基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模

叢海宸，成思源，楊雪榮，劉吉安，張湘?zhèn)?/p>

（1.廣東工業(yè)大學(xué)　機電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)　藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，廣州 510006）

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基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模

叢海宸1，成思源1，楊雪榮1，劉吉安2，張湘?zhèn)?

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，廣州 510006）

摘 要：近年來，隨著逆向工程的發(fā)展，逆向參數(shù)化建模在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中起著越來越重要的作用。通過對形態(tài)分析法進行分析、改進，以實現(xiàn)與逆向參數(shù)化建模相結(jié)合，提出基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模方法，并詳細介紹了這種逆向參數(shù)化建模方法的優(yōu)勢及其一般流程。以逆向參數(shù)化建模軟件Geomagic Design X為平臺，通過對電熱水器控制板進行基于形態(tài)分析的逆向參數(shù)化建模及誤差分析，驗證了該建模方法的優(yōu)勢，為產(chǎn)品的逆向創(chuàng)新設(shè)計提供了一種有效的建模方法。

關(guān)鍵詞：逆向工程；創(chuàng)新設(shè)計；形態(tài)分析法；參數(shù)化建模；Geomagic Design X

0　引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）作為掌握新技術(shù)的一種手段，可將產(chǎn)品研制周期縮短40%以上，受到工業(yè)界等多行業(yè)工作者的重視。逆向參數(shù)化建模主要包括特征提取、創(chuàng)建特征、特征編輯［1］三個步驟，在特征提取階段因其方便對原產(chǎn)品參數(shù)進行修改并進行二次設(shè)計，所以已成為逆向工程中的重要發(fā)展方向［2］，以及實現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。

隨著生活水平的不斷提高，以消費者心理實驗和用戶反饋信息作為出發(fā)點，設(shè)計出結(jié)合消費者與市場的創(chuàng)新產(chǎn)品，對企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，同時也對設(shè)計人員如何設(shè)計出滿足產(chǎn)品屬性、系統(tǒng)性準(zhǔn)則及設(shè)計目標(biāo)相結(jié)合的產(chǎn)品模型［3］提出了更高的要求。因此，能否將產(chǎn)品設(shè)計需要與逆向再設(shè)計相結(jié)合，決定著新產(chǎn)品研發(fā)的效果及其可推廣程度。

1　形態(tài)分析法

形態(tài)分析法是二戰(zhàn)期間，美國加州理工學(xué)院的茲維基教授為研制德國高度保密的F-1型和F-2型巡航導(dǎo)彈，通過分析火箭的各主要組成要素，及各要素可能具有的形態(tài)，將其形態(tài)要素按排列組合原理，構(gòu)造出576種設(shè)計方案，并成功制造出巡航導(dǎo)彈［4］，經(jīng)后期的總結(jié)研究，進而創(chuàng)造了該方法。

形態(tài)分析法的主要操作步驟是：1）要素分析，即將研究對象分解為若干相互獨立的基本要素；2）形態(tài)分析，即詳細分析各基本要素的“形”和“態(tài)”（形是指物質(zhì)形體，包括形狀、顏色、材質(zhì)等外在物質(zhì)性因素；態(tài)是指產(chǎn)品的神態(tài)，包括內(nèi)涵要素）［5］；3）構(gòu)造形態(tài)矩陣，即以某一獨立要素形態(tài)與其他各要素形態(tài)進行矩陣分析，再進行排列組合，總結(jié)出可能的總體組合方案；4）評價選擇，即以需求為評價標(biāo)準(zhǔn)，對各形態(tài)組合方案進行評價，從中選取最佳方案。

形態(tài)分析法作為一種技術(shù)預(yù)測定性方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)等多個領(lǐng)域［6］，因其能夠?qū)Ξa(chǎn)品各要素進行分析，確定要素原件，再對要素原件進行形態(tài)分解，獲取產(chǎn)品形狀單元，從而使設(shè)計師能夠明確新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計知識，包含通用性知識、控制性知識和表達性知識［7］。其提取創(chuàng)新產(chǎn)品的通用性知識所蘊含的平面形態(tài)元素能夠滿足進行逆向參數(shù)化建模中的特征提取建模環(huán)節(jié)的需要；控制性知識所蘊含的三維形態(tài)元素能夠滿足創(chuàng)建特征環(huán)節(jié)的需要以及表達性知識所蘊含的三維空間元素能夠滿足特征編輯環(huán)節(jié)的需要，所以經(jīng)形態(tài)分析法分析后進行逆向參數(shù)化建模能夠明確設(shè)計目的、設(shè)計要求，從而提高設(shè)計效率，使之與逆向參數(shù)化建模相結(jié)合成為可能。

