proe圓軌跡可變掃描方法和應(yīng)用

1、ProE 圓軌跡可變掃描By 黃光輝（ IceFai ）ProE 圓軌跡可變掃描是無維網(wǎng)IceFai （黃光輝、冰大）在2004 年所創(chuàng)造的在Pro/Engineerr 軟件上進(jìn)行曲面造型的一種方法，方法主要針對一些不規(guī)則輪廓弧形隆起的曲 面。這個方法因為操作簡單、適用性廣并且得到的曲面質(zhì)量高而為廣大ProE 用戶所采用。到現(xiàn)在在 ProE 用戶中應(yīng)用非常廣泛，本教程詳細(xì)講解了圓軌跡可變掃描的基本實現(xiàn)方法，同時也對這些年來不同的用戶所反饋回來的使用上遇到的各種問題做了一次性的全面解答。圓軌跡可變掃描通過增加一個圓作為原始軌跡結(jié)合產(chǎn)品的外觀輪廓曲線進(jìn)行可變掃描方法來創(chuàng)建曲面，使用這個方法所創(chuàng)建的

2、曲面就類似于使用旋轉(zhuǎn)特征所創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)曲面，不同的是普通的旋轉(zhuǎn)得到的輪廓是圓，而這個方法的輪廓則可以是自由形狀。典型的通過圓軌跡可變掃描所創(chuàng)建的曲面如圖1 和圖 2 所示圖 1對下面的案例， 要使用如圖 3 所示的平面不規(guī)則輪廓曲線，圖 2創(chuàng)建一個高度為 20 的弧形曲面。對于這樣的曲面雖然看起來比較簡單，但如果采用傳統(tǒng)的夠線加截面進(jìn)行邊界混成的方法，得到的曲面質(zhì)量不高，并且操作起來也相當(dāng)繁瑣。下面就來看看如何運(yùn)用圓軌跡可變掃描來進(jìn)行這樣的曲面的創(chuàng)建。第一步， 首先確定弧形曲面的最高點，然后在輪廓曲線所在的平面上對應(yīng)這個最高點的投影位置上草繪一個基準(zhǔn)點PNT0 。圖 3圖 4第二步，在輪廓曲線所

3、在的平面上，以前面所創(chuàng)建的基準(zhǔn)點PNT0 為圓心，草繪一個一定大小的圓（圖5），這個圓的直徑可以隨意但不能太小否則會可能導(dǎo)致失敗，其中的原因后面將會有講解。圖 5第三步，采用上一步所創(chuàng)建的圓作為原始軌跡，輪廓曲線作為軌跡進(jìn)行可變掃描（圖6）。圖 6第四步， 進(jìn)入可變掃描的草繪截面環(huán)境，這一步是整個方法成功與否的關(guān)鍵，很多用戶就是因為草繪中所選擇的參考和約束方法不當(dāng)導(dǎo)致可變掃描的失敗，所以務(wù)必看清楚下面的步驟并且能夠仔細(xì)思考理清楚其中的原理。選擇第一步所確定的中心基準(zhǔn)點PNT0 作為草繪參考（圖7），在這一步中，很多用戶不注 意選擇這個參考， 特別是在輪廓曲線的中心剛好就是在默認(rèn)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系的時

4、候，不少用戶就直接選擇了其中一個基準(zhǔn)曲面做為參考從而導(dǎo)致最終的失敗，其實只需要仔細(xì)考慮一下在 整個可變掃描過程中你所選擇的參考是否還能夠一樣的存在就可以了，顯然選擇基準(zhǔn)平面的話當(dāng)軌跡轉(zhuǎn)一個方向后這個基準(zhǔn)平面不再和草繪截面法向，自然也不會再有這個參考存在了。而如果系統(tǒng)在進(jìn)入草繪環(huán)境后默認(rèn)選擇了其中一個基準(zhǔn)平面作為參考，也建議用戶刪除然后自己選擇基準(zhǔn)點參考。圖 7通過前面所選的基準(zhǔn)點 PNT0 參考創(chuàng)建一條豎直的中心線（圖 8），這條中心線是用于約束草繪截面的最高點的。圖 8接下來是創(chuàng)建截面， 根據(jù)所要創(chuàng)建的弧面的不同， 用戶可以選擇圓弧、 圓錐曲線或樣條曲線作為截面的圖元，但不管用什么圖元，都有

