譚偉林 彭志強(qiáng) 鄧浩

摘要：本文借助Siemens NX強(qiáng)大的曲面造型功能，在現(xiàn)有無人機(jī)外殼STL模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行逆向造型設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述Siemens NX曲面逆向造型設(shè)計(jì)的全過程，獲得了可編輯、可加工的三維模型文件，逆向造型結(jié)果顯示本文所描述的曲面逆向造型設(shè)計(jì)思路基本正確，可為復(fù)雜曲面類零件的逆向造型提供可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：Siemens NX;無人機(jī)外殼;逆向造型

一、前言

隨著現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段不斷迭代，逆向造型設(shè)計(jì)已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中重要手段之一。所謂逆向造型設(shè)計(jì)是指具有逆向功能的三維建模軟件（Siemens NX、Creo等）根據(jù)現(xiàn)有模型的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)（TXT文件）或三角面片數(shù)據(jù)（STL模型），分析模型的曲面構(gòu)成，依次確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、特征線，逐步創(chuàng)建曲面、生成實(shí)體模型的過程。簡而言之，逆向造型設(shè)計(jì)過程為“點(diǎn)線面體”：關(guān)鍵點(diǎn)→關(guān)鍵曲線→創(chuàng)建曲面→縫合實(shí)體。近年來，逆向造型技術(shù)在市場的推動(dòng)下，其功能日趨完善，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具有周期短、效率高、成本低等特點(diǎn)，已成為新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品無損檢測的重要技術(shù)手段。

本文以無人機(jī)外殼零件為項(xiàng)目載體，根據(jù)已知無人機(jī)外殼實(shí)物，分別從采集數(shù)據(jù)、逆向造型、結(jié)果對(duì)比等三方面詳細(xì)介紹無人機(jī)外殼的逆向造型設(shè)計(jì)全過程。

二、采集數(shù)據(jù)

PowerScan面結(jié)構(gòu)光三維掃描儀具有非接觸掃描、掃描精度高、速度快等特點(diǎn)，能快速獲取零件的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本節(jié)主要使用PowerScan面結(jié)構(gòu)光三維掃描儀采集無人機(jī)外殼零件（如圖1a所示）表面三角面片數(shù)據(jù)，并最終生成用于逆向造型的STL模型。主要步驟為：①校對(duì)三維掃描儀——借助隨機(jī)攜帶的標(biāo)定板，按照操作說明書要求，依次調(diào)整三維掃描儀和標(biāo)定板的位置和狀態(tài)，逐步完成三維掃描儀的校對(duì)，要求目標(biāo)精度達(dá)到0.02mm以內(nèi);②無人機(jī)外殼零件預(yù)處理——首先清理無人機(jī)外殼零件上的雜質(zhì)和污物等影響表明數(shù)據(jù)的特征，然后將顯影劑均勻噴涂在零件表面，確保厚度均勻且零件表面被白色顯影劑完全覆蓋;③粘貼標(biāo)志點(diǎn)——為便于三維掃描儀準(zhǔn)確識(shí)別無人機(jī)外殼的各個(gè)部分，需要在無人機(jī)外殼表明粘貼一些標(biāo)志點(diǎn)，要求每一次調(diào)整掃描位置都能有至少三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)能被三維掃描儀識(shí)別，以便三維掃描儀能自動(dòng)完成無人機(jī)外殼點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接;④采集數(shù)據(jù)——使用已校對(duì)的三維掃描儀掃描貼好標(biāo)志點(diǎn)的零件，即可獲得一個(gè)視角方向上的零件表面數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)零件位置，即可獲得零件不同方位的表面數(shù)據(jù)，最后獲得零件的完整表面數(shù)據(jù);⑤導(dǎo)出數(shù)據(jù)——將采集的表明數(shù)據(jù)，進(jìn)行除噪、填補(bǔ)基準(zhǔn)孔等預(yù)處理操作后，生成三角面片數(shù)據(jù)（STL模型）（如圖1b所示），便于后續(xù)逆向造型。

