新產品開發中的順、逆向設計

郝恬

(武漢理工大學藝術與設計學院,湖北武漢 430070)

新產品開發中的順、逆向設計

郝恬

(武漢理工大學藝術與設計學院,湖北武漢 430070)

在當今激烈的市場競爭中,產品的質量就是企業的生命。產品設計已經開始導入順、逆向設計,這種技術實現了從“感性認識”到“理性認識”上的轉變,同時解決了人機工學、空氣動力學等方面的問題,也是現代新產品開發的重要手段。

產品開發 順、逆向設計 三維掃描 數模重建

1 傳統的順向設計

通常來說，一般意義上理解的傳統設計均指順向設計。設計師依據產品企劃時所制定的規劃，繪制草圖及效果圖，并且依據效果圖建構CAD幾何模型，進行CNC加工完成模型制作，然后討論修改，最后制造模具實現產品批量化生產。傳統的順向設計開發流程是一個成熟的、被廣泛應用的開發模式。在這種開發流程中，設計思維收放自如，限定相對較少，并能集合企業整體力量，進行主動的原創性設計，是一個從無到有的創造性過程。(如圖1）

圖1順向設計基本流程

具體來說，設計師進行草圖繪制、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意呈現在計算機上，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，當然有時也會直接用手繪草圖來說明問題，這要根據各公司內部的設計流程和現場的具體情況而定。

當提案獲得客戶認同后，將進入三維數模繪制階段。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，這往往是設計師的首選;而Pro/E、CATIA、UG等參數化軟件，嚴格準確，方便修改的特點又往往受到工程師的青睞。

經過此階段之后，通常要進行模型(手板)制作，來驗證結構的準確性和裝配步驟的流暢性。設計師可能要反復修改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。

2 基于高技術下的逆向工程

高技術(High Technology，簡稱Hi-tech)的概念源于美國，是一個歷史的、動態的、發展的概念，是建立在現代自然科學理論和最新的工藝技術基礎上，處于當代科學技術前沿，能夠為當代社會帶來巨大經濟、社會和環境效益的知識密集、技術密集技術。

逆向工程(Reverse Engineering)又稱反求工程或逆向設計，就是近年發展起來的基于高技術背景的快速引進、消化、吸收先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合。它把已有的產品或技術作為研究對象，用現代設計理論、生產工程學、材料學、計量學、計算機技術及計算機圖形學和有關專業知識為基礎，運用設計人員的工程設計經驗和創新思維，以解剖、掌握對象的關鍵技術為目的，最終實現對研究對象的認識、再現及創造性地開發。其中，點云采集設備和數模重建軟件是逆向工程的核心。

2.1 點云采集設備

點云采集也叫三維掃描（如圖2）。

圖2

2.2 數模重建軟件

(1)Imageware。Imageware由美國EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。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，國內則有上海大眾、上海交大、上海 DELPHI、成都飛機制造公司等大企業。

(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據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面。該軟件也是除了Imageware以外應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：

自動將點云數據轉換為多邊形(Polygons);

快速減少多邊形數目(Decimate);

把多邊形轉換為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公司出品的功能強大的逆向工程系統軟件，它能允許從已存在的零件或實體模型中產生三維CAD模型。該軟件為來自數字化數據的CAD曲面的產生提供了復雜的工具。CopyCAD能夠接受來自坐標測量機床的數據，同時跟蹤機床和激光掃描器。

(4)RapidForm。RapidForm是韓國INUS公司出品的，RapidForm 提供了新一代運算模式，可以實時將點云數據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掃描設備的運用范圍擴大，從而改善掃描品質。此軟件的優勢是：多點云處理技術、快速點云轉換成多邊形曲面的計算法、彩色點云數據處理、點云合并功能。

RapidformXO Redesign(縮寫XOR)是一個創新的軟件方案，它能夠幫助工程師利用3D掃描資料和多邊形資料創作出參量CAD立體圖。XOR使用的是標準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，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今工程軟件所無法制作的最高質量的產品。任何人，只要會使用SolidWorks，CATIA，Pro/ENGINEER或Unigraphics都可以開始馬上使用XOR進行造型處理。

2.3 逆向設計的基本流程

簡單地說，逆向設計就是根據已存在的產品實物或模型反向推出產品的設計數據(包括設計圖紙或數字模型)的過程。詳細地說，就是使用專門的精密測量設備和數據采集、轉化設備，獲取現成產品或模型的表面形態參數甚至內腔參數，輸入專門的信息數據處理軟件，或者是帶有相應數據處理能力的CAD軟件進行優化處理和模型重建，并在此基礎之上進行復制或結構設計乃至再創作。這樣反復調整之后的模型，可以利用現代快速成形技術制作模型樣機，并評估量產。逆向設計的流程分為以下步驟（如圖3）：

圖3 逆向設計基本流程

可以說，逆向設計是創新的重要手段之一，在運用逆向設計的時候我們應當注重對知識產權的尊重和保護，不能將逆向工程理解成“抄襲工程”。

3 順、逆向設計是提升產品設計的有效手段

在航空航天、汽車工業中，產品的外形不僅是為了美觀，更重要的是合乎空氣動力學的要求。在產品開發的初始階段就要認真考慮空氣動力性。常規的設計流程是，首先要根據造型需要來設計出結構，并制作出油泥模型，將其送到風洞實驗室，測量空氣動力學性能，然后再根據實驗結果對模型進行反復修改直到獲得滿意結果為止。最后將既美觀又合理的模型掃描進計算機，根據點云數據重建數字模型。大多企業會再用巨型CNC機床制作1：“1代木模型”，有的企業甚至將“代木模型”再去做風洞試驗，再調整，再掃描（如圖4）。

圖4 順、逆設計流程模型

在激烈的市場競爭中，產品的質量是企業的生命。小型的產品設計也開始采用順、逆向設計。就以“門把手”的設計為例，以往從圖紙到產品的過程是很難得到完美的產品，因為，沒有先做“把握”的實驗就生產出來產品。而現在的設計師首先繪制出美觀的效果圖，再用油泥制作1：1的模型，在這個過程中設計師深刻體會造型與手的接觸關系，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，以點云數據為參照，進行數模重建。這樣有利于修改手工對線條、曲面表現上的瑕疵，得到流暢、完美至極的數模。設計師會用代木或ABS塊料通過CNC機床進行切削加工獲取模型(手板);當然也會用SLA增材制造的手段進行實體驗證。甚至還可以用SLS燒制成蠟膜去鑄造合金。至此，就實現了從“感性認識”到“理性認識”上的轉變，同時解決了人機工學方面的問題。

在此要強調說明的一點就是“：效果圖”“、油泥模型”和“數模重建”最好是由一個人來完成。這樣，有利于對設計概念深層次地挖掘，這就要求現在的設計師對審美、手繪、計算機工程能力等知識要全面掌握。而以往那種所謂2D手繪、3D結構，分部門來完成的狀態也即將結束。產品設計不僅僅是提供一個漂亮的圖樣，而是一套系統的基于外觀和結構的數據。相比傳統的順向設計流程來說，順、逆向設計起到了事半功倍的作用。

[1]張三元,孫守遷,潘云鶴.基于產品反求工程的產品創新設計方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2000,12(11)：851-855.

[2]陳能林.工業設計概論[M].北京：中國機械工業出版社,2011.

郝恬,(1993—),女,山東青島人,武漢理工大學藝術與設計學院工業設計專業。