逆向設(shè)計(jì)方法在家具建模中的應(yīng)用

王琛?陸雪億?王希鈺?吳越

摘 要：逆向設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)中。本文將逆向設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到家具產(chǎn)品的建模中，反向得到家具三維模型并進(jìn)行二次創(chuàng)新，為家具產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了一種新途徑。

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計(jì);家具建模

當(dāng)今是數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)代，產(chǎn)品更新速度不斷加快。小批量、個(gè)性化是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流。逆向設(shè)計(jì)技術(shù)改變了傳統(tǒng)從圖紙到實(shí)物的設(shè)計(jì)模式，按照產(chǎn)品引進(jìn)、消化與創(chuàng)新的思路，根據(jù)已有產(chǎn)品模型反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、三維模型和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程，為產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了一種新途徑，是一種產(chǎn)品再設(shè)計(jì)并超越現(xiàn)有產(chǎn)品的過程。

家具模型大都通過正向設(shè)計(jì)的方法創(chuàng)建。正向設(shè)計(jì)是由概念到三維模型再到實(shí)物模型的開發(fā)過程，通過各類三維建模軟件便可實(shí)現(xiàn)。然而，復(fù)雜模型的正向建模是正向設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，如流線型產(chǎn)品、異形曲面組成的構(gòu)件等。因此，將正逆向建模結(jié)合，通過逆向設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助模型開發(fā)，便可解決家具建模過程中出現(xiàn)的難題。同時(shí)，逆向設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單地把物體還原，其重要意義在于對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行研究分析，同時(shí)進(jìn)行二次創(chuàng)新。因此，逆向設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，可以廣泛應(yīng)用于家具產(chǎn)品的開發(fā)中。

1 逆向設(shè)計(jì)方法

1.1 基于實(shí)體特征的逆向設(shè)計(jì)

基于實(shí)體特征的逆向設(shè)計(jì)是最簡(jiǎn)單的逆向設(shè)計(jì)方法。需要將封裝好的點(diǎn)云文件導(dǎo)入逆向設(shè)計(jì)軟件中，新建參考平面，利用提取截面輪廓的功能，獲得模型在該平面下的二維曲線輪廓，再使用軟件中的正向建模工具，創(chuàng)建模型的實(shí)體特征，創(chuàng)建好的各實(shí)體特征使用布爾運(yùn)算進(jìn)行編輯，使模型變?yōu)橐粋€(gè)整體。基于實(shí)體特征逆向設(shè)計(jì)得到的模型精度高、還原度高，可以直接用于生產(chǎn)制造。

1.2 基于曲面特征的逆向設(shè)計(jì)

基于曲面特征的逆向設(shè)計(jì)，通常用于復(fù)雜形體曲面模型的創(chuàng)建。利用軟件中的曲面擬合工具或手動(dòng)方式創(chuàng)建曲面。面片擬合是將曲面擬合到單元面或領(lǐng)域上，從而可以得到與原曲面高度吻合的曲面，也可以通過手動(dòng)方式，使用放樣、拉伸、回轉(zhuǎn)等命令生成模型的擬合輪廓曲面。基于曲面特征的逆向設(shè)計(jì)，重構(gòu)得到的曲面模型大部分曲面偏差符合精度要求，對(duì)于不符合精度要求的模型，可以導(dǎo)入其他建模軟件，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.3 混合特征的逆向設(shè)計(jì)

混合特征的逆向設(shè)計(jì)是應(yīng)用多種建模方法來完成模型的重構(gòu)，包含基于實(shí)體特征的逆向設(shè)計(jì)方法和基于曲面特征的逆向設(shè)計(jì)方法，多用于實(shí)體特征和曲面特征并存的模型。一般設(shè)計(jì)思路為：先設(shè)計(jì)主要特征，再設(shè)計(jì)次要特征;先設(shè)計(jì)復(fù)雜特征，再設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單特征。混合特征的逆向設(shè)計(jì)模型往往存在一些誤差，但相對(duì)于正向模型重建過程，混合特征的逆向設(shè)計(jì)過程在對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和NURBS曲面重構(gòu)方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 逆向設(shè)計(jì)實(shí)例

以明式圈椅模型的椅圈為例，傳統(tǒng)正向建模方式通過實(shí)地測(cè)繪或二維圖紙創(chuàng)建，但由于椅圈各截面形狀和尺寸是變化的，正向建模的方法較為復(fù)雜。因此，通過逆向設(shè)計(jì)方法可以輔助椅圈建模，建模方法如下：

首先，通過三維掃描儀將實(shí)物模型的椅圈掃描成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將三維掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)asc文件導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理，去除體外孤點(diǎn)和雜點(diǎn)，表面光順后封裝，保存為stl文件。隨后，將封裝好的椅圈stl文件導(dǎo)入Geoagic Design X軟件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，主要逆向設(shè)計(jì)圈椅各零部件的外觀造型。創(chuàng)建坐標(biāo)軸和基準(zhǔn)平面，選擇基準(zhǔn)平面繼續(xù)創(chuàng)建多個(gè)參照平面，對(duì)每個(gè)參照平面繪制面片草圖，在面片草圖與參考平面相交形成的輪廓線上進(jìn)行圓擬合。擬合好一系列圓后，使用模型命令下的放樣功能，對(duì)封閉輪廓新建放樣實(shí)體，最終完成椅圈的逆向設(shè)計(jì)。最后，將逆向設(shè)計(jì)好的文件同步至UG軟件里進(jìn)行榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用UG軟件的實(shí)體建模和裝配設(shè)計(jì)模塊。通過草圖、拉伸實(shí)體和布爾操作等命令，完成榫卯結(jié)構(gòu)的制作。

3 結(jié)語

正向設(shè)計(jì)方法在家具建模中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。逆向設(shè)計(jì)方法由于可以快速反求家具原型，具有高效性和實(shí)用性價(jià)值，適用于復(fù)雜家具模型的建模。因此，將逆向設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到家具產(chǎn)品的建模中，反向得到家具三維模型并進(jìn)行二次創(chuàng)新，為家具產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了一種新途徑。

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作者簡(jiǎn)介：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程。