基于Siemens NX的無人機外殼逆向造型設計

譚偉林 彭志強 鄧浩

摘要：本文借助Siemens NX強大的曲面造型功能，在現有無人機外殼STL模型的基礎上進行逆向造型設計，詳細描述Siemens NX曲面逆向造型設計的全過程，獲得了可編輯、可加工的三維模型文件，逆向造型結果顯示本文所描述的曲面逆向造型設計思路基本正確，可為復雜曲面類零件的逆向造型提供可復制的經驗。

關鍵詞：Siemens NX;無人機外殼;逆向造型

一、前言

隨著現代產品設計手段不斷迭代，逆向造型設計已成為產品設計中重要手段之一。所謂逆向造型設計是指具有逆向功能的三維建模軟件（Siemens NX、Creo等）根據現有模型的表面點云數據（TXT文件）或三角面片數據（STL模型），分析模型的曲面構成，依次確定關鍵節點、特征線，逐步創建曲面、生成實體模型的過程。簡而言之，逆向造型設計過程為“點線面體”：關鍵點→關鍵曲線→創建曲面→縫合實體。近年來，逆向造型技術在市場的推動下，其功能日趨完善，相對于傳統設計方法，具有周期短、效率高、成本低等特點，已成為新產品開發、產品無損檢測的重要技術手段。

本文以無人機外殼零件為項目載體，根據已知無人機外殼實物，分別從采集數據、逆向造型、結果對比等三方面詳細介紹無人機外殼的逆向造型設計全過程。

二、采集數據

PowerScan面結構光三維掃描儀具有非接觸掃描、掃描精度高、速度快等特點，能快速獲取零件的表面點云數據。本節主要使用PowerScan面結構光三維掃描儀采集無人機外殼零件（如圖1a所示）表面三角面片數據，并最終生成用于逆向造型的STL模型。主要步驟為：①校對三維掃描儀——借助隨機攜帶的標定板，按照操作說明書要求，依次調整三維掃描儀和標定板的位置和狀態，逐步完成三維掃描儀的校對，要求目標精度達到0.02mm以內;②無人機外殼零件預處理——首先清理無人機外殼零件上的雜質和污物等影響表明數據的特征，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粘貼標志點——為便于三維掃描儀準確識別無人機外殼的各個部分，需要在無人機外殼表明粘貼一些標志點，要求每一次調整掃描位置都能有至少三個標志點能被三維掃描儀識別，以便三維掃描儀能自動完成無人機外殼點云數據的拼接;④采集數據——使用已校對的三維掃描儀掃描貼好標志點的零件，即可獲得一個視角方向上的零件表面數據，通過移動零件位置，即可獲得零件不同方位的表面數據，最后獲得零件的完整表面數據;⑤導出數據——將采集的表明數據，進行除噪、填補基準孔等預處理操作后，生成三角面片數據（STL模型）（如圖1b所示），便于后續逆向造型。

三、逆向造型

Siemens NX軟件是一款功能完善的CAD/CAM/CAE綜合體工業軟件，同時也具有強大的曲面造型和逆向造型設計功能，能高質量完成各類型復雜曲面類零件的設計。本節將借助Siemens NX軟件完成無人機外殼零件的逆向造型設計，主要從模型定位、曲面逆向和細節處理等三個部分描述逆向造型設計過程。

1、模型定位

將采集完成的無人機外殼STL模型導入至Siemens NX軟件中，STL模型將會出現在Siemens NX三維空間的任意位置，不便于逆向造型操作。因此，需要以現有STL模型為基礎，建立一個正確的坐標系，再把STL模型以坐標系為基礎進行移動至坐標原點，確保無人機外殼的支撐腳底面為XY平面，兩側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模型上根據建立坐標系的思路創建三個平面，運用“基準坐標系”-“三平面”的方式創建基準坐標系CSYS1;②運用“移動對象”命令，采用“坐標系到坐標系”方式，將STL模型從CSYS1坐標系移動至原點坐標系，完成STL模型關于原點坐標系的定位，結果如圖1c所示。

2、曲面造型

2.1 無人機外殼支撐腳逆向

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

2.2 無人機外殼主曲面逆向

首先分析無人外殼主曲面構成，可發現其關于X軸和Y軸對稱，且為上下對稱，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，進而完成整個零件的曲面逆向造型設計。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，運用“拉伸”“截面曲線”“草繪”等命令在STL模型上創建系列曲線，結果如圖3a所示;②運用“通過曲線網格”命令創建曲面2，并要求與控制曲面1相切，結果如圖3b所示;③拉伸無人機機翼部分平面1，創建以控制曲面1輪廓線為基準的偏置線，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，創建控制曲線，并運用“通過曲線網格”命令完成曲面3的創建，結構如圖3d所示;⑤運用“通過曲線網格”命令將曲面1/2/3和平面1之間的空隙填滿，并與四周曲面實現相切連接，結果如圖3e所示;⑥以坐標平面YZ和XZ平面為基準，分別創建2條基準曲線，并分別拉伸控制曲面4/5，結果如圖3f所示;⑦在控制曲面4/5相同位置處創建2條直線，并運用“橋接”命令完成2條曲線，并運用曲面命令完成頂部曲面6的創建，結果如圖3g所示;⑧首先將曲面1與6之間的空隙切割成“四邊面”，以便能形成高質量曲面，“通過曲線網格”命令創建曲面7，結果如圖3h所示;⑨采用和上步同樣的方法創建曲面8，結果如圖3i所示;⑩在曲面1/7/8和曲面6直線創建一個環形缺口，創建一個曲面，使頂部曲面銜接更加流暢，然后將所有曲面縫合為一個曲面組，結果如圖3j所示;?運用“鏡像幾何體”命令將曲面組沿YZ平面和XZ平面鏡像，上這個上步曲面再次縫合為一個曲面組，再沿著最大截面平面處鏡像至下部，完成主體曲面的創建，結果如圖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四邊形，然后再填補，結果如圖3l所示。

3、細節處理

首先運用底部大平面，將無人機外殼底部多余曲面切除，完成與支撐腳的連接，最后縫合為一個整體，形成一個實體化的三維模型;根據STL模型上的孔位尺寸，在實體模型上，創建尺寸位置精準的四個階梯孔;最后在支撐腳與機體位置創建倒圓角和倒角特征。

四、結語

本文通過完成無人機外殼逆向造型設計過程，一是發現Siemens NX軟件在逆向造型設計階段，憑借其強大的曲面造型和編輯能力，能快速、精準的完成曲面逆向，在逆向造型設計領域具有較大潛力;二是總結形成了曲面類零件的逆向建模過程：模型定位、曲面造型和細節處理，模型定位需設計者考慮后續逆向建模，曲面造型需設計者具備強大的軟件應用能力和曲面運用思維，細節處理需要設計者有認真負責的態度;三是本文可為復雜曲面類零件的逆向造型設計提供可復制的經驗。

參考文獻：

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作者簡介：譚偉林，女，（1983年—），湖南常德人，湖南鐵路科技職業技術學院實驗師，研究方向：逆向造型設計技術。