5、幾點需要注意的。首先在一般情況下，圓軌跡只是輔助用來確定截面的法向以保證掃描過程中草繪平面始終通過中心軸， 因此圓軌跡的參考點一般是不會參與截面的約束的， 如果你不小心被自動捕捉上了， 就要想清楚是否確實需要。其次，截面圖元的最高點必須在中心軸上并且圖元要法向于中心軸（圖 9），這樣才能保證將來的可變掃描結(jié)果再最高點是光滑的而不是出現(xiàn)尖點或窩點；最后也是最容易出錯的是，必須要固定草繪截面在中心軸上的最高點的高度，而最直接保險的方法當(dāng)然是直接標(biāo)注這一 點的高度， 有的用戶在使用圓弧作為截面的時候，往往不注意這一點，雖然他注意到了圓弧的中心要在中心軸上， 但他直接保留默認(rèn)的圓弧半徑標(biāo)注從而導(dǎo)致將來

6、可變掃描結(jié)果曲面在最高點處不重合， 形成一個螺旋形狀， 這一點仔細(xì)想想輪廓軌跡交點到中心軸的交點距離并不是不變的就不難明白其中的原因了?？偨Y(jié)草繪的截面需要注意的地方如下（雖有例外，但對新用戶不妨照搬）：i. 草繪的參考必須選擇中心基準(zhǔn)點而非默認(rèn)基準(zhǔn)平面ii. 草繪的圖元一個端點在外輪廓軌跡交點上，另外一個在通過中心基準(zhǔn)點的豎直中心線上iii. 圓軌跡的交點一般不參與截面的約束iv. 必須標(biāo)注草繪截面在中心軸上的端點的高度v. 草繪的截面必須法向于通過中心基準(zhǔn)點的豎直中心線。圖 9完成草繪的截面退出草繪環(huán)境，就可以看到這個可變掃描成功生成弧形面了（圖 10、圖 11）。圖 10圖 11前面說過這

7、樣生成的曲面和采用普通的旋轉(zhuǎn)指令所生成的曲面效果類似，下面可以通過曲面的 UV 網(wǎng)格來對比一下驗證這個說法，可以看到他們的網(wǎng)格分布方式是非常相似的（圖 12），而實際上用戶也可以把旋轉(zhuǎn)看出是一個特殊的圓軌跡可變掃描，特殊的地方在于外輪廓是和圓軌跡同心的圓罷了。圖 12從曲面質(zhì)量而言，上面的方法得到的曲面光滑程度和曲率半徑都可以說是滿足了造型的要求，但美中不足的是結(jié)果曲面被分成了四塊，如圖13 所示，這雖然在大部分情況下沒什么影響，但有些場合還是會帶來一些麻煩，如果能減少這個曲面的塊數(shù)自然是最好的。在Pro/Engineer 中，封閉的樣條曲線都會被自動分成兩段，外輪廓正是這樣被分成兩段的樣條曲

8、線，同樣一個圓在Pro/Engineer 中也是會被自動分成兩半的，而在上面的可變掃描中，因為兩條軌跡的斷點不對應(yīng)（圖14），所以便得到了四塊曲面。要減少這個曲面塊數(shù)，就必須手工參與圓的打斷以便讓它在掃描的時候可以和外輪廓曲線的斷點對應(yīng)。圖 13圖 14要在期望的位置打斷草繪的圓軌跡，首先在進(jìn)入草繪環(huán)境時選擇外輪廓曲線的兩個端點作為參考點（圖 15）。圖 15然后分別通過圓心和兩個斷點連中心線，在這這兩條中心線和圓的交點上放置兩個打斷點就可以把圓按要求分成圖示的兩段了（圖16）圖 16經(jīng)過這樣的處理后，圓軌跡可變掃描得到的曲面就會變成了兩塊，比原來的少了一半， 并且也避免了出現(xiàn)小片面的情況(圖

