第2章 UG逆向工程设计概论

本章将主要对UG软件模块、NX 5.0用户界面和UG逆向设计理论进行简单的介绍。首先介绍UG软件的组成模块和相应功能。

2.1 UG软件模块简介

UG的功能是通过各功能模块来实现的，通过不同的功能模块来实现不同的用途，从而实现Unigraphics软件的强大功能。下面简要介绍常用的模块。

1.入口（UG/Gateway）模块

UG/Gateway入口模块是连接UG软件所有其他的基本框架，是启动UG软件运行的第一个模块，该模块为UG软件其他各模块的运行提供底层统一的数据库支持和一个窗口化的图形交互环境，该模块的主要功能包括：

● 执行包括打开、创建和存储UG模型的操作；

● 进行屏幕布局、视图定义、模型显示、消隐、着色、放大、旋转和模型漫游等操作；

● 进行图层的管理；

● 进行绘图输出、绘图机队列管理操作；

● 包括表达式查询、特征查询、模型信息查询、坐标查询、距离测量、曲线曲率分析、曲面光顺分析及实体物理特性自动计算功能在内的对象信息查询和分析功能；

● 该模块提供了一个现代化的电子表格应用，构造和管理零件家族并操纵部件间表达式，定义标准化零件族的电子表格功能；

● 可用于互联网主页的图片文件格式生成UG零件或装配模型的图片文件，这些格式包括：CGM、VRML、TIFF、MPEG、GIF和JPEG；

● 输入、输出CGM、UG/Parasolid等几何数据；

● Macro宏命令自动记录、回放功能；

● 用户自定义菜单功能，使用户可以快速访问其常用功能或二次开发的功能；

● 模块使用权浮动管理等关键功能。

2.实体建模（UG/Solid Modeling）模块

提供业界最强的复合建模功能，实体建模模块无缝地集成基于约束的特征建模和显式几何建模，用户可以取得集成于一个高级的基于特征环境内的传统实体、曲线和框线建模的功能。

实体建模模块使用户能够方便地建立二维和三维模型，扫描和旋转实体，进行布尔运算和参数化编辑，包括对快速和有效的概念设计的变量化的草图绘制工具，以及更通用的建模和编辑任务的工具。模块的易于了解和基于图符的图形环境是同一基础，能够被所有其他建模模块存取与操作。实体建模模块是特征建模和自由形状建模两者的必要基础。

3.特征建模（UG/Features Modeling）模块

特征建模模块提高了表达式的级别，可以用工程特征来定义设计信息，在实体建模模块的基础上提高了用户设计意图表达的能力。

该模块支持标准设计特征的生成和编辑，包括各种孔、键槽、凹腔、方形凸台、圆形凸台，以及圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角，等等，同时也包括实体模型抽空产生薄壁实体的能力。

所产生的特征均被参数化定义，可对其大小及位置进行尺寸驱动编辑。除系统定义特征外，用户还可使用在用户自定义特征模块中定义的用户定义特征。已经存储在同一目录中的用户自定义特征也可以添加到设计模型上，特征可以相对于任一其他特征或对象定位，也可以引用阵列复制，以建立特征的相关集、个别地定位或在一简单图案和阵列中定位。

所有特征均可相对其他特征或几何体定位，可以编辑、删除、压缩、复制、粘贴、引用或改变特征顺序，并提供特征历史树记录所有特征。

4.自由形状建模（UG/Freeform Modeling）模块

自由曲面建模模块把实体和曲面建模技术融合在一组强大的工具中，提供生成、编辑和评估复杂曲面的强大功能，可以方便地设计如飞机、汽车、电视及其他工业造型设计产品上的复杂自由曲面形状。

这些技术包括：直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动、等距或不等距偏置、曲面裁剪及编辑等。

该模块同时支持通过一组曲线线架逼近或通过测量点云逼近生成曲面等逆向工程功能。生成的曲面模型既可通过修改定义曲面的曲线改变参数值，也可利用图形或数学规律来控制曲面形状。

