UG简介及应用实例

UG简介及应用实例
机械工程李国伟
一、UG简介
UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。

Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。

UG同时也是用户指南（user guide）和普遍语法（Universal Grammer）的缩写。

UG NX的技术
UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。

它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。

UG的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。

UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分
方程的软件工具。

其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。

因此软件可对许多不同的应用再利用。

一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值数学)及计算机科学的知识。

然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。

这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。

最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。

一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密（adaptive me shrefinement）和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。

UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。

UG NX的结构
一个如UG NX这样的大型软件系统通常需要有不同层次抽象的描述。

UG具有三个设计层次，即结构设计(architectural design)、子系统设计(subsystem design)和组件设计(component design)。

至少在结构和子系统层次上，UG是用模块方法设计的并且信息隐藏原则被广泛地使用。

所有陈述的信息被分布于各子系统之间。

UG NX的优势
来自Siemens PLM 的NX 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。

NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。

如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。

为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。

NX 是 UGS PLM 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。

NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。

NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。

NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。

通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新， NX 的成功已经得到了充分的证实。

这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。

UG NX发展史
1960年，McDonnell Douglas Automation 公司成立。

1976年，收购了Unigraphics CAD/CAE/CAM系统的开发商——United Computer 公司，UG的雏形问世。

1983年，UG 上市。

1986年，Unigraphics吸取了业界领先的、为实践所证实的实体建模核心——Parasolid的部份功能。

1989年，Unigraphics宣布支持UNIX平台及开放系统的结构，并将一个新的与STEP标准兼容的三维实体建模核心Parasolid引入UG。

1990年，Unigraphics作为McDonnell Douglas（现在的波音飞机公司）的机械CAD/CAE/CAM的标准。

1991年，Unigraphics开始了从CAD/CAE/CAM大型机版本到工作站版本的转移。

1993年，Unigraphics引入复合建模的概念，可以实体建模、曲线建模、框线建模、半参数化及参数化建模融为一体。

1995年，Unigraphics首次发布了Windows NT版本。

1996年，Unigraphics发布了能自动进行干涉检查的高级装配功能模块、最先进的CAM模块以及具有A类曲线造型能力的工业造型模块：它在全球迅猛发展，占领了巨大的市场份额，已经成为高端及商业CAD/CAE/CAM应用开发的常用软件。

1997年，Unigraphics新增了包括WEAV（几何连接器）在内的一系列工业领先的新增功能。

WEAV这一功能可以定义、控制、评估产品模板，被认为是在未来几年中业界最有影响的新技术。

2000年，Unigraphics发布了新版本的UG17，最新版本的，是UGS成为工业界第一个可以装载包含深层嵌入“基于工程知识”（KBE）语言的世界级MCAD软件产品的供应商。

2001年，Unigraphics发布了新版本UG18，新版本对旧版本的对话框进行了调整，使得在最少的对话框中能完成更多的工作，从而简化了设计。

2002年，Unigraphics发布了UG NX1.0.新版本继承了UG18的优点，改进和增加了许多功能，使其功能更强大，更完美。

2003年，Unigraphics发布了新版本UG NX2.0 。

新版本基于最新的行业标准，它是一个全新支持PLM的体系结构。

EDS公司同其主要客户一起，设计了这样一个先进的体系结构，用于支持完整的产品工程。

2004年，Unigraphics发布了新版本的UG NX3.0，它为用户的产品设计与加工过程提供了数字化造型和验证手段，。

它针对用户的虚拟产品的设计和工艺设计的需要，提供经过实践验证的解决方案。

2005年，Unigraphics发布了新版本的UG NX4.0.它是崭新的NX体系结构，使得开发与应用更加简单和快捷。

2007年04月， UGS公司发布了NX5.0 – NX的下一代数字产品开发软件，帮助用户以更快的速度开发创新产品，实现更高的成本效益。

2008年06月，Siemens PLM Software发布NX6.0，建立在新的同步建模技术基础之上的NX 6将在市场上产生重大影响。

同步建模技术的发布标志着NX的一个重要里程碑，并且向MCAD市场展示Siemens的郑重承诺。

NX 6将为我们的重要客户提供极大的生产力提高。

2009年10月–西门子工业自动化业务部旗下机构、全球领先的产品生命周期管理（PLM）软件与服务提供商Siemens PLM Software 宣布推出其旗舰数字化产品开发解决方案NX™ 软件的最新版。

NX 7.0引入了“HD3D”（三维精确描述）功能，即一个开放、直观的可视化环境，有助于全球产品开发团队充分发掘PLM信息的价值，并显著提升其制定卓有成效的产品决策的能力。

此外，NX 7.0还新增了同步建模技术的增强功能。

修复了很多6.0所存在的漏洞，稳定性方面较6.0有很大的提升。

二、UG应用实例
散热风扇的三维造型设计
在xy基准平面上建立草图，以原点为圆心分别绘制直径为“20”、“34”、“48”三个圆，以圆心绘制夹角40°，绘制一条线段与右侧直线成5°，在用圆弧命令绘制“13”、“24.268”两段圆弧。