因此，本文提出了一種基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模方法，在逆向設(shè)計前，通過形態(tài)分析法對原產(chǎn)品進行系統(tǒng)分析，獲取各建模要素，從而明確設(shè)計要求，并通過逆向參數(shù)化建模進行實現(xiàn)，提高產(chǎn)品再設(shè)計效率。

2　基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模

基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模是對傳統(tǒng)形態(tài)分析法進行改進，使其與逆向參數(shù)化建模更加緊密結(jié)合，從而縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品設(shè)計效率，其流程如圖1所示。

圖1　基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模流程

該方法是以創(chuàng)建新產(chǎn)品模型為導(dǎo)向，以用戶反饋信息和廠家制造需求為出發(fā)點，首先進行需求分析，提煉需改進的功能及新功能；而后進行要素分析，明確實現(xiàn)各功能的要素原件，并對各要素原件進行數(shù)據(jù)采集，然后對各要素原件進行形態(tài)分析，獲取要素原件組合后的待設(shè)計產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)；再對形態(tài)分析中待設(shè)計產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)進行形態(tài)分解，通過解構(gòu)［8］提取基本結(jié)構(gòu)形狀等相關(guān)設(shè)計信息，建立結(jié)構(gòu)模型，從而獲取結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖，如圖2所示，并創(chuàng)建新產(chǎn)品模型。

圖2　結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖

解構(gòu)是實現(xiàn)該建模方法的重要步驟，本研究所述解構(gòu)是以逆向參數(shù)化建模需要為出發(fā)點，以解構(gòu)出最小的參數(shù)化建模單元為目標(biāo)，對形態(tài)分析中的各要素位置關(guān)系、尺寸大小進行提取。

形態(tài)分析所獲各結(jié)構(gòu)元素與逆向建模要素存在如圖2所示映射關(guān)系，可以使設(shè)計師在掌握最終產(chǎn)品三維空間元素（即逆向建模中產(chǎn)品最終特征）的基礎(chǔ)上，明確特征編輯前所需三維形態(tài)元素（即創(chuàng)建待編輯實體特征），進而有針對性的對原產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型進行特征提取，以獲取創(chuàng)建特征所需的平面形態(tài)元素，從而明確各設(shè)計步驟，能夠使設(shè)計師快速、準(zhǔn)確的創(chuàng)建新產(chǎn)品參數(shù)化模型。

通過需求分析，可明確設(shè)計目的，使新產(chǎn)品最大限度的滿足使用和市場需要，進而減少出現(xiàn)反復(fù)設(shè)計的情況。而后經(jīng)要素分析，確定要素原件，明確設(shè)計對象。再對設(shè)計對象進行形態(tài)分析獲取要素原件組合后的待設(shè)計產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)，規(guī)劃逆向設(shè)計要求思路，并通過形態(tài)分解、解構(gòu)將設(shè)計對象分解為結(jié)構(gòu)單元，確定各要素位置關(guān)系、尺寸大小，進而可以快速獲取模型的設(shè)計要求，根據(jù)設(shè)計要求進行逆向參數(shù)化建模，從而實現(xiàn)快速、有效地創(chuàng)建新產(chǎn)品模型。

3　應(yīng)用實例

本實例采用電熱水器控制板為創(chuàng)新設(shè)計對象，如圖3所示。以關(guān)節(jié)臂作為數(shù)據(jù)采集工具，以Geomagic Design X軟件為逆向參數(shù)化建模平臺進行逆向創(chuàng)新建模。

圖3　原電熱水器控制板

3.1需求分析

經(jīng)過長期的使用，用戶反映該控制板存在出如下問題：1）顯示屏固定于水箱上，維修、更換不便；2）當(dāng)水溫達到設(shè)定要求時會自動斷電，因此不需要設(shè)置定時器；3）冷水和熱水出水口位置不便于洗澡；4）避免被控制板劃傷。上述問題即為用戶反饋信息。對于電熱水器廠家制造需求方面，為降低成本，應(yīng)不改變控制板整體安裝結(jié)構(gòu)，確保實現(xiàn)控制板與電熱水器外殼裝配，因此逆向創(chuàng)新建模時要保證控制板外輪廓結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小不變，以及控制板厚度不變。