该模块包括为评估复杂模型的形状、尺寸和曲率的易于使用的工具。

5.用户自定义的特征（UG/User-Defined Features）模块

用户自定义特征模块提供一种交互方法来定义和存储基于用户自定义的特征，这样便建立了便于调用和编辑的零件族，形成用户专用的UDF库，提高用户设计建模效率。

该模块包括从已生成的UG参数化实体模型中提取参数、定义特征变量、建立参数间相互关系、设置变量缺省值及定义代表该UDF的图标菜单的全部工具。

在用户定义的特征生成之后，即变成可通过图标菜单被所有用户调用的用户专有特征，当把该特征添加到设计模型中时，其所有预设变量参数均可编辑并将按UDF建立时的设计意图而变化。

6.制图（UG/Drafting）模块

UG/Drafting模块使设计师、工程师或制图员能够以实体模型去绘制产品的工程图。基于Unigraphic的复合建模技术，UG/Drafting建立与几何模型相关的尺寸，确保在模型改变时，图将被更新，减少图更新所需的时间，同时，视图包括的消隐线和相关的模型截面视图在模型改变时也是自动地更新。自动的视图布局能力提供快速的视图布局，包括正交视图投射、截视图、辅助视图和细节视图。UG/Drafting支持主要业界制图标准ANSI，ISO，DIN和JIS中图的建立，它有一套完整的基于图符的图创建和注释工具，利用由UG/Assenigly Modeling创建的装配信息方便地建立装配图，包括快速地建立装配分解视图的能力，无论是制作单一件的工程图还是装配和组件的工程图，UG/Drafting都可以减少工程图生成的时间和成本。

7.装配建模（UG/Assembly Modeling）模块

提供一个并行的自顶向下的产品开发方法，UG/Assembly Modeling的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑，组件被灵活地配对或定位，而且改进了相关的性能和减少存储的需求，参数化的装配建模提供了为描述组件间配对关系和为规定共同的紧固件组和其他重复零件的附加功能，结构体系允许极大的产品结构由一设计队伍来创建和共享，这个使队伍成员继续他们的工作与其他人并行，部件的版本和用户规定的命名规则由UG/Manager的配置规则来正确存取。

8.高级装配（UG/Advanced Assemblies）模块

UG高级装配模块提供的功能为：增加产品装配设计的特殊功能；允许用户灵活过滤装配结构的数据调用控制；高速大装配着色；大装配干涉检查功能；管理、共享和检查用于确定复杂产品布局的数字模型，完成全数字化的电子样机装配；提高对整个产品、指定的子系统或子部件进行可视化和装配分析的效率；定义各种干涉检查工况，存储起来多次使用，并可选择以批处理方式运行；软、硬干涉的精确报告；对于大型产品，设计组可定义、共享产品区段和子系统，以提高从大型产品结构中选取进行设计更改的部件时软件运行的响应速度；并行计算能力，支持多CPU硬件平台，可充分利用硬件资源。

9.UG/Data Exchange（数据交换）

UG/Data Exchange数据交换模块提供基于STEP、IGES和DXF标准的双向数据接口功能，是业界最可靠的数据交换产品。

10.UG/Studio for Design（UG产品渲染）

Studio for Design为概念设计提供了完全的支持。强大的可视化工具包括高质量逼真照片渲染、动画制作及实时材料与纹理映射。能帮助完成高质量的和最精美的设计。

11.UG/WAVE Control（关联控制）

UG/WAVE（What if Alternative Value Engineering）产品级参数化设计技术，适应于汽车、飞机等复杂产品的设计。UG/WAVE技术使产品总体设计的更改自上而下自动传递。该技术可用于从产品初步设计到详细设计的每个阶段。

UG/WAVE技术帮助用户找出驱动产品设计变化的关键设计变量，并将这些变量放入UG/WAVE顶层控制结构中，子部件和零件的设计则与这些变量相关，对这些变量的更改将自动更新顶层结构和与其相关的子部件和零件。

由于UG采用基于变量几何的复合建模技术，这些关键设计变量既可以是数值变量，也可以是如一根样条曲线或空间曲面的广义变量，数值变化和形状变化都能根据UG/WAVE的控制传递到相关的子部件和零件设计中去。

