新產(chǎn)品開發(fā)中的順、逆向設(shè)計

郝恬

(武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院,湖北武漢 430070)

新產(chǎn)品開發(fā)中的順、逆向設(shè)計

郝恬

(武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院,湖北武漢 430070)

在當(dāng)今激烈的市場競爭中,產(chǎn)品的質(zhì)量就是企業(yè)的生命。產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)開始導(dǎo)入順、逆向設(shè)計,這種技術(shù)實現(xiàn)了從“感性認(rèn)識”到“理性認(rèn)識”上的轉(zhuǎn)變,同時解決了人機(jī)工學(xué)、空氣動力學(xué)等方面的問題,也是現(xiàn)代新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段。

產(chǎn)品開發(fā) 順、逆向設(shè)計 三維掃描 數(shù)模重建

1 傳統(tǒng)的順向設(shè)計

通常來說，一般意義上理解的傳統(tǒng)設(shè)計均指順向設(shè)計。設(shè)計師依據(jù)產(chǎn)品企劃時所制定的規(guī)劃，繪制草圖及效果圖，并且依據(jù)效果圖建構(gòu)CAD幾何模型，進(jìn)行CNC加工完成模型制作，然后討論修改，最后制造模具實現(xiàn)產(chǎn)品批量化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的順向設(shè)計開發(fā)流程是一個成熟的、被廣泛應(yīng)用的開發(fā)模式。在這種開發(fā)流程中，設(shè)計思維收放自如，限定相對較少，并能集合企業(yè)整體力量，進(jìn)行主動的原創(chuàng)性設(shè)計，是一個從無到有的創(chuàng)造性過程。(如圖1）

圖1順向設(shè)計基本流程

具體來說，設(shè)計師進(jìn)行草圖繪制、概念篩選，一旦選定合適的概念后，就會利用Adobe Photoshop、Illustrator或CorelDraw等二維繪圖軟件將創(chuàng)意呈現(xiàn)在計算機(jī)上，此階段稱為2D圖面階段。以2D圖面的形式給客戶提供初始方案，當(dāng)然有時也會直接用手繪草圖來說明問題，這要根據(jù)各公司內(nèi)部的設(shè)計流程和現(xiàn)場的具體情況而定。

當(dāng)提案獲得客戶認(rèn)同后，將進(jìn)入三維數(shù)模繪制階段。通常運用Alias、Rhino等軟件;也有公司在此階段運用Pro/E、CATIA、UG等參數(shù)化軟件。此階段稱為3D圖面階段。實踐證明，Alias、Rhino軟件上手快，在輸出逼真的三維效果圖和瀏覽動畫時特別見長，這往往是設(shè)計師的首選;而Pro/E、CATIA、UG等參數(shù)化軟件，嚴(yán)格準(zhǔn)確，方便修改的特點又往往受到工程師的青睞。

經(jīng)過此階段之后，通常要進(jìn)行模型(手板)制作，來驗證結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和裝配步驟的流暢性。設(shè)計師可能要反復(fù)修改3D圖面，以確保模具制作時的成本控制。最后是模具制作和批量化生產(chǎn)。

2 基于高技術(shù)下的逆向工程

高技術(shù)(High Technology，簡稱Hi-tech)的概念源于美國，是一個歷史的、動態(tài)的、發(fā)展的概念，是建立在現(xiàn)代自然科學(xué)理論和最新的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，處于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)前沿，能夠為當(dāng)代社會帶來巨大經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益的知識密集、技術(shù)密集技術(shù)。

