逆向工程在產(chǎn)品設計中的實踐研究

張 倩，吳鳳林

（太原理工大學 機械工程學院，太原 030024）

逆向工程在產(chǎn)品設計中的實踐研究

張 倩，吳鳳林

（太原理工大學 機械工程學院，太原 030024）

0 引言

逆向工程是20世紀90年代發(fā)展起來的，它基于實物、樣件、軟件（圖片、程序、技術文件等）或影像（圖片、照片等）為研究對象，應用現(xiàn)代設計理論方法、生產(chǎn)科學、材料科學和有關專業(yè)知識進行系統(tǒng)深入地分析和研究，進而開發(fā)出更為先進的產(chǎn)品技術。而產(chǎn)品設計是現(xiàn)代文明不可或缺的一種社會活動，不斷的完善產(chǎn)品，能提高人們的生活水平同時滿足人類生活的品質(zhì)。借助逆向工程技術進行產(chǎn)品設計無疑是最有效手段，將現(xiàn)代產(chǎn)品設計和逆向工程技術緊密結合，充分的吸收和利用以促進產(chǎn)品設計的進一步發(fā)展，推動產(chǎn)品創(chuàng)新設計的步伐，更好的服務社會。

1 正向工程與逆向工程概念

傳統(tǒng)的正向工程（Sequential Engineering）開發(fā)流程是一種特定的思維順序模式，從市場需求找到產(chǎn)品的功能描述，然后進行概念設計，有了產(chǎn)品的設計藍圖或者CAD造型，在這樣的基礎上進行總體和各個零部件的設計，制作小比例模型反復修改，最后制定工藝流程，設計工夾具，完成加工和裝配，然后通過檢驗其性能測試。而逆向工程（Reverse Engineering）是相對正向提出的，首先是對實物模型進行掃描測量，根據(jù)數(shù)據(jù)并通過三維幾何建模反求出CAD模型，然后進行修改設計，誤差分析，最后實現(xiàn)再創(chuàng)造的批量快速的生產(chǎn)制造。

圖1 逆向工程設計流程圖

2 逆向工程的相關概念及模式

2.1 逆向工程與快速創(chuàng)新設計

現(xiàn)如今產(chǎn)品需求的品種增多，外形的美觀要求加強，產(chǎn)品開發(fā)周期較長,企業(yè)策略的頻繁調(diào)整,以及設計部門與客戶磨合存在一定的困難，從而導致了設計難以得到開發(fā)、延續(xù)。

逆向工程技術確是能解決這些問題的有效手段，它采用了3D掃描和3D打印技術相結合方式，有效的針對復雜曲面造型的實物（如電子產(chǎn)品，汽車飛機，模具等）高效率的進行快速產(chǎn)品開發(fā)，從逆向過程中吸收和消化先進的設計理念和制造方法，進而將逆向“仿制”技術發(fā)展成為逆向“創(chuàng)新”理論，這也將是逆向工程技術的發(fā)展趨勢。

2.2 逆向工程的設計模式

本文我們就幾何逆向反求做實物分析，即根據(jù)實物模型的表面輪廓的數(shù)字化信息反求出樣件的CAD模型，實現(xiàn)模型重構。

1）實物模型的選取

由于選取的實物模型的質(zhì)量會直接影響后面反求的精度，因而準確確定被測對象實物模型是逆向工程的基礎和前提。如對一些反射效果較為強烈的塑料、金屬材質(zhì)模型需要通過噴施著色劑來優(yōu)化模型質(zhì)量，方便掃描儀的CCD鏡頭能更好得對其數(shù)據(jù)點進行捕捉。

2）表面輪廓數(shù)字化測量

準確獲得實物模型的三維數(shù)據(jù)是進行后續(xù)CAD造型的基礎，數(shù)據(jù)測量則是通過選取合適的測量設備獲得產(chǎn)品表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)字化。我們將被測產(chǎn)品放置于三坐標測量機或三維激光掃描儀的測量空間內(nèi)，能多次獲得產(chǎn)品各個點的坐標位置，對這些空間坐標值進行數(shù)據(jù)處理，擬合成圓、球、圓錐、曲面等，經(jīng)過計算方法得到其形狀的幾何數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)預處理

由于上階段的測量系統(tǒng)的不同，我們得到的測量數(shù)據(jù)格式也是不一致的，加上人為因素環(huán)境因素就不可避免的存在一些誤差，所以就要求我們在CAD模型重建前對測量數(shù)據(jù)進行處理。我們可以用逆向軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理，處理工作包括：數(shù)據(jù)格式轉化、噪聲點去除、數(shù)據(jù)精簡、點云的拼合、特征提取。