UG/WAVE技术的使用符合参数化产品的设计过程和规则，即：先总体设计后再详细设计，局部设计决策服从总体设计决策。而过去的参数化技术多是进行在零件本身的参数化上，对于整个产品的参数关系管理非常困难。UG/WAVE提供了解决大型产品设计中的设计更改控制问题的方案，是面向产品级的并行工程技术。有利于提高设计重复利用率。

UG/WAVE的主要组成部分有：UG/WAVE相关性管理器，提供用户对设计更改传递的完全控制、提供关于对象和零件的详细信息；UG/WAVE几何导引器提供相关设计几何的信息，允许沿几何相关关系查找相关部件与零件，处理零件或部件之间的相关关系；UG/WAVE控制结构编辑器，建立产品顶层控制结构及与之相关的下层部件关系，层层递增建立下一层的零件结构，并建立新建零部件与其上层结构的相关关系，在WAVE层次结构中切换显示到父装配或WAVE源零件中。

12.UG/Motion Simulation（UG运动仿真）

UG/Motion Simulation（UG运动仿真）模块提供机构设计、分析、仿真和文档生成功能，可在UG实体模型或装配环境中定义机构，包括铰链、连杆、弹簧、阻尼和初始运动条件等机构定义要素。定义好的机构可直接在UG中进行分析，进行各种研究，包括最小距离、干涉检查和轨迹包络线等，同时可实际仿真机构运动。用户可以分析反作用力，图解合成位移、速度和加速度曲线。反作用力可输入有限元分析，并可提供一个综合的机构运动连接元素库。

2.2 UG NX 5.0的用户界面

用户安装好UG NX 5.0之后，在Windows桌面上双击UG NX 5.0快捷图标 ，或者选择【开始】→【所有程序】→【UGS NX 5.0】→【NX 5.0】命令，此时出现UG NX 5.0欢迎界面，如图2-1所示。

在欢迎界面出现的同时UG NX 5.0软件进行初始化，然后进入UG NX 5.0的初始界面。

2.2.1 UG NX 5.0的基本界面

在初始界面中，单击【标准】工具条上的【新建】按钮 ，或选择【文件】→【新建】命令，弹出【文件新建】对话框，如图2-2所示。

UG NX 5.0新增加的【文件新建】对话框提供了3个选项卡：模型、图纸和仿真，用户可根据需要选择对应的模板。首先选择【模型】选项卡中的模型模板，在【新文件名】选项组中的【名称】文本框中输入新文件名（UG NX 5.0要求存盘目录和文件名必须是英文字符），在【文件夹】文本框中选择文件保存的目录，最后单击【确定】按钮，弹出NX 5.0 Gateway基本界面，如图2-3所示。

UG NX 5.0基本界面主要由标题栏、菜单栏、工具条、绘图区、坐标系图标、提示栏、状态栏和资源导航器等部分组成。

1.标题栏

标题栏位于UG NX 5.0用户界面的最上方，它显示软件的名称和当前部件文件的名称。如果对部件文件进行了修改，但没有保存，在后面还会显示“（修改的）”提示信息。

2.菜单栏

菜单栏位于标题栏的下方，包括了该软件的所有功能，系统所有的命令和设置选项都归属于不同的菜单下，它们分别为文件、编辑、视图、格式、工具、装配、信息、分析、首选项、窗口和帮助的菜单。

3.工具条

工具条是一组图标型工具的集合，它为用户提供了另一种调用命令和实现各种操作的快捷执行方式。UG NX 5.0环境中普遍使用各种工具条，在默认情况下，将显示【标准】工具条、【视图】工具条、【实用工具】工具条、【捕捉点】工具条和【选择】工具条。把光标移动到某个按钮上稍停片刻，即在该按钮的一侧显示相应的工具提示信息。

