逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)踐研究

張 倩，吳鳳林

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024）

逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)踐研究

張 倩，吳鳳林

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024）

0 引言

逆向工程是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，它基于實(shí)物、樣件、軟件（圖片、程序、技術(shù)文件等）或影像（圖片、照片等）為研究對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法、生產(chǎn)科學(xué)、材料科學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)深入地分析和研究，進(jìn)而開發(fā)出更為先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)是現(xiàn)代文明不可或缺的一種社會(huì)活動(dòng)，不斷的完善產(chǎn)品，能提高人們的生活水平同時(shí)滿足人類生活的品質(zhì)。借助逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)無(wú)疑是最有效手段，將現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)和逆向工程技術(shù)緊密結(jié)合，充分的吸收和利用以促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的步伐，更好的服務(wù)社會(huì)。

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(chǎng)需求找到產(chǎn)品的功能描述，然后進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，有了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)藍(lán)圖或者CAD造型，在這樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行總體和各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)，制作小比例模型反復(fù)修改，最后制定工藝流程，設(shè)計(jì)工夾具，完成加工和裝配，然后通過檢驗(yàn)其性能測(cè)試。而逆向工程（Reverse Engineering）是相對(duì)正向提出的，首先是對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行掃描測(cè)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(jìn)行修改設(shè)計(jì)，誤差分析，最后實(shí)現(xiàn)再創(chuàng)造的批量快速的生產(chǎn)制造。

圖1 逆向工程設(shè)計(jì)流程圖

2 逆向工程的相關(guān)概念及模式

2.1 逆向工程與快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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

逆向工程技術(shù)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(shù)相結(jié)合方式，有效的針對(duì)復(fù)雜曲面造型的實(shí)物（如電子產(chǎn)品，汽車飛機(jī)，模具等）高效率的進(jìn)行快速產(chǎn)品開發(fā)，從逆向過程中吸收和消化先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和制造方法，進(jìn)而將逆向“仿制”技術(shù)發(fā)展成為逆向“創(chuàng)新”理論，這也將是逆向工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 逆向工程的設(shè)計(jì)模式

本文我們就幾何逆向反求做實(shí)物分析，即根據(jù)實(shí)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(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)。

1）實(shí)物模型的選取

由于選取的實(shí)物模型的質(zhì)量會(huì)直接影響后面反求的精度，因而準(zhǔn)確確定被測(cè)對(duì)象實(shí)物模型是逆向工程的基礎(chǔ)和前提。如對(duì)一些反射效果較為強(qiáng)烈的塑料、金屬材質(zhì)模型需要通過噴施著色劑來(lái)優(yōu)化模型質(zhì)量，方便掃描儀的CCD鏡頭能更好得對(duì)其數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行捕捉。

2）表面輪廓數(shù)字化測(cè)量

準(zhǔn)確獲得實(shí)物模型的三維數(shù)據(jù)是進(jìn)行后續(xù)CAD造型的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)測(cè)量則是通過選取合適的測(cè)量設(shè)備獲得產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)字化。我們將被測(cè)產(chǎn)品放置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或三維激光掃描儀的測(cè)量空間內(nèi)，能多次獲得產(chǎn)品各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，對(duì)這些空間坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合成圓、球、圓錐、曲面等，經(jīng)過計(jì)算方法得到其形狀的幾何數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于上階段的測(cè)量系統(tǒng)的不同，我們得到的測(cè)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?cè)贑AD模型重建前對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。我們可以用逆向軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理工作包括：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、噪聲點(diǎn)去除、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、點(diǎn)云的拼合、特征提取。

4）CAD模型重構(gòu)

模型重構(gòu)的首要任務(wù)是將測(cè)量數(shù)據(jù)按實(shí)物原型的幾何特征進(jìn)行分割，針對(duì)不同數(shù)據(jù)塊，采用不同的曲面構(gòu)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(shí)現(xiàn)模型實(shí)體化。

5）基于CAD模型的快速成型

重構(gòu)的CAD模型不僅便捷地修改和創(chuàng)新反求的實(shí)物樣品原型，還對(duì)一些產(chǎn)品可以用制出的樣品進(jìn)行性能測(cè)試后再修改來(lái)完善CAD模型，最后得到高質(zhì)量、美觀的模型。這時(shí)，3D打印技術(shù)是必不可少的，即“快速成型”技術(shù)，采用“材料累加”想法，不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具，對(duì)零件的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)進(jìn)行，逐層累加，直到零件的實(shí)體模型形成。這使得加工對(duì)象不受復(fù)制程度的限制，讓平面生成立體的過程變得簡(jiǎn)單易行。

