現(xiàn)代產(chǎn)品設計中逆向工程技術(shù)的應用.pdf

1、包裝工程 PACKAGINGENGINEERINGVol.27 No.3 2006.06現(xiàn)代產(chǎn)品設計中逆向工程技術(shù)的應用蔡克中 , 鐘硯濤(南昌航空工業(yè)學院 , 南昌 330063摘要:闡述了逆向工程的概念, 論證了逆向工程技術(shù)在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中應用的意義和模式, 并從 掃描模型的建立、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、CAD 模型的重建、產(chǎn)品的再設計與快速成型技術(shù)等方面, 對逆 向工程的具體運作過程進行了比較詳細的分析和研究。 同時也指出了在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中應用逆向工 程技術(shù)需注意的問題。關(guān)鍵詞:逆向工程; 產(chǎn)品設計 ; 快速成型; 反向設計中圖分類號:TB472 文獻標識碼 :A 文章編號:1001 -35

2、63(200603 -0156 -03DiscusionontheApplicationofReverse EngineeringTechnologyinModernProductDesignCAIKe-zhong, ZHONGYan-tao(NanchangInstituteofaeronauticaltechnology, Nanchang330063, ChinaAbstract:Thearticleexpoundedtheconceptofreverseengineering.ItdemonstratedtheapplicationsignificanceofreverseEngine

3、eringtomodernproductdesign.Inaddition,thearticlediscussedindetailop-erationalprocessconcretelyofreverseengineeringfromfollowingsixaspects:establishingscanmodel, gath-eringdata, disposalofdata, reconstructingCADmodel, productredesignandtechnologyofceleritymold-ing.Atthesametime,itpointedoutsomequesti

4、onsneededtopaymorea t entiontoinapplicationofreverseengineeringtoproductdesign.Keywords:reverseengineering;productdesign;celeritymolding;reversedesign逆向工程是 20世紀 90年代才發(fā)展起來的, 一種以先進產(chǎn) 品設備的實物、樣件、軟件(包括圖樣、程序、技術(shù)文件等 或影 像作為研究對象, 應用現(xiàn)代設計方法學、生產(chǎn)工程學、材料學和 有關(guān)專業(yè)知識進行系統(tǒng)分析和研究、探索掌握關(guān)鍵技術(shù), 進而 開發(fā)出同類的更為先進的產(chǎn)品技術(shù) 1。 并已在制造、醫(yī)學、考 古

5、與軍事等領域獲得非常廣泛的應用。 而產(chǎn)品設計則是現(xiàn)代 文明不可或缺的一種社會活動, 它的誕生對改善人類生活的品 質(zhì), 提高人們生活的水平起到了非常重要的作用。 為了能更好 地為現(xiàn)代社會服務, 產(chǎn)品設計一直都緊密地聯(lián)系各種最新的科 學技術(shù), 并給予兼揉并濟。 因此, 當面對逆向工程技術(shù)的大潮 時, 現(xiàn)代產(chǎn)品設計必然非常有必要加以充分吸收和利用, 以促 進產(chǎn)品設計的進一步發(fā)展和完善, 更好地推動人類文明的進 步。1 逆向工程應用于現(xiàn)代產(chǎn)品設計的意義逆向工程是先用一定的測量手段對實物或模型進行測量, 而后把測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物 CAD 模型,收稿日期:2005-09-18;修訂日期:

6、2006-02-28并在此基礎上進行改進設計及生產(chǎn)的全過程, 它在產(chǎn)品設計中 的應用具有非常重要的意義。 1.1 拓展設計師的設計思維思維是人腦對客觀事物間接和概括的反映, 也是人類智力 活動的一種外在表現(xiàn)形式, 更是產(chǎn)品設計師進行一切設計活動 的前提和基礎。 一個設計師創(chuàng)造性思維的活躍程度決定著產(chǎn) 品最終設計的好壞與成敗。 一般說來, 當然希望設計師的思維 越活躍、思維方式越獨特越好, 只有出眾的設計思維才能獲得 優(yōu)秀的設計方案。但對于產(chǎn)品設計來說, 以往很多時候某些優(yōu) 秀的設計方案并不一定確實可行。 其原因是多方面的, 其中一 個比較重要的可能就是因產(chǎn)品設計方案的曲面過于豐富, 造型 過于