4.提示栏

提示栏主要用于提示用户如何操作，是用户与计算机信息交互的主要窗口之一。在执行每个命令时，系统都会在提示栏中显示用户必须执行的动作，或者提示用户的下一个动作。

5.状态栏

状态栏位于提示栏的右方，显示有关当前选项的消息或最近完成的功能信息，这些信息不需要回应。

6.对话框及对话框横条夹

在UG NX 5.0中，几乎所有对话框都打开在对话框横条夹的预定义位置上，用户可拖动对话框横条夹将横条夹放置在所需的目标位置处，也可单击横条夹上的标题栏临时隐藏一个打开的对话框。另外，如果愿意，可以单击对话框横条夹中的【松开】按钮（）松开对话框，让它们浮在屏幕上，反之单击对话框上的【夹住】按钮（），使对话框锁紧在横条夹位置处。

7.绘图区

绘图区是UG创建、显示和编辑图形的区域，也是进行结果分析和模拟仿真的窗口，相当于工程人员平时使用的绘图板。当光标进入绘图区后，指针就会显示选择球。

8.坐标系图标

在UG NX 5.0的窗口左下角新增了绝对坐标系图标。在绘图区中央有一个坐标系图标，该坐标系称为工作坐标系WCS，它反映了当前所使用的坐标系形式和坐标方向。

9.资源导航器

资源导航器用于浏览编辑创建的草图、基准平面、特征和历史记录等。在默认情况下，资源导航器位于窗口的左侧。通过选择资源导航器上的图标可以调用装配导航器、部件导航器、操作导航器、Internet、帮助和历史记录等。

2.2.2 UG NX 5.0功能模块的进入

当启动UG NX 5.0之后，进入UG的基本界面，实际上它是在Gateway应用模块中工作。如前所述，UG NX 5.0包括许多功能模块，如建模模块、加工模块和运动仿真模块等。要想进入上述模块，常用的方法有以下两种。

（1）单击【标准】工具条上的【开始】按钮 ，弹出下拉菜单，如图2-4所示。该下拉菜单列出了各种功能模块的名称，用户可以根据需要选择相应的功能模块进行设计。

（2）单击【应用程序】工具条其中一个功能模块图标按钮，可直接进入相应的功能模块，如图2-5所示。

2.3 UG逆向设计的一般流程

利用UG进行逆向工程设计的一般流程为：点处理→线处理→面处理→结构体处理。即在进行逆向设计时，首先取得数据点，然后利用数据点构造曲线，对构造的曲线进行编辑修改，最后进行曲面的构造，利用构造的曲面进行结构体的设计构造。

1.点处理

UG能够直接读入如三坐标测量机所得的离散数据点，但对于高密度点云，UG处理起来很困难，需要利用其他软件把高密度点云测点处理成离散数据点然后读入UG软件中。

对于数据点的要求。一般原则是在曲率变化比较大的地方点要密一些，平滑的地方则可以稀一些。值得注意的是，除了外形剖面、分型线需要质量比较高的数据点外，零件的轮廓线等特征线也是十分重要的，必须有相关的数据点，这样在构面时会带来很大的方便。

2.曲线处理

（1）点整理

连线之前先整理好点，包括去噪点、明显缺陷点。为了便于管理将同方向的剖面点放在同一层里，分型线点、孔位点放在另外一层中，轮廓线点也单独放在一层中。通常这项工作在数据点读入UG后由UG软件完成。

（2）通过数据点构造曲线

通过分型线点构造曲线尽量做到误差最小并且光顺。对汽车、摩托车这类零件来说，连线的误差一般控制在0.5mm以下。连线要做到有的放矢，根据样品的形状、特征大致确定构面方法，从而确定需要连哪些线条，不必连哪些线条。连线可用直线、圆弧或样条线，最常用的是样条线。选点间隔尽量均匀，有圆角的地方先忽略，做成尖角，做完曲面后再倒圆角。

（3）曲线调整

因测量有误差及样件表面不光滑等原因，连成的曲线曲率变化往往存在突变，对以后的构面的光顺性有影响。因此曲线必须经过调整，使其光顺。

必须注意的是在调整曲线的过程中会产生偏差，调整次数越多，累积误差越大。误差允许值根据零件的具体要求决定。

3.曲面处理

UG提供了丰富易用的曲面构造功能，利用UG提供的曲面构造功能构建曲面时，往往还要对一些曲线进行调整或增加一些曲线，以便曲面的构造。曲面建成后，要检查曲面的误差，对外观要求较高的曲面还要检查表面的光顺度。