9、 17)。圖 17在前面說過， 進(jìn)行圓軌跡可變掃描的時候圓軌跡的大小并不太講究，但在有的時候需要注意不能太小， 下面就來看看什么情況下有大小的要求。下面的案例要創(chuàng)建一個外輪廓像雞蛋形的弧面， 輪廓的尺寸如圖所示， 分別是半圓加半橢圓構(gòu)建的，可以看到形狀相對來說是長條形，弧面的最高點投影位置如圖所示（圖18）。圖 18假設(shè)在這個最高點投影創(chuàng)建一個直徑為20 的圓作為軌跡，那會帶來什么問題呢？用戶測試一下就會發(fā)現(xiàn)這個可變掃描會失敗，而失敗的原因是為什么呢？要理解這個失敗原因首先要理解可變掃描的多條軌跡之間在掃描過程中是如何尋找對應(yīng)點的，在 Pro/Engineer 中是這樣計算可變掃描的軌跡對應(yīng)點

10、的：比如在原始軌跡上的起始位置A1 ，首先確定草繪平面，得到草繪平面和第二條軌跡的交點，但對于封閉的軌跡而言，顯然會得到兩個交點如圖的B1 和 B2 ，從用戶期望來說，當(dāng)然希望是對應(yīng)B1，這樣才能正確掃描。但是對于軟件而言，它總是選擇和A1 距離最近的點作為對應(yīng)點，在本案例中A1 到 B1 的距離將是90， 而 A1 到B2 的距離卻只有60，顯然 B2 點離 A1 點更近，因此自然會選擇B2 點作為了對應(yīng)點，這樣很顯然就會造型掃描結(jié)果的自相交而導(dǎo)致掃描的失敗了（圖19）。圖 19明白了這個道理其實就不難算出中間的圓軌跡半徑最小是多少了，經(jīng)過計算會知道中間的圓 半徑要大于 25（直徑 50）才

11、能保證 D1 的距離小于 D2 從而建立正確的軌跡對應(yīng)關(guān)系。因此可以把圓直徑改為60 就可以了（圖 20），在實際中我們未必需要通過這樣的計算來確定，大概用眼睛觀察都知道應(yīng)該采用多大的圓了，當(dāng)然用戶其實也可以選擇一個更簡單的方法，也就是把可變掃描原始軌跡的默認(rèn)起點從A1 改到 A2 就可以了，這樣就不會發(fā)生對應(yīng)點錯位的情況了。圖 20對于這個模型， 可以直接創(chuàng)建一條中心軸作為參考（實際上前面的模型也可以通過點創(chuàng)建一條法向于草繪平面的中心軸作為參考）。選擇圓做原始軌跡，外輪廓曲線做為軌跡進(jìn)行可變掃描（圖 21）。圖 21草繪的截面和前面的類似，都是需要注意幾個約束和尺寸的標(biāo)注方法圖 22確定草繪

12、的截面退出草繪可以得到可變掃描的曲面（圖23， 24），圖 23圖 24圖 25圖 26雖然圓軌跡可變掃描的適用性比較廣， 但并不是所有輪廓形狀都可以， 圓軌跡可變掃描的輪廓曲線是最好是凸類圓形的， 換言之， 兩個方向的長度差不能太遠(yuǎn)， 同時也不能有太凹的地方，如下圖所示合適和不合適的情況（圖 27）圖 27前面討論的都是是輪廓曲線是平面曲線的情況，實際上， 圓軌跡可變掃描方法也可以適用于曲面上的弧面造型， 下面繼續(xù)看下一個案例。 這個案例需要在曲面表面上創(chuàng)建一個不規(guī)則輪廓（圖 28）的弧形面（圖 29）圖 28圖 29通過前面的案例，用戶應(yīng)該知道圓軌跡可變掃描的第一個關(guān)鍵是確定中心點（和中心

