電話(huà)造型藍(lán)牙音箱的逆向設(shè)計(jì)探析

電話(huà)造型藍(lán)牙音箱的逆向設(shè)計(jì)探析摘要：利用逆向工程技術(shù)可借助現(xiàn)有產(chǎn)品造型實(shí)現(xiàn)功能改進(jìn)，幫助設(shè)計(jì)師提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。文章以一款電話(huà)造型的藍(lán)牙音箱為例，重點(diǎn)介紹了逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)方法，探討了采用逆向設(shè)計(jì)方法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：逆向工程技術(shù);創(chuàng)新;Geomagic軟件;引言逆向工程（ReverseEngineering,RE），又稱(chēng)反求工程，即利用三維掃描儀獲取樣件表面信息，經(jīng)逆向軟件處理后，再進(jìn)行數(shù)字化模型重構(gòu)，進(jìn)而加工出產(chǎn)品的一種先進(jìn)制造技術(shù)。逆向工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可借助現(xiàn)有產(chǎn)品外觀，實(shí)現(xiàn)功能改良，或者造型改進(jìn)，可節(jié)省設(shè)計(jì)周期，因此在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中具有比較大的實(shí)用空間。隨著逆向設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)的發(fā)展，個(gè)性化定制產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。本文采用逆向設(shè)計(jì)手段，對(duì)某仿真復(fù)古電話(huà)儲(chǔ)錢(qián)罐進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一款電話(huà)造型的藍(lán)牙音箱，豐富了一般藍(lán)牙音箱的簡(jiǎn)單造型，實(shí)現(xiàn)了快速設(shè)計(jì)、個(gè)性化設(shè)計(jì)，進(jìn)而總結(jié)出采用逆向設(shè)計(jì)手段進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新時(shí)需要注意的地方。1、創(chuàng)新過(guò)程分析愛(ài)因斯坦曾指出：“提出（發(fā)現(xiàn)）一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更為重要……提出新的問(wèn)題、新的可能性，從新的角度看舊問(wèn)題，就需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力……”。顏惠庚在《技術(shù)創(chuàng)新方法實(shí)戰(zhàn)》一書(shū)指出，所謂問(wèn)題，就是系統(tǒng)應(yīng)該或希望具有的理想狀態(tài)與其目前狀態(tài)之間的差距。因此，無(wú)論采用正向或逆向設(shè)計(jì)方法，首先務(wù)必明確要解決的問(wèn)題。例如本設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)圍繞如何改變藍(lán)牙音箱的外觀造型。采用逆向設(shè)計(jì)手段，通過(guò)現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)新產(chǎn)品，首先應(yīng)在分析功能和造型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分析兩個(gè)產(chǎn)品之間的相似相通之處及改進(jìn)的可行性。新產(chǎn)品的功能必須穩(wěn)定、完善，外觀造型應(yīng)美觀、協(xié)調(diào)，改進(jìn)設(shè)計(jì)不應(yīng)牽強(qiáng)生硬，且符合一定的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)原理。其次，分析功能硬件結(jié)構(gòu)，確定硬件構(gòu)成、尺寸規(guī)格及安裝固定方式。第三，采集樣件外觀數(shù)據(jù)，處理后重新構(gòu)建CAD數(shù)字模型，再根據(jù)裝配需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大部分新產(chǎn)品除外觀有所變更外，由于添加了硬件，結(jié)構(gòu)上都需要有改進(jìn)，而此時(shí)設(shè)計(jì)者必須從材料、生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)成本等多個(gè)方面進(jìn)行考慮，科學(xué)設(shè)計(jì)。最后，利用3D打印技術(shù)快速制造樣機(jī)，檢驗(yàn)功能硬件與殼體的裝配關(guān)系，找出問(wèn)題，完善數(shù)字模型。反復(fù)修改，最終完成新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。2、硬件結(jié)構(gòu)分析藍(lán)牙音箱一般由外殼、芯片、揚(yáng)聲器、電池及USB接口組成。硬件結(jié)構(gòu)是外殼尺寸和固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，設(shè)計(jì)前須反復(fù)試驗(yàn)，以期硬件達(dá)到十分穩(wěn)定的功能，確定硬件結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用某類(lèi)型藍(lán)牙芯片，尺寸不足30×15mm，體積小，且自帶USB接口，可直接通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，也可選擇電池供電，功能比較穩(wěn)定。3、逆向設(shè)計(jì)過(guò)程3.1、外殼數(shù)據(jù)采集三維掃描儀包括光柵三維掃描儀（也稱(chēng)拍照式三維掃描儀）和激光掃描儀。光柵三維掃描包括白光掃描或藍(lán)光掃描等，激光掃描儀可分為點(diǎn)激光、線激光、面激光。