曲面构造要注意简洁。面要尽量做得大，张数少，不要太碎，这样有利于后面增加一些圆角、斜度、厚度等特征。

4.结构体的构造

当曲面完成后，就要构建实体模型，以便于构造结构。

在结构体构造过程中，常常是先利用曲面建立外形实体，然后再进行产品结构设计，如加强筋、安装孔等的设计工作。

2.4 UG逆向设计原则及重要概念

1.UG逆向设计原则

利用UG进行逆向设计时，主要遵循以下几点原则。

（1）构造曲面的曲线尽可能简单，曲线阶次一般最好取3阶。曲线阶次过高会对曲线的调整带来困难。

（2）用于构造曲面的曲线要保证光顺连续，无尖角、交叉和重叠，在进行构造曲面时，要对所利用的曲线进行曲率分析，避免造成曲面的不光顺。

（3）曲面的曲率半径及内圆角半径不能过小，要略大于标准刀具的半径，否则会造成加工困难。

（4）尽量避免使用高阶次曲面，同曲线类似，过高的阶次不仅会带来曲面调整的困难，而且很难保证曲面的光顺度。

（5）尽量避免构造非参数化的曲面，参数化设计是先进的设计方法，在建模过程中尽量利用参数化设计的方法，以构造参数化的曲面，这样会对曲面的调整带来极大的便利。

（6）曲面尽量要简洁。面尽量做大，对不需要的部分进行裁剪。曲面的张数尽量少，不要太碎。这样不仅有利于曲面的光顺，还有利于后面增加一些圆角、斜度、厚度等特征，而且也有利于下一步编程加工，这样NC刀路的计算量会大大减小。

（7）对于一些曲面倒角，一般先使两曲面相交成一棱边，然后再进行倒角。

2.UG软件的重要概念

由于UG软件中涉及了一些比较专业的概念，对于一般使用者难以理解，因此下面对UG中的一些重要概念进行阐述。

（1）片体与曲面

片体是UG的术语，指厚度为0的实体，即只有表面，没有体积。一个片体是一个独立的几何体，可以包含一个特征，也可以包含多个特征。

曲面是一种泛称，片体和实体的自由表面都可以称为曲面。

（2）曲面的U、V方向

一般我们通过多行方向大致一致的点或曲线来定义曲面，那么，这个大致方向称为曲面的U方向。与U方向相垂直的方向称为V方向。

（3）曲面的阶次

类似于曲线的阶次，UG使用相同的概念定义曲面，由于曲面具有U、V两个方向，所以每个片体均包含U、V两个方向的阶次，在UG中，阶次必须介于2~24之间，但最好采用3次，阶次过高会使系统计算量过大，产生意外结果，在数据交换时会使数据丢失。

（4）补片类型

片体是由补片构成的，所建立的片体只包含一个单一的补片，我们称为单补片。所建立的片体是一系列单补片的阵列，我们称为多补片。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，尽量减少补片的数量，这样可以使所创建的曲面更光滑。

3.UG中的几何类型

UG中定义了几种几何类型，用户在进行CAD建模时，会经常用到这些对象，理解这些对象的定义，用户就可以方便地处理它们，下面对重要的类型进行阐述。

（1）点

最基本的几何对象，以“+”表示。它分为关联点和不关联点两类，关联点可以直接具有参数化特征，可以直接通过编辑点的坐标值进行修改。

（2）曲线

基本的几何对象，包括直线、二次曲线和样条曲线等，也分为关联和不关联两种。

（3）边缘

表面边界线，它是与表面相关联的，不能单独存在或删除。

（4）片体

由封闭曲线围成的曲面片，厚度为0，一般指自由曲面。

（5）实体

由封闭片体围成的具有体积的物体，一般CAD模型最终由实体来表示。上述的几种类型如图2-6所示。

2.5 本章小结

本章对UG逆向工程设计进行了简单叙述，包括：UG软件模块简介、UG NX 5.0用户界面、UG逆向设计的一般流程及UG逆向设计原则及重要概念。学习完本章，读者将了解UG逆向设计的一些必要知识，在后面UG逆向设计技术学习中提高效率。