基于Siemens NX的无人机外壳逆向造型设计

谭伟林 彭志强 邓浩

摘要：本文借助Siemens NX强大的曲面造型功能，在现有无人机外壳STL模型的基础上进行逆向造型设计，详细描述Siemens NX曲面逆向造型设计的全过程，获得了可编辑、可加工的三维模型文件，逆向造型结果显示本文所描述的曲面逆向造型设计思路基本正确，可为复杂曲面类零件的逆向造型提供可复制的经验。

关键词：Siemens NX;无人机外壳;逆向造型

一、前言

随着现代产品设计手段不断迭代，逆向造型设计已成为产品设计中重要手段之一。所谓逆向造型设计是指具有逆向功能的三维建模软件（Siemens NX、Creo等）根据现有模型的表面点云数据（TXT文件）或三角面片数据（STL模型），分析模型的曲面构成，依次确定关键节点、特征线，逐步创建曲面、生成实体模型的过程。简而言之，逆向造型设计过程为“点线面体”：关键点→关键曲线→创建曲面→缝合实体。近年来，逆向造型技术在市场的推动下，其功能日趋完善，相对于传统设计方法，具有周期短、效率高、成本低等特点，已成为新产品开发、产品无损检测的重要技术手段。

本文以无人机外壳零件为项目载体，根据已知无人机外壳实物，分别从采集数据、逆向造型、结果对比等三方面详细介绍无人机外壳的逆向造型设计全过程。

二、采集数据

PowerScan面结构光三维扫描仪具有非接触扫描、扫描精度高、速度快等特点，能快速获取零件的表面点云数据。本节主要使用PowerScan面结构光三维扫描仪采集无人机外壳零件（如图1a所示）表面三角面片数据，并最终生成用于逆向造型的STL模型。主要步骤为：①校对三维扫描仪——借助随机携带的标定板，按照操作说明书要求，依次调整三维扫描仪和标定板的位置和状态，逐步完成三维扫描仪的校对，要求目标精度达到0.02mm以内;②无人机外壳零件预处理——首先清理无人机外壳零件上的杂质和污物等影响表明数据的特征，然后将显影剂均匀喷涂在零件表面，确保厚度均匀且零件表面被白色显影剂完全覆盖;③粘贴标志点——为便于三维扫描仪准确识别无人机外壳的各个部分，需要在无人机外壳表明粘贴一些标志点，要求每一次调整扫描位置都能有至少三个标志点能被三维扫描仪识别，以便三维扫描仪能自动完成无人机外壳点云数据的拼接;④采集数据——使用已校对的三维扫描仪扫描贴好标志点的零件，即可获得一个视角方向上的零件表面数据，通过移动零件位置，即可获得零件不同方位的表面数据，最后获得零件的完整表面数据;⑤导出数据——将采集的表明数据，进行除噪、填补基准孔等预处理操作后，生成三角面片数据（STL模型）（如图1b所示），便于后续逆向造型。

三、逆向造型

Siemens NX软件是一款功能完善的CAD/CAM/CAE综合体工业软件，同时也具有强大的曲面造型和逆向造型设计功能，能高质量完成各类型复杂曲面类零件的设计。本节将借助Siemens NX软件完成无人机外壳零件的逆向造型设计，主要从模型定位、曲面逆向和细节处理等三个部分描述逆向造型设计过程。

1、模型定位

将采集完成的无人机外壳STL模型导入至Siemens NX软件中，STL模型将会出现在Siemens NX三维空间的任意位置，不便于逆向造型操作。因此，需要以现有STL模型为基础，建立一个正确的坐标系，再把STL模型以坐标系为基础进行移动至坐标原点，确保无人机外壳的支撑脚底面为XY平面，两侧支撑脚的中性平面为YZ平面，支撑脚短边的中性平面为XZ平面，如图1c所示。具体操作方法为：①在原有STL模型上根据建立坐标系的思路创建三个平面，运用“基准坐标系”-“三平面”的方式创建基准坐标系CSYS1;②运用“移动对象”命令，采用“坐标系到坐标系”方式，将STL模型从CSYS1坐标系移动至原点坐标系，完成STL模型关于原点坐标系的定位，结果如图1c所示。

