產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的逆向工程技術(shù)應(yīng)用研究

胡萍，干靜

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的逆向工程技術(shù)應(yīng)用研究

胡萍，干靜

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

伴隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在注重實(shí)用性的同時(shí)還對(duì)產(chǎn)品外形提出了一定的要求。這意味著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難度比以前增加了許多，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工模式已經(jīng)不能滿足需求。為了滿足新形勢(shì)下對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，使產(chǎn)品既具備優(yōu)良的性能又具有美觀的造型，就要大膽探索，充分引進(jìn)逆向工程技術(shù)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)；逆向工程；應(yīng)用

隨著數(shù)字技術(shù)不斷發(fā)展，以往工藝產(chǎn)品設(shè)計(jì)所用的計(jì)算機(jī)輔助正向開發(fā)設(shè)計(jì)模式已經(jīng)有局限性，難以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)中逆向工程的需要，這就要求對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)換代，使逆向工程技術(shù)能夠順利得到實(shí)施。

1 逆向工程的概念與主要技術(shù)

1.1 逆向工程的概念

逆向工程，亦稱逆向技術(shù)。它是基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)原理的一種設(shè)計(jì)理念。通過對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，對(duì)其處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素進(jìn)行還原出基本的模型，并根據(jù)這個(gè)模型為框架，設(shè)計(jì)出具有相近功能，但又不完全一樣的產(chǎn)品。利用逆向工程技術(shù),可以讓產(chǎn)品開發(fā)更有目的性，達(dá)到節(jié)省時(shí)間、節(jié)省成本、提高效率等目的。

逆向工程的思路，最初是來自于商業(yè)及軍事領(lǐng)域中的硬件分析的。當(dāng)時(shí)，在難以直接獲取產(chǎn)品信息的前提下，人們不得不直接根據(jù)產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)來對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行逆推。最終使逆向工程被提煉和升級(jí)為一門具有高度實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用科學(xué)。

1.2 逆向工程的主要技術(shù)

1.2.1 數(shù)字化測(cè)量

數(shù)字化測(cè)量是將許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再以它們來建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)化為一系列二進(jìn)制代碼，再通過計(jì)算機(jī)將這些二進(jìn)制代碼進(jìn)行統(tǒng)一處理的過程。

1.2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行逆向工程的主要工作之前，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行一些分析處理。它可以說是逆向工程的預(yù)備工作。

1.2.3 三點(diǎn)云重建

三點(diǎn)云重建是指對(duì)三維物體建立起適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，為后面運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)打下鋪墊，它是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2.4 點(diǎn)云配準(zhǔn)

通過掃描采樣，獲得兩組有重復(fù)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)暮线m坐標(biāo)，把兩組數(shù)據(jù)點(diǎn)云對(duì)齊及合并，統(tǒng)一在同一個(gè)坐標(biāo)系下，來獲取被測(cè)物體的完整數(shù)據(jù)。其配準(zhǔn)手段可以依靠手動(dòng)，自動(dòng)和儀器來完成。目前最常用的就是儀器配準(zhǔn)。

1.2.5 誤差分析

對(duì)產(chǎn)品的理論數(shù)值和實(shí)際采測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)其誤差，并分析出產(chǎn)生誤差的原因，并通過采取相應(yīng)的手段來盡可能地減少誤差。

1.3 逆向工程的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，關(guān)于逆向工程的研究已經(jīng)在國(guó)外廣泛開展。我國(guó)雖然起步較晚，但也進(jìn)展較快。

1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于逆向工程的研究，起始于20世紀(jì)80年代，最初由日本名古屋工業(yè)研究所和美國(guó)UYP公司、美國(guó)3M公司開始這方面的試點(diǎn)，并開始逐漸受到學(xué)術(shù)界的重視。現(xiàn)在，對(duì)于逆向工程的研究已成為國(guó)外學(xué)術(shù)界的重要課題。目前國(guó)外不少高校和科研領(lǐng)域?qū)ｉT成立了大批關(guān)于逆向工程的研發(fā)部門，還誕生了一大批相應(yīng)的制造公司及代工廠，并專門成立了這方面的基金會(huì)予以經(jīng)濟(jì)上的贊助。

目前，國(guó)外在測(cè)量設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件方面，都已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，在CAD及CYM軟件開發(fā)上，開始集成逆向工程模塊。這方面有代表性的如UG NX5中的PointCloud等。現(xiàn)在，國(guó)外不少企業(yè)都把逆向工程大量運(yùn)用于產(chǎn)品研發(fā)當(dāng)中，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，減少了企業(yè)的研發(fā)成本，使企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步得到提高。

1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在過去，受限于我國(guó)的技術(shù)條件，對(duì)逆向工程方面的研究開展的比較少。自1995年左右起，逆向工程方面的研究受到扶持，各項(xiàng)研究成果不斷誕生。現(xiàn)在，我國(guó)在逆向工程方面的研究已經(jīng)接近世界水平。在北京、寧波等地已經(jīng)有了從事測(cè)量機(jī)研發(fā)的企業(yè)。