7、復雜而無法在計算機建立三維 CAD 模型, 并迫使設計師 放棄最優(yōu)方案。 然而, 隨著逆向工程技術(shù)的誕生, 只要是好的 設計方案, 即使曲面再豐富, 造型再復雜, 都可以通過先做實物 草模, 然后用三維掃描儀掃描的方式來自動生成三維 CAD 模 型。 也就是說, 逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品設計中應用可以完全消除 設計師的后顧之憂, 大大解放了產(chǎn)品設計師的自由度, 拓展了 設計師的思維。 并把設計師從費事費力且又千篇一律的計算作者簡介:蔡克中(1977 -, 男, 江西玉山人, 南昌航空工業(yè)學院講師, 主要研究方向為工業(yè)設計理論和方法, 發(fā)表論文 10余篇。156 蔡克中等 現(xiàn)代產(chǎn)品設計中逆向工程技術(shù)的

8、應用機建模中解脫出來, 讓設計師有更多的時間用在設計思維上, 體的形態(tài)、色彩或結(jié)構(gòu)的基礎上進行產(chǎn)品設計 4。 而根據(jù)參以創(chuàng)造出更多更好的設計方案。 考的對象, 通常會有 3種參考設計的方式:1.2 縮短了設計周期, 降低了設計成本1 借鑒手法。 即指企業(yè)在產(chǎn)品設計時模仿市場上已經(jīng)存在經(jīng)濟高度發(fā)達的今天, 生產(chǎn)任何一種商品的企業(yè)都很在, 且銷售情況較好的同種類型產(chǎn)品的造型。 如國內(nèi)某個生產(chǎn)多, 產(chǎn)品的市場競爭也相當激烈。 企業(yè)為了增強產(chǎn)品的市場競 吸塵器的制造商 , 把國外(尤其是歐洲、美國或日本 市場上已爭力, 必然會采取許多措施, 其中縮短產(chǎn)品的設計周期是一個 經(jīng)出現(xiàn)的、時尚的且設計理念先進

9、的吸塵器造型借鑒過來, 并極其重要的方法。 我們知道, 產(chǎn)品的設計周期是指從提出產(chǎn)品 在此基礎上進行適當?shù)母爬?、提煉、簡化或變? 從而開發(fā)出僅設計的概念到產(chǎn)品被正式推向市場這么一系列過程的時間總 在國內(nèi)銷售的吸塵器。和。 在這個周期中, 任何一個現(xiàn)代產(chǎn)品設計都需要建立計算機 2 移植手法。 即把一種類型的優(yōu)秀產(chǎn)品形態(tài)移植到另外的三維模型。 以往, 設計師只能依據(jù)設計草圖在計算機里用三 一種類型的產(chǎn)品造型上。 如在設計一款手機時, 則可借鑒某些維軟件完全獨立地建立 CAD 模型, 且這部分工作所花的時間 跑車的造型, 來表現(xiàn)手機的時尚感與速度感。 同樣的, 也可以在整個設計周期中占據(jù)了很大的比

10、例, 尤其是曲面比較復雜的 把鋼筆套的外觀移植到 MP3的造型上來。設計方案。 而從逆向工程技術(shù)的核心內(nèi)容能夠看出, 現(xiàn)代產(chǎn)品 3 改良手法。 即指企業(yè)對多年前推出的產(chǎn)品進行的一種設計可以通過三維掃描儀掃描用石膏或油泥制作的草圖模型改進設計。 而之所以要重新設計, 主要是原有產(chǎn)品的形態(tài)、色或產(chǎn)品實物并經(jīng)相應軟件的適當處理快速方便地生成產(chǎn)品彩已經(jīng)過時原來產(chǎn)品的在功能上有一定缺陷原有產(chǎn)品在人,、的 CAD 模型, 節(jié)約了大量的計算機建模的時間。 同時, 由于快 機工程上設計不合理等問題, 并已嚴重影響到產(chǎn)品的銷售。速成型系統(tǒng)在逆向工程中的使用 2, 很多后期的細致模型甚 上述 3種設計手法, 雖然

11、過程不僅相同, 但有一些共同的至是樣機都可以利用快速成型系統(tǒng)來完成, 從而又在很大程度 特點。 即都是以某個已經(jīng)存在的產(chǎn)品為參照物, 且都要求在原節(jié)省了制作實物模型的時間。 由此可知, 逆向工程在現(xiàn)代產(chǎn)品 有產(chǎn)品造型的基礎上, 通過分析、消化、吸收和改進來創(chuàng)造一個設計中的應用, 能夠大大提高產(chǎn)品設計的效率, 縮短產(chǎn)品設計 全新的產(chǎn)品。 然而, 以往設計師必須先測量被參考產(chǎn)品或零部的周期, 進而降低產(chǎn)品設計的成本。件的各種尺寸, 然后才能夠在計算機里建立產(chǎn)品的三維模型。但逆向工程技術(shù)的出現(xiàn), 則可用三維掃描儀直接掃描被參考產(chǎn)2 逆向工程應用于現(xiàn)代產(chǎn)品設計的模式 品或零部件的形態(tài), 并通過相應的軟