逆向工程(Reverse Engineering)又稱反求工程或逆向設(shè)計，就是近年發(fā)展起來的基于高技術(shù)背景的快速引進(jìn)、消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。它把已有的產(chǎn)品或技術(shù)作為研究對象，用現(xiàn)代設(shè)計理論、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)、計量學(xué)、計算機(jī)技術(shù)及計算機(jī)圖形學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識為基礎(chǔ)，運用設(shè)計人員的工程設(shè)計經(jīng)驗和創(chuàng)新思維，以解剖、掌握對象的關(guān)鍵技術(shù)為目的，最終實現(xiàn)對研究對象的認(rèn)識、再現(xiàn)及創(chuàng)造性地開發(fā)。其中，點云采集設(shè)備和數(shù)模重建軟件是逆向工程的核心。

2.1 點云采集設(shè)備

點云采集也叫三維掃描（如圖2）。

圖2

2.2 數(shù)模重建軟件

(1)Imageware。Imageware由美國EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機(jī)零部件等設(shè)計與制造領(lǐng)域。該軟件擁有廣大的用戶群，國外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Raytheon、Toyota等著名國際大公司，國內(nèi)則有上海大眾、上海交大、上海 DELPHI、成都飛機(jī)制造公司等大企業(yè)。

(2)Geomagic Studio。由美國Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件Geomagic Studio可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。該軟件也是除了Imageware以外應(yīng)用最為廣泛的逆向工程軟件。

Geomagic Studio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture五個模塊。其主要功能包括：

自動將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形(Polygons);

快速減少多邊形數(shù)目(Decimate);

把多邊形轉(zhuǎn)換為NURBS曲面;

曲面分析(公差分析等);

輸出與CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等)。

(3)CopyCAD。CopyCAD是由英國DELCAM公司出品的功能強(qiáng)大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或?qū)嶓w模型中產(chǎn)生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的CAD曲面的產(chǎn)生提供了復(fù)雜的工具。CopyCAD能夠接受來自坐標(biāo)測量機(jī)床的數(shù)據(jù)，同時跟蹤機(jī)床和激光掃描器。

(4)RapidForm。RapidForm是韓國INUS公司出品的，RapidForm 提供了新一代運算模式，可以實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為3D掃描后處理之最佳化的接口。RapidForm 也將使工作效率提升，使3D掃描設(shè)備的運用范圍擴(kuò)大，從而改善掃描品質(zhì)。此軟件的優(yōu)勢是：多點云處理技術(shù)、快速點云轉(zhuǎn)換成多邊形曲面的計算法、彩色點云數(shù)據(jù)處理、點云合并功能。

RapidformXO Redesign(縮寫XOR)是一個創(chuàng)新的軟件方案，它能夠幫助工程師利用3D掃描資料和多邊形資料創(chuàng)作出參量CAD立體圖。XOR使用的是標(biāo)準(zhǔn)立體和平面造型工作流程和工程師所熟悉的用戶界面，因而這種軟件方案只需要很少的培訓(xùn)，并且還能夠降低處理3D掃描資料所需要的時間，它還能制作出使用當(dāng)今工程軟件所無法制作的最高質(zhì)量的產(chǎn)品。任何人，只要會使用SolidWorks，CATIA，Pro/ENGINEER或Unigraphics都可以開始馬上使用XOR進(jìn)行造型處理。

2.3 逆向設(shè)計的基本流程

簡單地說，逆向設(shè)計就是根據(jù)已存在的產(chǎn)品實物或模型反向推出產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)(包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型)的過程。詳細(xì)地說，就是使用專門的精密測量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化設(shè)備，獲取現(xiàn)成產(chǎn)品或模型的表面形態(tài)參數(shù)甚至內(nèi)腔參數(shù)，輸入專門的信息數(shù)據(jù)處理軟件，或者是帶有相應(yīng)數(shù)據(jù)處理能力的CAD軟件進(jìn)行優(yōu)化處理和模型重建，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行復(fù)制或結(jié)構(gòu)設(shè)計乃至再創(chuàng)作。這樣反復(fù)調(diào)整之后的模型，可以利用現(xiàn)代快速成形技術(shù)制作模型樣機(jī)，并評估量產(chǎn)。逆向設(shè)計的流程分為以下步驟（如圖3）：