操作如下：
设置拉伸距离为14：
设置倒圆角r为0.5：
在xz平面上建立草图，运用样条曲线（通过点）命令在xz平面上绘制两条曲线，分别通过三个关键点，坐标分别为（10,14），（4.7,13）,（-7.7,0）和（10,13.6），（4.7,12.5）,（-7.5,-0.8）。

拉伸后修剪体如下：
可变半径倒圆角，令半径分别为1和4.5：
设置其他边倒角半径为0.1：
利用圆柱体功能创建一个原点为（0,0,5.5）高度为7，直径为20的圆柱，利用抽壳命令对圆柱上表面进行抽壳厚度为3：
最后再倒斜角，如下图所示：
最后得到散热风扇的三维造型设计图：
三、思考题
UG逆向造型一般步骤和技巧？
用UG做逆向设计一般是先输入测得的数据点云，根据数据点连线，然后构建曲面。

最后又介绍了把片体构造为实体的过程和方法。

逆向造型遵循：点→线→面→体的一般原则传统的产品设计一般都是“从无到有”的过程，设计人员首先构思产品的外形、性能以及大致的技术参数等，再利用CAD建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，这样的过程可称为“正向设计”。

而逆向工程则是一个“从有到无”的过程，就是根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型。

逆向工程的专业软件有Surfacer、ICEM、CopyCAD和RapidForm等，这些软件非常适合处理大量扫描的点云数据。

例如，对一个小车的外型进行激光扫描，大约可以得到30万个测量点，通过专业的Surfacer软件建构而得到数字模型，达到了预期的效果。

对UG在逆
向工程中的应用下面详细介绍如下。

初学逆向造型的时候，两个面之间往往有折痕，这主要是由这两个面不相切所致。

解决这个问题可以通过调整参与构面（Though curve mesh）曲线的端点与另一个面中的对应曲线相切，再加上Though curve mesh边界相切选项即可解决。

只有曲线相切才能保证曲面相切。

另外，有时候做一个单张且比较平坦的曲面时，直接用点云构面（from point cloud）更方便。

但是对那些曲率半径变化大的曲面则不适用，构造面时误差较大。

有时面与面之间的空隙要桥接（Bridge），以保证曲面光滑过渡。

在构建曲面的过程中，有时还要再加连一些线条，用于构面。

连线和构面经常要交替进行。

曲面建成后，要检查曲面的误差，一般测量点到面的误差，对外观要求较高的曲面还要检查表面的光顺度。

当一张曲面不光顺时，可求此曲面的一些Section，调整这些Section使其光顺，再利用这些Section重新构面，效果会好些，这是常用的一种方法。

数据点的输入: 1点测量：测点之前规划好该怎么打点。

由设计人员提出曲面打点的要求。

一般原则是在曲率变化比较大的地方打点要密一些，平滑的地方则可以稀一些。

由于一般的三坐标测量机取点的效率大大低于激光扫描仪，所以在零件测点时要做到有的放矢。

值得注意的是除了扫描剖面、测分型线外，测轮廓线等特征线也是必要的，它会在构面的时候带来方便。

2点整理：连线之前先整理好点，包括去误点、明显缺陷点。

同方向的剖面点放在同一层里，分型线点、孔位点单独放一层，轮廓线点也单独放一层，便于管理。

通常这个工作在测点阶段完成，也可以在软件中完成。

一般测量软件可以预先设定点的安放层，一边测点，一边整理。

连分型线点尽量做到误差最小并且光顺。

因为在许多情况下分型线是产品的装配结合线。

对汽车、摩托车中一般的零件来说，连线的误差一般控制在.0.5mm以下。

用UG软件做逆向工程，使用的测量设备大多都是接触式手动三坐标划线机，主要针对剖面、轮廓和特征线进行测量，测量的数据点不是很多，UG处理起来也比较容易。

但是车模型用激光扫描测到的数据点多达30万个，这么多的数据点输入UG是很困难的，因此我们在Surfacer软件里对点云数据进行了除噪、稀疏等预处理。

而为了准确地保持原来的特征点和轮廓点，我们大体构造了轮廓线和特征线，和点云数据一起导入UG中。

通过点构造曲线：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、样条线（spline）。

最常用的是样条线，选用“through point”方式。

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。

因测量有误差及样件表面不光滑等原因，连成的曲率半径变化往往存在突变，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。