12、件, 就能非常迅速地生成產(chǎn)品的 CAD 模型, 以便于產(chǎn)品設計的后續(xù)工作。 這實際上也 根據(jù)三維掃描儀掃描的對象, 可以把逆向工程技術(shù)應用于 是逆向工程技術(shù)應用于現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的一種常見的模式。產(chǎn)品設計的模式分為 2種。3 逆向工程在產(chǎn)品設計中應用的過程2.1 掃描實物模型, 有利于建立復雜的產(chǎn)品 CAD模型由于數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展, 在現(xiàn)代產(chǎn)品設計與開發(fā)的過程中, 充分利用計算機便成為了一種必然的趨勢, 其目的有 2點:由上文可知 , 在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中融入逆向工程技術(shù)具有非(1通過計算機來繪制產(chǎn)品的預想效果圖;(2利用計算機來 常重要的現(xiàn)實意義, 但具體的實施過程中到底是如何進行的輔助產(chǎn)品的加

13、工制造 (如力學分析、結(jié)構(gòu)設計、模具設計與加 呢? 根據(jù)逆向工程技術(shù)的原理并結(jié)合產(chǎn)品設計的特點, 經(jīng)過比工工藝設計等 。 而要實現(xiàn)上述 2 個目的, 傳統(tǒng)上, 設計師必 較系統(tǒng)的研究認為, 在實際的產(chǎn)品設計中利用逆向工程技術(shù)應須利用一些三維軟件 (如 3DSMAX 、RHINO 、PRO/E、UG 等 在 遵循以下系列步驟:掃描模型的建立、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處電腦里憑空建立一個三維的數(shù)字模型。 通常情況下, 設計師建 理、CAD 模型的重建、產(chǎn)品的再設計和快速成型。 立一個造型不太復雜的三維數(shù)字模型也很方便。 但有些產(chǎn)品 3.1 掃描模型的建立很可能被設計的曲面豐富、造型復雜, 如汽車、吸塵器

14、等。 這 逆向工程是通過三維掃描技術(shù)把實物模型轉(zhuǎn)變?yōu)?CAD 模時, 如果要在電腦里直接建立符合要求的三維數(shù)字模型就會非 型的, 因此, 在掃描之前必須建立或確定被掃描的對象, 這實際常困難, 甚至是最熟練的造型師利用最先進的三維軟件都不可 上也是逆向工程應用于產(chǎn)品設計的前期準備工作。 一般情況能建立。 但逆向工程技術(shù)的出現(xiàn), 則可輕松地解決這個問題, 下, 建立被掃描的對象的方式有 2種。 如果是創(chuàng)新產(chǎn)品設計方即設計師可先用石膏、油泥、泡沫塑料等材料迅速地做出一個 式, 則設計師需要用石膏、油泥或泡沫塑料, 把設計方案快速地產(chǎn)品的實物模型 3, 然后利用三維掃描儀把實物模型轉(zhuǎn)化為 制作出來,

15、 以獲得被掃描的對象。 如果是改良設計或借鑒設計一個符合要求的、可以編輯的產(chǎn)品 CAD 模型。 由此可知, 逆向 模式, 則設計師只需根據(jù)設計目的選定被參考的產(chǎn)品實體或零工程技術(shù)有利于產(chǎn)品 CAD 模型的建立, 尤其是曲面復雜的產(chǎn) 部件, 以得到被掃描的對象。 品。3.2 數(shù)據(jù)的采集2.2 掃描產(chǎn)品實體, 快速建立產(chǎn)品的 CAD模型數(shù)據(jù)采集是通過一定的方法來收集有效數(shù)值信息的一項許多時候, 企業(yè)會在參考現(xiàn)實存在或曾經(jīng)出現(xiàn)過的原有物實用技術(shù), 而對于逆向工程, 則是利用特定的測量設備和測量157 包裝工程 PACKAGINGENGINEERINGVol.27 No.3 2006.06方法來獲取實