圖3 逆向設(shè)計基本流程

可以說，逆向設(shè)計是創(chuàng)新的重要手段之一，在運用逆向設(shè)計的時候我們應(yīng)當(dāng)注重對知識產(chǎn)權(quán)的尊重和保護(hù)，不能將逆向工程理解成“抄襲工程”。

3 順、逆向設(shè)計是提升產(chǎn)品設(shè)計的有效手段

在航空航天、汽車工業(yè)中，產(chǎn)品的外形不僅是為了美觀，更重要的是合乎空氣動力學(xué)的要求。在產(chǎn)品開發(fā)的初始階段就要認(rèn)真考慮空氣動力性。常規(guī)的設(shè)計流程是，首先要根據(jù)造型需要來設(shè)計出結(jié)構(gòu)，并制作出油泥模型，將其送到風(fēng)洞實驗室，測量空氣動力學(xué)性能，然后再根據(jù)實驗結(jié)果對模型進(jìn)行反復(fù)修改直到獲得滿意結(jié)果為止。最后將既美觀又合理的模型掃描進(jìn)計算機(jī)，根據(jù)點云數(shù)據(jù)重建數(shù)字模型。大多企業(yè)會再用巨型CNC機(jī)床制作1：“1代木模型”，有的企業(yè)甚至將“代木模型”再去做風(fēng)洞試驗，再調(diào)整，再掃描（如圖4）。

圖4 順、逆設(shè)計流程模型

在激烈的市場競爭中，產(chǎn)品的質(zhì)量是企業(yè)的生命。小型的產(chǎn)品設(shè)計也開始采用順、逆向設(shè)計。就以“門把手”的設(shè)計為例，以往從圖紙到產(chǎn)品的過程是很難得到完美的產(chǎn)品，因為，沒有先做“把握”的實驗就生產(chǎn)出來產(chǎn)品。而現(xiàn)在的設(shè)計師首先繪制出美觀的效果圖，再用油泥制作1：1的模型，在這個過程中設(shè)計師深刻體會造型與手的接觸關(guān)系，不斷推敲修改，直至滿意。然后，就用三維掃描儀將油泥模型錄入計算機(jī)，以點云數(shù)據(jù)為參照，進(jìn)行數(shù)模重建。這樣有利于修改手工對線條、曲面表現(xiàn)上的瑕疵，得到流暢、完美至極的數(shù)模。設(shè)計師會用代木或ABS塊料通過CNC機(jī)床進(jìn)行切削加工獲取模型(手板);當(dāng)然也會用SLA增材制造的手段進(jìn)行實體驗證。甚至還可以用SLS燒制成蠟?zāi)とヨT造合金。至此，就實現(xiàn)了從“感性認(rèn)識”到“理性認(rèn)識”上的轉(zhuǎn)變，同時解決了人機(jī)工學(xué)方面的問題。

在此要強(qiáng)調(diào)說明的一點就是“：效果圖”“、油泥模型”和“數(shù)模重建”最好是由一個人來完成。這樣，有利于對設(shè)計概念深層次地挖掘，這就要求現(xiàn)在的設(shè)計師對審美、手繪、計算機(jī)工程能力等知識要全面掌握。而以往那種所謂2D手繪、3D結(jié)構(gòu)，分部門來完成的狀態(tài)也即將結(jié)束。產(chǎn)品設(shè)計不僅僅是提供一個漂亮的圖樣，而是一套系統(tǒng)的基于外觀和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的順向設(shè)計流程來說，順、逆向設(shè)計起到了事半功倍的作用。

[1]張三元,孫守遷,潘云鶴.基于產(chǎn)品反求工程的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2000,12(11)：851-855.

[2]陳能林.工業(yè)設(shè)計概論[M].北京：中國機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

郝恬,(1993—),女,山東青島人,武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院工業(yè)設(shè)計專業(yè)。