在數(shù)據(jù)處理軟件方面我國(guó)相對(duì)于世界先進(jìn)水平來說還比較滯后，目前，我國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件的研究多限于一些工科名校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等，有部分學(xué)者參與了對(duì)QuickFrom軟件的研制。隨著我國(guó)科技水平的不斷提高和生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件的研究一定會(huì)取得更進(jìn)一步的突破，參與研究課題的單位和個(gè)人會(huì)越來越多。

2 逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用

2.1 有助于節(jié)省成本提高效率

在產(chǎn)品升級(jí)換代時(shí)，對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，可以使用逆向工程技術(shù)，以原有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行CAD數(shù)字模型的修改、重構(gòu)任務(wù)，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)投入。明顯的節(jié)省了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率。

2.2 明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，一開始我們常常會(huì)因?yàn)槿狈Ξa(chǎn)品尺寸方面的模型，難以測(cè)算出產(chǎn)品的大致尺寸，而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向上陷入盲目的狀態(tài)。此時(shí)，采用逆向工程技術(shù)，以比例模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的CAD數(shù)字模型，就可以盡可能地測(cè)算出產(chǎn)品真實(shí)的尺寸來，進(jìn)而得出產(chǎn)品的全尺寸模型，這樣使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向更加清晰明了，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品模型更加精準(zhǔn)，為產(chǎn)品后續(xù)的研發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。

3 逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用實(shí)例

3.1 實(shí)例描述

這里我們以動(dòng)車座椅的設(shè)計(jì)實(shí)施過程為例，淺談逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。采用逆向工程技術(shù)來進(jìn)行動(dòng)車座椅設(shè)計(jì)，一共包括三大環(huán)節(jié)，分別是：第一，進(jìn)行動(dòng)車座椅產(chǎn)品模型的物理數(shù)據(jù)采集。第二，基于采集了物理數(shù)據(jù)結(jié)果——高密度點(diǎn)云的的產(chǎn)品模型，構(gòu)建出動(dòng)車座椅CAD數(shù)據(jù)模型。第三，通過對(duì)數(shù)據(jù)模型的特征參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)整和修改，快速制造出動(dòng)車座椅的數(shù)字模型。

運(yùn)用逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)出的動(dòng)車座椅，不僅具備可靠的質(zhì)量，并符合人體工學(xué)原理，讓旅客乘坐起來安全舒適，而且能讓造型更加美觀，設(shè)計(jì)比例更加協(xié)調(diào)，使旅客看起來感到賞心悅目。

3.2 物理數(shù)據(jù)采集

在運(yùn)用逆向工程進(jìn)行動(dòng)車座椅設(shè)計(jì)時(shí)，首先我們必須對(duì)同動(dòng)車座椅相關(guān)的物理數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列采集。物理數(shù)據(jù)采集的方式很多，目前常用的有接觸式與非接觸式兩種。它們可以說是各有千秋。其中，接觸式采集法由于采用探頭直接采集產(chǎn)品模型的表面數(shù)據(jù)，可以獲得更加精確的獲得產(chǎn)品的坐標(biāo)信息，并且還能迅速而精確地確定產(chǎn)品的基本形狀如平面、方形、圓形、橢圓形等。而非接觸式采集法則是通過對(duì)產(chǎn)品模型表面的反射光或折射光，來測(cè)算實(shí)物特征數(shù)據(jù)信息。比起接觸式采集法來，非接觸式采集法的測(cè)量速度更快，但后期需要較大的數(shù)據(jù)量，且對(duì)產(chǎn)品的基本形狀的測(cè)定精確度要低一些。此外，如果實(shí)物表面較為粗糙，那么測(cè)算出的數(shù)據(jù)就會(huì)難免出現(xiàn)誤差。這里，我們選用非接觸式采集法來采集動(dòng)車座椅模型的物理數(shù)據(jù)，并形成高密度點(diǎn)云。

3.3 造型改良的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行動(dòng)車座椅的改良升級(jí)時(shí)，我們同樣可以采用逆向工程技術(shù)，對(duì)原有的產(chǎn)品CAD模型進(jìn)行修改和重構(gòu)，這樣使得改良升級(jí)周期更短，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)更小，設(shè)計(jì)成本更少，并使新設(shè)計(jì)的動(dòng)車座椅產(chǎn)品在原來的基礎(chǔ)上，造型設(shè)計(jì)更具精度，設(shè)計(jì)方案更加至臻完美，更加符合市場(chǎng)需求。

4 結(jié)語

逆向工程技術(shù)是一種進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)的新型模式，它的誕生、發(fā)展和普及，有效地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少了產(chǎn)品開發(fā)中存在的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還減少了開發(fā)產(chǎn)品所需的成本。利用逆向工程技術(shù)對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行快速獲取三維數(shù)據(jù),通過對(duì)三維數(shù)據(jù)的處理,可以對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行重構(gòu),并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證、修復(fù)等操作,是一種對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速設(shè)計(jì)的有效方法，可以說是一種能讓產(chǎn)品開發(fā)過程變得事倍功半的先進(jìn)模式。目前，我國(guó)對(duì)于逆向工程技術(shù)的研發(fā)還處于起步階段，逆向工程技術(shù)在我國(guó)有著廣闊的發(fā)展空間和巨大的應(yīng)用前景。

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