4）CAD模型重構

模型重構的首要任務是將測量數(shù)據(jù)按實物原型的幾何特征進行分割，針對不同數(shù)據(jù)塊，采用不同的曲面構建方案（樣條曲面、三角Bezier曲面和NURBS曲面），然后用Pro/ENGINEER、NX等軟件實現(xiàn)模型實體化。

5）基于CAD模型的快速成型

重構的CAD模型不僅便捷地修改和創(chuàng)新反求的實物樣品原型，還對一些產(chǎn)品可以用制出的樣品進行性能測試后再修改來完善CAD模型，最后得到高質(zhì)量、美觀的模型。這時，3D打印技術是必不可少的，即“快速成型”技術，采用“材料累加”想法，不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具，對零件的CAD數(shù)據(jù)進行分層處理，得到零件的二維截面形狀一致的薄片，不斷重復進行，逐層累加，直到零件的實體模型形成。這使得加工對象不受復制程度的限制，讓平面生成立體的過程變得簡單易行。

6）后續(xù)工作

考慮到測量誤差，加工誤差，曲線擬合誤差等因素，需要對新建的模型進行誤差分析，后續(xù)誤差分析能幫助對產(chǎn)品有更深入的探索和創(chuàng)新。

3 逆向工程的應用實例

模型的制作對推敲細節(jié)有較大的幫助，可以彌補草圖階段的不足，從而提高效率。本文用非接觸式光學三維掃描儀對家用加濕器模型進行掃描。CCD鏡頭對所貼標識點進行空間定位，由于無法單面一次掃描完成，所以采用多次多角度標志點拼接掃描測量，將所有掃描的數(shù)據(jù)拼接完成后得到完整的點云數(shù)據(jù)模型，如圖2所示。

圖2 最終掃描點云數(shù)

將點云數(shù)據(jù)利用調(diào)整參數(shù)的方式導入Alias studio中，對點云進行網(wǎng)格化，對變成三角網(wǎng)格的點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格平滑處理和網(wǎng)格修補孔洞處理，如圖3所示。

圖3 點云網(wǎng)格化處理

本文按照基礎面-過渡面的建模思路進行構面，利用特征線通過路徑掃描、曲面拉伸等工具構建基礎面，然后進行光順對齊、混接曲面得到過渡曲面，如圖4所示。

圖4 加濕器曲面模型（高光）

對數(shù)字模型進行評估有利于下游CAD軟件的順利接受重構的模型，如圖5所示，是曲面模型的曲率分析圖，綠色代表曲面過渡平滑，紅色代表曲率半徑超過最大半徑值，這些曲面有瑕疵。由此分析得出影響曲面重構原因：1）模型制作不光順；2）測量后的點云數(shù)據(jù)噪聲點過多；3）網(wǎng)格化后的點云數(shù)據(jù)不夠精簡。

圖5 曲面曲率分析圖

本文通過實踐發(fā)現(xiàn)直接用Pro/ENGINEER構建高曲率曲面時和讀取點云數(shù)據(jù)的功能較弱，所以在上述實例中先通過Alias讀取點云，建立曲面，再以.iges格式導入到Pro/ENGINEER軟件中，對其進行細節(jié)上的修改，得到預期的曲面模型。

4 結論

文中結合實踐對設計流程合理規(guī)劃進行了研究，提出培養(yǎng)“正向+逆向”的思維方式，靈活的運用“逆向+正向”的建模方式，從而達到優(yōu)化設計流程，提高曲面質(zhì)量，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，為后續(xù)3D打印做好準備。在具體的實施過程應注意以下問題：1）逆向工程絕不是產(chǎn)品上的抄襲，而是參考的基礎上進行創(chuàng)新；2）在掃描過程中，要使坐標系一致，否則需要對數(shù)據(jù)點進行坐標變換，這樣會影響曲面拼接；3）應進一步研究復雜曲面離散數(shù)據(jù)點的幾何理解，并將參數(shù)化技術引入逆向工程中，建立參數(shù)化逆向工程模型，方便模型優(yōu)化和修改。

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The practice research on reverse engineering in the product design

ZHANG Qian, WU Feng-lin

首先對傳統(tǒng)正向工程技術運用于產(chǎn)品設計時帶來的缺陷進行了總結，隨后提出了逆向工程技術的概念、介紹了該技術的設計模式和優(yōu)點。在此基礎上，通過對該技術運用于具體實例的情況進行分析，得出：基于3Dscan-Alias-Pro/ENGINEER的逆向技術運用于產(chǎn)品設計時可以實現(xiàn)預期的優(yōu)點，并提出運用逆向工程技術結合傳統(tǒng)正向工程技術完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設計方法。

逆向工程；產(chǎn)品設計；3Dscan-Alias-Pro/ENGINEER

張倩（1988 -），女，山西太原人，碩士研究生，研究方向為逆向工程技術的應用與造型設計。

TB472

A

1009-0134(2014)06(上)-0083-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).24

2014-03-07