三、逆向造型

Siemens NX軟件是一款功能完善的CAD/CAM/CAE綜合體工業(yè)軟件，同時(shí)也具有強(qiáng)大的曲面造型和逆向造型設(shè)計(jì)功能，能高質(zhì)量完成各類型復(fù)雜曲面類零件的設(shè)計(jì)。本節(jié)將借助Siemens NX軟件完成無人機(jī)外殼零件的逆向造型設(shè)計(jì)，主要從模型定位、曲面逆向和細(xì)節(jié)處理等三個(gè)部分描述逆向造型設(shè)計(jì)過程。

1、模型定位

將采集完成的無人機(jī)外殼STL模型導(dǎo)入至Siemens NX軟件中，STL模型將會(huì)出現(xiàn)在Siemens NX三維空間的任意位置，不便于逆向造型操作。因此，需要以現(xiàn)有STL模型為基礎(chǔ)，建立一個(gè)正確的坐標(biāo)系，再把STL模型以坐標(biāo)系為基礎(chǔ)進(jìn)行移動(dòng)至坐標(biāo)原點(diǎn)，確保無人機(jī)外殼的支撐腳底面為XY平面，兩側(cè)支撐腳的中性平面為YZ平面，支撐腳短邊的中性平面為XZ平面，如圖1c所示。具體操作方法為：①在原有STL模型上根據(jù)建立坐標(biāo)系的思路創(chuàng)建三個(gè)平面，運(yùn)用“基準(zhǔn)坐標(biāo)系”-“三平面”的方式創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)系CSYS1;②運(yùn)用“移動(dòng)對(duì)象”命令，采用“坐標(biāo)系到坐標(biāo)系”方式，將STL模型從CSYS1坐標(biāo)系移動(dòng)至原點(diǎn)坐標(biāo)系，完成STL模型關(guān)于原點(diǎn)坐標(biāo)系的定位，結(jié)果如圖1c所示。

2、曲面造型

2.1 無人機(jī)外殼支撐腳逆向

在Siemens NX建模環(huán)境中，運(yùn)用“直線”命令，直接在STL模型的底部平面特征上創(chuàng)建直線，并拉伸獲得底部平面，結(jié)果如圖2a所示;根據(jù)上步方法創(chuàng)建支撐腳的5個(gè)平面，運(yùn)用“修剪片體”命令修剪各曲面多余部分，并運(yùn)用“縫合”命令，將5個(gè)平面縫合為1個(gè)曲面組，結(jié)果如圖2b所示;運(yùn)用“鏡像幾何體”命令，將曲面組沿YZ平面鏡像至另一側(cè)，完成無人機(jī)外殼支撐腳特征的逆向造型，結(jié)果如圖2c所示。