13、軸），對于曲面上的投影曲線， 中心點和中心軸的確定方法相對要復(fù)雜些，但也不過是步驟多些而已，對于大多數(shù)用戶而言并不是難題，比如本案例可以直接通過草繪的方法確定代表中心軸 的直線段， 而直線段的一個端點就是將來的草繪平面所在點，可以利用來確定固定的最高點高度（圖 30）。圖 30有了前面的中心直線段， 就可以借助它的參考確定圓軌跡的平面，通過直線段的端點并法向于直線段便可創(chuàng)建這個基準(zhǔn)平面DTM1 （圖 31）圖 31使用 DTM1 作為草繪平面并在其上以直線段的端點做圓心草繪一個類似圖32 大小的圓， 然后以這個圓做原始軌跡， 、輪廓曲線作為軌跡進(jìn)行可變掃描（圖33）圖 32圖 33草繪的截面使

14、用一段圓弧構(gòu)成，圓弧的兩個端點分別在外輪廓軌跡的交點和同直線段參考的中心線上， 并且圓心也在這條中心線上以保證截面是法向于中心的直線段的，同樣需要按照前面所說的標(biāo)注了截面最高點和圓軌跡曲線所在的平面的距離尺寸，以保證這個最高點位置在可變掃描過程中是保存不變的（圖34），最后完成草繪截面退出便可得到要創(chuàng)建的弧形面 了（圖 35）。圖 34圖 35前面說過一般不建議對于有凹凸變化的輪廓曲線使用圓軌跡可變掃描方法，但對于凹凸變化不是太夸張， 并且輪廓曲線長寬相差不大的情況，在截面中通過適當(dāng)?shù)募s束方法還是可以得到比較光滑的高質(zhì)量曲面的，如下圖案例（圖36），通過采用合適的草繪截面可以得到比較 滿意的效

15、果（圖37）。圖 36圖 37對于這種有明顯內(nèi)凹變化的輪廓曲線（圖38），如果直接使用普通的圓軌跡可變掃描截面構(gòu)成方法，得到的曲面會在內(nèi)凹對應(yīng)的部分產(chǎn)生明顯的痕跡，越靠近中心軸越明顯（圖39）。這是因為對于有內(nèi)凹部分的輪廓曲線，從外凸到內(nèi)凹的變化過程相對于其它部分的變化總是快的多的，這點變化更容易體現(xiàn)在中心附近。圖 38要改善這一點， 需要借鑒一般的構(gòu)面方法，圖 39如果不使用圓軌跡可變掃描方法，這樣的曲面在Pro/Engineer 中的構(gòu)建方法通常都是首先在頂部旋轉(zhuǎn)一個球面，然后通過剪切留下中間的一小部分， 然后再補(bǔ)上周邊的曲面， 這樣的好處就是保證了在中心軸部分的曲面（單一曲率的球面）。實

16、際上，圓軌跡可變掃描方法可以照搬這個處理方法，首先增加一條輔助曲線，這條曲線形狀可以參考外輪廓曲線的形狀，有的情況下甚至可以直接偏移然后倒圓角，將來在這條曲線的內(nèi)部曲面就是球面。跡進(jìn)行可變掃描（圖41）然后使用圓做原始軌跡，外輪廓曲線和這條輔助曲線作為軌圖 40圖 41進(jìn)入草繪環(huán)境， 草繪的截面構(gòu)成是關(guān)鍵， 通過輔助軌跡和截面的交點創(chuàng)建一條豎直的中心線， 然后創(chuàng)建一段圓心在中心軸參考線上、兩個端點分別在中心軸參考線和豎直輔助中心線上、半徑為 120 的圓?。▓D 42），并且標(biāo)注其中一個端點的高度是12，這樣處理的目的就是保證了在掃描的過程中，在輔助曲線內(nèi)的部分曲面始終為半徑120 的球面。圖 42至于在這里取 120 只是一個概數(shù)， 根據(jù)這個形狀特點大概確定的一個值，用戶在確定這個值的時候需要綜合考慮在掃描的整個過程中中心軸離外輪廓的交點距離的變化，均衡考慮確定一個合適的值，太大的值會導(dǎo)致頂部太平（圖43），太小的值（掃描過程中圓弧延伸至交點 水平線上的交點在外輪廓曲線交點之內(nèi)）甚至?xí)?dǎo)致掃描失敗（圖44）。圖 43圖 44完成截面就可以