2、曲面造型

2.1 无人机外壳支撑脚逆向

在Siemens NX建模环境中，运用“直线”命令，直接在STL模型的底部平面特征上创建直线，并拉伸获得底部平面，结果如图2a所示;根据上步方法創建支撑脚的5个平面，运用“修剪片体”命令修剪各曲面多余部分，并运用“缝合”命令，将5个平面缝合为1个曲面组，结果如图2b所示;运用“镜像几何体”命令，将曲面组沿YZ平面镜像至另一侧，完成无人机外壳支撑脚特征的逆向造型，结果如图2c所示。

2.2 无人机外壳主曲面逆向

首先分析无人外壳主曲面构成，可发现其关于X轴和Y轴对称，且为上下对称，故可先逆向某一部分曲面，然后将这部分曲面镜像至其他部分，进而完成整个零件的曲面逆向造型设计。主要操作步骤为：①在Siemens NX中求得STL模型最大截面，并草绘完成最大轮廓线，并拉伸获得控制曲面1，运用“拉伸”“截面曲线”“草绘”等命令在STL模型上创建系列曲线，结果如图3a所示;②运用“通过曲线网格”命令创建曲面2，并要求与控制曲面1相切，结果如图3b所示;③拉伸无人机机翼部分平面1，创建以控制曲面1轮廓线为基准的偏置线，将平面1切割成如图3c所示形状;④采用第2步类似的操作步骤，创建控制曲线，并运用“通过曲线网格”命令完成曲面3的创建，结构如图3d所示;⑤运用“通过曲线网格”命令将曲面1/2/3和平面1之间的空隙填满，并与四周曲面实现相切连接，结果如图3e所示;⑥以坐标平面YZ和XZ平面为基准，分别创建2条基准曲线，并分别拉伸控制曲面4/5，结果如图3f所示;⑦在控制曲面4/5相同位置处创建2条直线，并运用“桥接”命令完成2条曲线，并运用曲面命令完成顶部曲面6的创建，结果如图3g所示;⑧首先将曲面1与6之间的空隙切割成“四边面”，以便能形成高质量曲面，“通过曲线网格”命令创建曲面7，结果如图3h所示;⑨采用和上步同样的方法创建曲面8，结果如图3i所示;⑩在曲面1/7/8和曲面6直线创建一个环形缺口，创建一个曲面，使顶部曲面衔接更加流畅，然后将所有曲面缝合为一个曲面组，结果如图3j所示;⑪运用“镜像几何体”命令将曲面组沿YZ平面和XZ平面镜像，上这个上步曲面再次缝合为一个曲面组，再沿着最大截面平面处镜像至下部，完成主体曲面的创建，结果如图3k所示;⑫为使顶部曲面效果更好和贴合度更高，把顶部曲面切割成一个四边形，然后再填补，结果如图3l所示。

3、细节处理

首先运用底部大平面，将无人机外壳底部多余曲面切除，完成与支撑脚的连接，最后缝合为一个整体，形成一个实体化的三维模型;根据STL模型上的孔位尺寸，在实体模型上，创建尺寸位置精准的四个阶梯孔;最后在支撑脚与机体位置创建倒圆角和倒角特征。

四、结语

本文通过完成无人机外壳逆向造型设计过程，一是发现Siemens NX软件在逆向造型设计阶段，凭借其强大的曲面造型和编辑能力，能快速、精准的完成曲面逆向，在逆向造型设计领域具有较大潜力;二是总结形成了曲面类零件的逆向建模过程：模型定位、曲面造型和细节处理，模型定位需设计者考虑后续逆向建模，曲面造型需设计者具备强大的软件应用能力和曲面运用思维，细节处理需要设计者有认真负责的态度;三是本文可为复杂曲面类零件的逆向造型设计提供可复制的经验。

参考文献：

[1]陈恩连.基于Siemens NX的工业产品齿轮泵的逆向造型[J].机械工程师，2021（06）：105-106+109.

[2]刘帅，苗盈.基于NX的齿轮泵逆向设计[J].科技创新与应用，2019（25）：44-45+48.

[3]叶锋，张侠.基于NX10的气缸盖气道的逆向设计[J].科技经济导刊，2016（35）：67-68.

作者简介：谭伟林，女，（1983年—），湖南常德人，湖南铁路科技职业技术学院实验师，研究方向：逆向造型设计技术。