綜上所述，可以確定逆向參數(shù)化建模設(shè)計目的為在不改變控制板外輪廓形態(tài)條件下，使顯示屏固定于控制面板，去除定時器固定孔，保留開關(guān)固定孔、流量計固定槽，增加冷水和熱水出水口，并將各邊倒鈍。

3.2要素分析

為解決用戶和企業(yè)需求，需要如下要素：1）原控制板；2）顯示屏；3）冷水和熱水出水接口。因開關(guān)和流量計保留原設(shè)計，所以新控制板形狀由原控制板通過關(guān)節(jié)臂掃描，獲取其表面數(shù)據(jù)即可。定時器固定孔因去除該功能，所以在進行點云數(shù)據(jù)封裝后去除這一特征。在新控制板上加裝冷、熱水管出口固定孔。顯示屏固定于控制板，需加裝顯示屏固定槽，同時固定槽應(yīng)符合電熱水器內(nèi)水箱表面曲率變化，使新控制板固定后固定槽不與水箱產(chǎn)生干涉。因此，可以確定設(shè)計對象為原控制板、冷熱水出水管固定接口及顯示屏固定槽。

使用關(guān)節(jié)臂對原控制板進行掃描，獲取點云數(shù)據(jù)，然后將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中，經(jīng)采樣、刪除體外孤點等點階段操作，將點云數(shù)據(jù)封裝為多邊形模型，并對多邊形進行網(wǎng)格醫(yī)生、編輯邊界等多邊形階段操作，所得模型如圖4所示。

圖4　多邊形模型

使用游標(biāo)卡尺測量原控制板總厚度為3mm，上層厚度為1.2mm，下層厚度為1.8mm；冷水和熱水出水接口為R8mm；顯示屏4固定孔外徑為R2mm，內(nèi)徑為R1mm，相互距離為89mm×49mm，顯示屏屏幕尺寸為92mm×52mm×7mm。

3.3形態(tài)分析

對原控制板進行形態(tài)分析，如圖5所示。通過形態(tài)分析結(jié)果，我們可以直觀地掌握設(shè)計對象的各形態(tài)單元。然后依次對顯示屏和出水接口進行形態(tài)分析。

圖5　形態(tài)分析

對各要素形狀單元匯總，其中原控制板形狀為非規(guī)則自由曲面，顯示屏為長方體，出水接口為圓柱形，形成新控制板總體結(jié)構(gòu)（即原非規(guī)則自由曲面上增加一個長方體顯示屏固定槽和兩個水管出口圓柱固定孔），同時對新控制板結(jié)構(gòu)進行形態(tài)分解、解構(gòu)，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型及其與逆向建模流程映射關(guān)系圖，如圖6所示，并進行逆向建模。

圖6　結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖

由結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖可知，設(shè)計要求是逆向設(shè)計出原控制板特征及流量計固定槽特征等相關(guān)特征，并對顯示屏安裝槽進行設(shè)計，同時對各邊進行倒鈍處理。

3.4逆向參數(shù)化建模

通過設(shè)計要求可知，首先對控制板、流量計固定槽相關(guān)特征進行逆向設(shè)計，獲取電熱水器控制板大致輪廓形狀，然后再對顯示器安裝槽進行設(shè)計，將各邊倒鈍后，完成電熱水器控制板創(chuàng)新設(shè)計。

3.4.1控制板逆向設(shè)計

將多邊形模型進行領(lǐng)域劃分，并對領(lǐng)域進行編輯，如圖7所示。劃分領(lǐng)域時應(yīng)使各獨立特征由同一個領(lǐng)域表達，可方便對非規(guī)則自由曲面進行擬合，創(chuàng)建曲面特征。

圖7　領(lǐng)域劃分

因控制板上、下兩層輪廓尺寸不同，所以先獲取上層輪廓特征，然后獲取下層輪廓特征，最后將兩特征進行布爾求和，獲取控制板。

通過邊界投影，提取控制板邊界輪廓（P1）特征草圖，并對草圖中各邊線尺寸進行修改，同時對位置進行約束［9］，因上層各輪廓尺寸較整體輪廓尺寸小4mm，再將草圖向內(nèi)偏置2mm，然后進行拉伸，獲得實體模型，創(chuàng)建控制板拉伸實體特征（X1）。由于上層輪廓特征表達不完全，因此繼續(xù)創(chuàng)建其非規(guī)則自由曲面特征（X2）。首先對上層輪廓特征領(lǐng)域1進行面片擬合［10］，并將擬合后曲面其向下偏置1.2mm，然后使用兩個已擬合的自由曲面分別對拉伸實體進行剪切，獲取控制板上層特征，如圖8所示。