调整中最常用的一种方法是Spline选Edit pole选项，利用鼠标拖动控制点。

这里有许多选项，如限制控制点在某个平面内开关等。

另外，调整经
常还要用到移动的一个端点到另一个点，使构建曲面的曲线有交点。

但必须注意的是，无论用什么命令调整曲线都会产生偏差，调整次数越多，累积误差越大。

误差允许值视样件的具体要求决定。

1.在连线过程中，一般是先连特征线点，后连剖面点。

在连线前应有合理的规划，根据此车的形状和特征确定如何分面，以便确定哪些点应该连接，并对以后的构面方法做到心中有数，连线的误差一般控制在0.4mm以下。

2.常用到的是直线、圆弧和样条线（spline），其中最常用的是样条线。

一般选用“through point”方式，阶次最好为3阶，因为阶次越高，柔软性越差，即变形困难，且后续处理速度慢，数据交换困难。

3.因测量时有误差以及模型外表面不光滑等原因，连成的样条线不光顺时还需要进行调整，否则构造出的曲面也不光滑。

调整时常用的一种方法是Edit Spline，一般常用Edit pole选项，包括移动、添加控制点以及控制极点沿某个方向移动，方便对样条进行编辑，此外，曲线的断开（divide）、桥接（bridge）和光顺曲线（Smooth spline）也经常用到。

总之，在生成面之前需要做大量的调线工作，调线时可以使用曲率梳对其进行分析，以保证曲线的质量。

四、构造曲面因为车身要求有流畅的外形、光顺的外表面，因此在构造曲面的时候，要分成若干曲面进行，尤其要保证面和面之间能够相切连续或曲率连续，这样才能形成一个没有接痕的曲面。

另外，构造曲面时，还要根据具体情况选择合适的构造方法。

运用各种构面方法建立曲面，包括Though Curve Mesh Though Curves Swept From point cloud等。

构面方法的选择要根据样件的具体特征情况而定。

最常用的是Curve Mesh将调整好的曲线用此命令编织成曲面。

Though curve mesh构面的优点是可以保证曲面边界曲率的连续性，因为Though curve mesh可以控制四周边界曲率（相切），因而构面的质量更高。

而Though curves只能保证两边曲率，在构面时误差也大。

假如两曲面交线要倒圆角，因Though curve mesh的边界就是两曲面的交线，显然这条线要比两个Though Curves曲面的交线光顺，这样Blend出来的圆角质量是不一样的。

构面还要注意简洁。

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、增厚等特征，而且也有利于下一步编程加工，刀路的计算量会减少， NC文件也小。

构体：当外表面完成后，下一步就要构建实体模型。

当模型比较简单且所做的外表面质量比较好时，用缝合增厚指令就可建立实体。

但大多数情况却不能增厚，所以只能采用偏置（Offset）外表面。

用Offset指令可同时选多个面或用窗口全选，这样会提高效率。

对于那些无法偏置的曲面，要学会分析原因。

一种可能是由于曲面本身曲率太大，偏置后会自相交，导致Offset失败（有些软件的算法与此算法不同，如犀牛王就可Offset那些会产生自相交的曲面），如小圆角；另一种可能是被偏置曲面的品质不好，局部有波纹，这种情况只能修改好曲面后再Offset；还有一些曲面看起来光顺性
很好，但就是不能Offset，遇到这种情况可用Extract Geometry成B曲面后，再Offset，基本会成功。

偏置后的曲面有的需要裁剪，有的需要补面，用各种曲面编辑手段完成内表面的构建，然后缝合内外表面成一实体（solid）。

最后再进行产品结构设计，如加强筋、安装孔等。

1.构造曲面的方法 (1)最常用的构造方法是Though Curve Mesh，不仅可以保证曲面边界曲率的连续性，还可以控制四周边界曲率（相切），而Though curves只能保证两边曲率。

(2)使用较多的还有nxn命令，可以动态显示正在创建的曲面，还可以随时增、减定义曲线串，而曲面也将随之改变。

同样，还可以保持与相邻面的G0、G1以及G2连续。

(3)在构造曲面时，经常会遇到三边曲面和五边曲面。

一般做条曲线，把三边曲面转化为四边曲面，或将边界线延伸，把五边曲面转化成四边曲面，用以重构曲面。

其中，在曲面上，做样条线（curve on surface）和修剪（trim）是常用到的两个命令。

(4)构造完外表面，要进行镜像处理。

在曲面的中心处常会出现凸起，显得曲面不光顺，一般都是把曲面的中心处剪切掉，然后通过桥接使之平滑。

(5)构造曲面时，两个面之间往往有“折痕”，曲面很不光顺，主要是因为两个面相切不连续造成的。

解决这个问题，可以通过Though curve mesh 设置边界相切连续选项，还可以在构造曲面后选择match edge（NX3）选项，可以使两个曲面的边界相匹配，从而使曲率连续。

另外，即使两个曲面不相接，match edge命令也可以将一个曲面的边界自动延伸并重合至另一个曲面的边界。

(6)在构造单张且较为平坦的曲面时，直接用点云构面（from point cloud）将会更方便、更准确。

有时面之间的空隙需要桥接（Bridge），以保证曲面光滑过渡。

当曲面求交时，进行圆角处理也会使两曲面圆滑过渡。