向应与第一条线的箭头方向一致，否则会导致曲面扭曲，如图5.3-4所示。上一页下一页返回5.3由曲线构造曲面•2．对齐方式•用曲线构成曲面时，对齐方法说明了截面曲线之间的对应关系，对齐将影响曲面形状。直纹曲面常用对齐方式如图5.3-