圖8　控制板上層特征

以原多邊形模型數(shù)據(jù)為參考，進行偏差分析［11］，可知所創(chuàng)建實體模型偏差可控制在±0.05內(nèi)，如圖9所示。

圖9　控制板上層特征偏差分析

依據(jù)控制板上層特征操作流程，獲取控制板下層特征，然后將兩特征進行合并布爾運算，獲取控制板，如圖10所示。

圖10　控制板

再根據(jù)邊界投影，提取顯示屏、流量計和開關(guān)及冷熱水管接口特征草圖（P3），并進行拉伸剪切，獲取開關(guān)及冷熱水管固定接口（X3），完成控制板各特征（K1），如圖11所示。

圖11　控制板特征

3.4.2流量計固定槽逆向設(shè)計

通過領(lǐng)域2對固定槽進行面片擬合，擬合時進行平面和圓柱面定義，保證固定槽特征，然后各曲面進行相互裁剪并縫合，獲取流量計固定槽曲面，如圖12所示。

圖12　流量計固定槽曲面

將流量計固定槽曲面向外偏置3mm，兩曲面與控制板上層特征曲面進行裁剪并縫合，生成特征實體（X4），然后通過邊界投影，提取兩固定孔草圖（P5），而后拉伸剪切，形成流量計固定孔（X5），完成流量計固定槽（K2）逆向設(shè)計，并進行偏差分析，可知所創(chuàng)建實體模型偏差可控制在±0.05內(nèi)，如圖13所示。

圖13　流量計固定槽逆向設(shè)計

3.4.3顯示器固定槽設(shè)計

依據(jù)要素分析中所測得顯示器各相關(guān)參數(shù)值，構(gòu)建固定槽結(jié)構(gòu)、尺寸（P6），然后經(jīng)拉伸到曲面操作，創(chuàng)建顯示屏固定槽特征（X6），再通過控制板下層特征曲面偏置8mm的曲面（X2）裁剪拉伸實體，確定固定槽高度為8mm，同時根據(jù)顯示屏固定孔位置（P7），確定控制板上固定孔位置，經(jīng)拉伸后形成圓柱固定孔（X7），完成顯示屏固定槽特征創(chuàng)建（K3），且該固定槽符合水箱特征曲率，不會與水箱發(fā)生干涉，如圖14所示。

圖14　顯示屏安裝槽設(shè)計

各形態(tài)特征設(shè)計完成后，將各特征進行布爾運算，合并為同一整體，并進行倒角（K4）等特征編輯，完成原電熱水器控制板的創(chuàng)新設(shè)計，新電熱水器控制板參數(shù)化模型如圖15所示。

圖15　新電熱水器控制板參數(shù)化模型

4　結(jié)束語

本文提出了基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模方法，并分析了這種參數(shù)化建模方法的優(yōu)勢及其一般流程。以Geomagic Design X軟件為平臺，通過逆向創(chuàng)新設(shè)計電熱水器控制板的參數(shù)化模型為例，證明了該建模方法可以使設(shè)計人員明確設(shè)計目的、設(shè)計對象、設(shè)計要求，通過對形態(tài)分析獲取各單元要素，并對形狀單元要素進行解構(gòu)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，由解構(gòu)后映射關(guān)系圖可使設(shè)計師直觀了解模型原始設(shè)計意圖，進而明確建模信息，掌握新產(chǎn)品相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計知識，從而達到便于進行逆向參數(shù)化建模的目的。并以原始采集數(shù)據(jù)的多邊形模型為依據(jù)，對參數(shù)化模型進行了誤差分析，表明該參數(shù)化建模方法可在保證模型精度的基礎(chǔ)上，進行產(chǎn)品再設(shè)計，為產(chǎn)品的逆向創(chuàng)新設(shè)計提供了一種有效地建模方法。

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Reverse parametric modeling based on the application of morphological analysis

CONG Hai-chen1， CHENG Si-yuan1， YANG Xue-rong1， LIU Ji-an2， ZHANG Xiang-wei1

中圖分類號：TB21

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0115-05

收稿日期：2016-01-07

基金項目：廣東省科技計劃項目（2011A060901001，2013B061000006，2014A040401078）

作者簡介：叢海宸（1991 -），男，山東人，碩士研究生，研究方向為逆向工程研究等。