淺談反求設計的建模重構過程和應用

周峰

摘 要：隨著科學技術的飛速發展，為了迎合不斷變化的市場需求，產品的更新是越來越快。顯然，傳統的設計方法已不能滿足這一發展的需要。在這背景下應運而生的現代設計，對產品設計開發的指導過程中變得越來越來重要。本文通過實例分析反求設計的過程，講述反求設計對在三維建模重構的應用。

關鍵詞：反求設計；建模重構；UG

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.228

0 引言

隨著科學技術快速發展，新的科技成果層見迭出，不斷推動著生產力的發展和社會的進步。中國在機械工程領域起步較晚，基礎較為薄弱，反求設計的應用對于我國科技進步和發展有著重要的現實意義。

1 現代設計方法的特點

現代設計方法是隨著當代科學技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用而在設計領域發展起來的一門新興的多元交叉學科。以滿足市場產品的質量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優為目的，以計算機輔助設計技術為主體，以多種科學方法及技術為手段，研究、改進、創造產品和工藝等活動過程所用到的技術和知識群體的總稱[1]。在相關的科學技術基礎之上，結合運用計算機技術，進行綜合系統的集成設計計算，使機械產品的設計工作跨越了一個新的臺階。

2 現代設計方法國內外發展的現狀

中國是一個制造業大國，但還未擠入世界制造業強國之列。與國際設計水平相比，仍差距較大。為更快的縮短差距，我們需要學習引進國際先進的設計方法，消化和吸收，不斷創新設計觀念，學習并逐步采用先進的設計方法，讓中國制造不再是“山寨”的代名詞。而反求設計就是針對消化吸收先進技術的系列分析方法、應用技術和創新設計的組合。

3 反求設計在三維建模的應用

3.1 反求設計的內涵

反求設計是指先對產品實物樣件進行數字化處理，然后利用逆向工程軟件生成CAD數據，并進一步用CAD/CAE/CAM軟件實現分析、再設計，并進行自動編程，最后實現數控加工的過程。整個過程有效縮短設計和制造周期，更能夠體現現代化設計和加工技術的優越性。其中通過數據的采集和處理重構實物的三維原型是其關鍵步驟。

3.2 反求設計的步驟

曲線、面的構建是模型重構的基礎。其常用的模型重構方法是將數據點通過插值或逼近擬合成樣條曲線，再利用造型軟件完成曲面的造型，最后對曲面進行剪切、過渡和拼合等曲面編輯，進而得到完整的CAD三維模型[2]。以現狀較為流行的逆向工程軟件 Imageware和建模軟件UG的三維模型重構方法為例，反求設計流程圖：

3.2.1 數據的采集

目前物體表面幾何數據獲取方法多種多樣，可通過傳感技術、控制技術、圖像處理和計算機視覺等相關技術。按其工作原理和結構分類，可分為接觸式和非接觸式。接觸式是指測頭與被測物體直接接觸獲取數據信息，比如三坐標測量機（CMM）。非接觸式測量可分為光學測量法、超聲波法和磁共振 （MRI） 等[3]。在逆向工程中，通常采用三維光學掃描儀或激光掃描儀等測量裝置來進行產品表面點數據的采集。

3.2.2 數據的處理

通過激光三維掃描儀進行數據采集，可以方便地獲取物體表面信息，這些信息通過大量點來表達，通常稱為點云（Point Cloud）。采集得到的點數據，我們要用逆向設計軟件，這里我們采用 Imageware 對點數據進行處理，包括噪聲過濾、排序、刪減、拼合、分割及特征點的提取等。

（1）去除雜點。受設備和環境因素的影響，掃描會有大量無用點的存在，為方便后續工作的展開，可以進行去除。

（2）數據拼合。受設備的限制，有些產品需多方位掃描進行數據的采集，多次掃描后每塊點云的坐標位置發生了變化，利用逆向軟件使得坐標重合進行數據的拼合。

（3）數據精簡。在不損失模型特征的情況下利用逆向軟件對點云進行有效的精簡壓縮，可以大大的提高工作效率。

3.2.3 模型重構

模型重構可以說是反求設計的一個核心及主要的目的，是依據點云數據恢復曲面形狀建立模型并進一步實現分析和再設計的過程。UG NX是當今世界上較為流行的 CAD/CAM/CAE 軟件之一。模型曲面重構過程一般是對采集的數據點進行擬合生成出特征線，然后利用特征線擬合生成出曲面，曲面之間還可以進一步縫合、過渡或者加厚，最后分析和優化以得到更合理的實體模型。

例如罩殼曲面重構的基本思路：

4 反求設計的實際應用

隨著人們對于反求設計的認識不斷深入，以及相關的軟硬件逐漸普及的日益完善，其快捷、簡便、直觀等特點日益凸顯，應用領域也越來越廣泛。在新產品的外形設計中當設計師難以直接用計算機進行初始外形設計，這就需要通過反求設計將實物模型轉化為三維CAD模型。對于某些構造復雜的設備，如航空發動機、汽輪機組等，在實際使用中大部分故障都是由于某一零部件的損壞而引起的。若很難重新加工一個新的零件更換，則需要通過反求設計的技術及再制造技術相結合來還原該部件，這樣便可以快速生產這些零部件的替代件。

5 總結

近年來反求設計作為一種與傳統生產加工方式有著顯著差異的技術迅速發展，這對于我國先進技術的引進有著很大的推動作用。反求設計技術能夠更快地應對不斷變化的市場需求，達到提高勞動生產率，節約成本的目的，真正實現新產品的并行開發。

參考文獻：

[1]許智欽，孫長庫.3D 逆向工程技術[M].北京：中國計量出版社，2002.

[2]吳永強.精通UG NX 5+Imageware 逆向工程設計[M].北京：電子工業出版社，2008（01）.

[3]張鄂.現代設計理論與方法[M].北京：科學出版社，2007.