6）后續(xù)工作

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

3 逆向工程的應(yīng)用實(shí)例

模型的制作對(duì)推敲細(xì)節(jié)有較大的幫助，可以彌補(bǔ)草圖階段的不足，從而提高效率。本文用非接觸式光學(xué)三維掃描儀對(duì)家用加濕器模型進(jìn)行掃描。CCD鏡頭對(duì)所貼標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行空間定位，由于無(wú)法單面一次掃描完成，所以采用多次多角度標(biāo)志點(diǎn)拼接掃描測(cè)量，將所有掃描的數(shù)據(jù)拼接完成后得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，如圖2所示。

圖2 最終掃描點(diǎn)云數(shù)

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用調(diào)整參數(shù)的方式導(dǎo)入Alias studio中，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化，對(duì)變成三角網(wǎng)格的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格平滑處理和網(wǎng)格修補(bǔ)孔洞處理，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云網(wǎng)格化處理

本文按照基礎(chǔ)面-過渡面的建模思路進(jìn)行構(gòu)面，利用特征線通過路徑掃描、曲面拉伸等工具構(gòu)建基礎(chǔ)面，然后進(jìn)行光順對(duì)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(duì)數(shù)字模型進(jìn)行評(píng)估有利于下游CAD軟件的順利接受重構(gòu)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(gòu)原因：1）模型制作不光順；2）測(cè)量后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲點(diǎn)過多；3）網(wǎng)格化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不夠精簡(jiǎn)。

圖5 曲面曲率分析圖

本文通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)直接用Pro/ENGINEER構(gòu)建高曲率曲面時(shí)和讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的功能較弱，所以在上述實(shí)例中先通過Alias讀取點(diǎn)云，建立曲面，再以.iges格式導(dǎo)入到Pro/ENGINEER軟件中，對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)上的修改，得到預(yù)期的曲面模型。

4 結(jié)論

文中結(jié)合實(shí)踐對(duì)設(shè)計(jì)流程合理規(guī)劃進(jìn)行了研究，提出培養(yǎng)“正向+逆向”的思維方式，靈活的運(yùn)用“逆向+正向”的建模方式，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)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(zhǔn)備。在具體的實(shí)施過程應(yīng)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(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新；2）在掃描過程中，要使坐標(biāo)系一致，否則需要對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，這樣會(huì)影響曲面拼接；3）應(yīng)進(jìn)一步研究復(fù)雜曲面離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的幾何理解，并將參數(shù)化技術(shù)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。

[1]劉煬,陳曦.逆向工程技術(shù)在曲面重構(gòu)及檢測(cè)中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012,(1):51-54.

[2]張海,付偉.基于逆向工程的防護(hù)罩快速模具設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2007,(11).

[3]于東玖,馮亞娟.逆向工程在產(chǎn)品曲面重建中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,(7).

[4]李郁,孫東印.概論逆向工程技術(shù)的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2011,(3):17-19.

[5]高敏,周仁和. 產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中逆向工程與快速成型技術(shù)的運(yùn)用[J].科技信息.2010(27).

[6]尹青松.基于PRO/E軟件的逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].機(jī)械.2008(12).

[7]歐陽(yáng)波,王楓紅.基于Alias的自由曲面逆向造型設(shè)計(jì)[J].華東大學(xué)學(xué)報(bào).2010,36(4).

The practice research on reverse engineering in the product design

ZHANG Qian, WU Feng-lin

首先對(duì)傳統(tǒng)正向工程技術(shù)運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)帶來(lái)的缺陷進(jìn)行了總結(jié)，隨后提出了逆向工程技術(shù)的概念、介紹了該技術(shù)的設(shè)計(jì)模式和優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)該技術(shù)運(yùn)用于具體實(shí)例的情況進(jìn)行分析，得出：基于3Dscan-Alias-Pro/ENGINEER的逆向技術(shù)運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)，并提出運(yùn)用逆向工程技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)正向工程技術(shù)完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

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

張倩（1988 -），女，山西太原人，碩士研究生，研究方向?yàn)槟嫦蚬こ碳夹g(shù)的應(yīng)用與造型設(shè)計(jì)。

TB472

A

1009-0134(2014)06(上)-0083-03

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

2014-03-07