2.2 無人機(jī)外殼主曲面逆向

首先分析無人外殼主曲面構(gòu)成，可發(fā)現(xiàn)其關(guān)于X軸和Y軸對(duì)稱，且為上下對(duì)稱，故可先逆向某一部分曲面，然后將這部分曲面鏡像至其他部分，進(jìn)而完成整個(gè)零件的曲面逆向造型設(shè)計(jì)。主要操作步驟為：①在Siemens NX中求得STL模型最大截面，并草繪完成最大輪廓線，并拉伸獲得控制曲面1，運(yùn)用“拉伸”“截面曲線”“草繪”等命令在STL模型上創(chuàng)建系列曲線，結(jié)果如圖3a所示;②運(yùn)用“通過曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建曲面2，并要求與控制曲面1相切，結(jié)果如圖3b所示;③拉伸無人機(jī)機(jī)翼部分平面1，創(chuàng)建以控制曲面1輪廓線為基準(zhǔn)的偏置線，將平面1切割成如圖3c所示形狀;④采用第2步類似的操作步驟，創(chuàng)建控制曲線，并運(yùn)用“通過曲線網(wǎng)格”命令完成曲面3的創(chuàng)建，結(jié)構(gòu)如圖3d所示;⑤運(yùn)用“通過曲線網(wǎng)格”命令將曲面1/2/3和平面1之間的空隙填滿，并與四周曲面實(shí)現(xiàn)相切連接，結(jié)果如圖3e所示;⑥以坐標(biāo)平面YZ和XZ平面為基準(zhǔn)，分別創(chuàng)建2條基準(zhǔn)曲線，并分別拉伸控制曲面4/5，結(jié)果如圖3f所示;⑦在控制曲面4/5相同位置處創(chuàng)建2條直線，并運(yùn)用“橋接”命令完成2條曲線，并運(yùn)用曲面命令完成頂部曲面6的創(chuàng)建，結(jié)果如圖3g所示;⑧首先將曲面1與6之間的空隙切割成“四邊面”，以便能形成高質(zhì)量曲面，“通過曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建曲面7，結(jié)果如圖3h所示;⑨采用和上步同樣的方法創(chuàng)建曲面8，結(jié)果如圖3i所示;⑩在曲面1/7/8和曲面6直線創(chuàng)建一個(gè)環(huán)形缺口，創(chuàng)建一個(gè)曲面，使頂部曲面銜接更加流暢，然后將所有曲面縫合為一個(gè)曲面組，結(jié)果如圖3j所示;?運(yùn)用“鏡像幾何體”命令將曲面組沿YZ平面和XZ平面鏡像，上這個(gè)上步曲面再次縫合為一個(gè)曲面組，再沿著最大截面平面處鏡像至下部，完成主體曲面的創(chuàng)建，結(jié)果如圖3k所示;?為使頂部曲面效果更好和貼合度更高，把頂部曲面切割成一個(gè)四邊形，然后再填補(bǔ)，結(jié)果如圖3l所示。

3、細(xì)節(jié)處理

首先運(yùn)用底部大平面，將無人機(jī)外殼底部多余曲面切除，完成與支撐腳的連接，最后縫合為一個(gè)整體，形成一個(gè)實(shí)體化的三維模型;根據(jù)STL模型上的孔位尺寸，在實(shí)體模型上，創(chuàng)建尺寸位置精準(zhǔn)的四個(gè)階梯孔;最后在支撐腳與機(jī)體位置創(chuàng)建倒圓角和倒角特征。

四、結(jié)語

本文通過完成無人機(jī)外殼逆向造型設(shè)計(jì)過程，一是發(fā)現(xiàn)Siemens NX軟件在逆向造型設(shè)計(jì)階段，憑借其強(qiáng)大的曲面造型和編輯能力，能快速、精準(zhǔn)的完成曲面逆向，在逆向造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有較大潛力;二是總結(jié)形成了曲面類零件的逆向建模過程：模型定位、曲面造型和細(xì)節(jié)處理，模型定位需設(shè)計(jì)者考慮后續(xù)逆向建模，曲面造型需設(shè)計(jì)者具備強(qiáng)大的軟件應(yīng)用能力和曲面運(yùn)用思維，細(xì)節(jié)處理需要設(shè)計(jì)者有認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度;三是本文可為復(fù)雜曲面類零件的逆向造型設(shè)計(jì)提供可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳恩連.基于Siemens NX的工業(yè)產(chǎn)品齒輪泵的逆向造型[J].機(jī)械工程師，2021（06）：105-106+109.

[2]劉帥，苗盈.基于NX的齒輪泵逆向設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（25）：44-45+48.

[3]葉鋒，張俠.基于NX10的氣缸蓋氣道的逆向設(shè)計(jì)[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（35）：67-68.

作者簡介：譚偉林，女，（1983年—），湖南常德人，湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向：逆向造型設(shè)計(jì)技術(shù)。