16、物模型或零部件表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)。 逆向工程最高的目標創(chuàng)新。即是實物模型數(shù)字化的過程, 它是逆向工程技術(shù)最基本、最重 3.5 快速成型技術(shù)的使用要的步驟。 因而, 如何高效、高精度地測量并收集模型表面的 在完成實物的 CAD 模型重建后, 其后續(xù)工作就是利用快數(shù)據(jù), 一直是逆向工程的主要研究內(nèi)容之一。 當前, 測量三維 速成型技術(shù)來迅速、精確并經(jīng)濟地生成可觸摸的物理原型或模 表面形態(tài)的方法可分為接觸式測量和非接觸式測量 2大類。 具, 一方面為產(chǎn)品的及時修改和再設計提供實物樣品, 另一方 接觸式有基于力變形原理的觸發(fā)式與連續(xù)掃描式測量以面, 對一些材料制造的零部件, 還可以直接制造出產(chǎn)品

17、的模具。及基于磁場、超聲波的數(shù)據(jù)采集等。 而非接觸式主要有激光測 這樣做避免了機械加工的長周期和復雜的工藝設計, 為產(chǎn)品的 距法、光干涉法、和結(jié)構(gòu)光學法等。 此外, 隨著工業(yè) CT 技術(shù)的 快速開發(fā)和制造提供了有效的技術(shù)支持。 因此, 在產(chǎn)品設計的 發(fā)展, 斷層掃描技術(shù)也逐漸得到很好的應用。 當然, 由于后一 逆向工程中快速成型技術(shù)則是不可少的。種掃描技術(shù)不接觸待測物體的表面, 測量速度快, 并可相當密集地對產(chǎn)品表面進行測量 , 形成海量的“點云 ”數(shù)據(jù), 失真少。 4 結(jié) 語因此, 非接觸式測量設備 (如激光三維掃描儀 被應用得更加普遍。 逆向工程是把實物模型或產(chǎn)品樣件, 通過三維掃描儀和相

18、3.3 數(shù)據(jù)的處理關(guān)的軟件, 轉(zhuǎn)變?yōu)榭删庉嫷?CAD 數(shù)字模型的一種先進的實用通過三維掃描獲得的測量數(shù)據(jù), 因存在一些缺陷不能被直 技術(shù)。 它在許多行業(yè)獲得了廣泛的應用, 并取得了很好的效 接用來重建產(chǎn)品的 CAD 模型, 而必須進行預處理, 而數(shù)據(jù)處理 果。 因此, 在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中應用逆向工程技術(shù)具有非常重要 的好壞又將直接影響后期建立的計算機模型的質(zhì)量, 因此, 數(shù) 的意義和廣闊的空間, 但具體的實施過程應注意以下幾個問 據(jù)處理是逆向工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 通常數(shù)據(jù)處理包括:數(shù)據(jù)格式 題:(1逆向工程絕對不提倡產(chǎn)品設計上的抄襲, 而是強調(diào)在 的轉(zhuǎn)化、采取過濾的方法排除噪聲和異常數(shù)據(jù)、壓縮和歸并

19、冗 參考和借鑒的基礎上進行創(chuàng)新;(2逆向工程需要得到三維掃 余數(shù)據(jù)以及用平滑填補的方法缺陷數(shù)據(jù)進行整形處理等內(nèi)容。 描、數(shù)據(jù)處理、和快速成型等先進技術(shù)的支持, 且所需的設備也 3.4 CAD模型的重建和再設計是非常昂貴;(3逆向工程技術(shù)只適合在造型比較復雜的產(chǎn)品 在逆向工程中, 實物的三維 CAD 模型重建是整個過程最 設計中應用, 而不適合形態(tài)比較簡潔的產(chǎn)品。關(guān)鍵、最復雜的一環(huán), 因為后續(xù)的產(chǎn)品加工制造、快速原型、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設計等都需要 CAD 數(shù)學模 參考文獻:型的支持, 這就要求重建的模型能夠準確地還原實物樣件。 而 1 金濤, 童永光. 逆向工程技術(shù) M .北京:

20、機械工業(yè)出版社,這個工作的進行受 2個因素的影響, 一是設備硬件, 包括數(shù)字 2003, (8:1 -5.化設備和造型軟件; 二是操作者的經(jīng)驗。 因此, 為能夠快速、準 2 徐江華, 張敏. 快速成型系統(tǒng)在工業(yè)設計中應用 J .包裝工,、程, 2004, 25(4:183 -185.確地實現(xiàn)模型的重建應根據(jù)數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)來源造型方式和曲面表示等因素來選擇不同的重建方法, 如有序點重建、散亂 2 謝大康. 產(chǎn)品模型制作 M .北京:化學工業(yè)出版社, 2003, (8:點重建、激光點云重建、CT 數(shù)據(jù)重建等。 CAD 模型重建是產(chǎn) 4 -7.品創(chuàng)新的基礎, 而不是最終的目的。 因此, 設計師非常有必要 4 蔡克中, 吳國榮. 論模仿造型法在產(chǎn)品設計