光柵三維（白光掃描）掃描儀工作原理是首先將白光投射到被測(cè)物體上，使用兩個(gè)有夾角的攝像頭對(duì)物體進(jìn)行同步取像，之后對(duì)所取圖像進(jìn)行解碼、相位操作等計(jì)算，最終對(duì)物體各像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。而激光掃描儀采用的是激光測(cè)距的方式，即通過(guò)對(duì)被測(cè)物體表面大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)、紋理、反射率等信息的采集，來(lái)對(duì)其線面體和三維模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)中光柵三維掃描儀和激光掃描儀都適用，具體采用哪種類(lèi)型掃描儀需要根據(jù)掃描范圍、掃描精度要求、設(shè)備成本而定。為了保證逆向設(shè)計(jì)的精度，保證重構(gòu)模型對(duì)原型的還原度，外觀數(shù)據(jù)掃描時(shí)應(yīng)保證：（1）數(shù)據(jù)完整；（2）雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)盡量少；（3）點(diǎn)云盡量規(guī)整平滑；（4）保留其原始特征。掃描前需要粘貼標(biāo)記點(diǎn)，粘貼要求如圖1所示。3.2、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理由于受外界光線和被測(cè)工件表面質(zhì)量的影響，采集數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些異常點(diǎn)，影響曲面重構(gòu)的精確性。為保證后續(xù)曲面重構(gòu)數(shù)據(jù)的精確性，需要去除這些異常點(diǎn)，故在進(jìn)行模型的逆向重構(gòu)前需要先對(duì)掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。目前比較流行的點(diǎn)云處理工具是GeomagicWrap和GeomagicStudio軟件，利用該軟件可以將三維掃描獲得的.TXT格式的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.STL格式的三角面片，最終處理結(jié)果如圖2所示。3.3、逆向建模逆向設(shè)計(jì)核心是數(shù)字化模型重構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)，要求新模型的精度高，與原型之間偏差小，模型重構(gòu)時(shí)首先要根據(jù)產(chǎn)品造型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行建模分析。以電話(huà)機(jī)機(jī)座逆向設(shè)計(jì)為例，該機(jī)座主要由底座造型、側(cè)面曲面構(gòu)成的基礎(chǔ)主體和上面的電話(huà)支架、撥號(hào)盤(pán)等造型構(gòu)成?；A(chǔ)主體為曲面形狀，可以采用領(lǐng)域組擬合方法創(chuàng)建曲面，底座造型和支架部分的造型采用面片草圖的方式，由平面直接截切面片，得到這一特征的斷面輪廓，再根據(jù)輪廓曲線繪制圖形，采用拉伸等命令創(chuàng)建實(shí)體或者曲面。最后采用曲面切割實(shí)體的方式，以及實(shí)體合并的方式得到完整的電話(huà)機(jī)座造型。需要注意一點(diǎn)，采用逆向工程進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，并非所有結(jié)構(gòu)都必須使用逆向軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要保留的外觀造型應(yīng)進(jìn)行重構(gòu)，而其他結(jié)構(gòu)部分采取正向手段也可實(shí)現(xiàn)，本例中，撥號(hào)盤(pán)將被設(shè)計(jì)成音箱的喇叭，安裝揚(yáng)聲器，因此撥號(hào)盤(pán)不需要進(jìn)行逆向建模，而是在其他建模軟件，如Pro/Engineering軟件中采用正向建模方式進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，如圖3所示。是否采取逆向或正向建模，需要根據(jù)產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求而定。同樣道理，開(kāi)關(guān)和USB接口也采用Pro/Engineering軟件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，電話(huà)機(jī)座主要建模過(guò)程如圖4所示。4、創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用逆向手段對(duì)產(chǎn)品外殼進(jìn)行重構(gòu)之后，即獲得了基于現(xiàn)有產(chǎn)品的外觀CAD三維數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)者需根據(jù)裝配要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)完善。本例中，需要將機(jī)座底部做成可拆卸結(jié)構(gòu)，以便安裝藍(lán)牙電路。因此需要再為其設(shè)計(jì)個(gè)底板。底板建模可在Pro/Engineering軟件中完成。ProEngineering軟件是比較常用的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，它的裝配模塊可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)零件之間的尺寸配合設(shè)計(jì)。通過(guò)裝配模型參照電話(huà)機(jī)座尺寸進(jìn)行底板的正向建模，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是使后者與前者完美吻合，形成一個(gè)完整的音箱腔體。同時(shí)，在Pro/Engineering軟件中完成電池、芯片和線路的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，利用逆向獲得的CAD三維數(shù)據(jù)豐富產(chǎn)品功能也十分方便，本例中在音箱殼體內(nèi)中間偏下方的位置設(shè)計(jì)一塊隔離儲(chǔ)錢(qián)空間，這樣可以在現(xiàn)有產(chǎn)品功能基礎(chǔ)