現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

1、 包裝工程P ACK AGI N G E NGI N EER I N G Vol . 27No . 32006. 06現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用蔡克中, 鐘硯濤(南昌航空工業(yè)學(xué)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(shè)計(jì)中應(yīng)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、C AD 模型的重建、, 對(duì)逆向工程的具體運(yùn)作過程進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析和研究。程技術(shù)需注意的問題。關(guān)鍵詞:逆向工程; 產(chǎn)品設(shè)計(jì); 快速成型; 反向設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):T B472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A (-03D iscussi on Reverse Eng i odern Prod

2、uct D esi gnI zhong, ZHON G Yan taoI of aer onautical technol ogy, Nanchang 330063, China article expounded the concep t of reverse engineering .It demonstrated the app licati onsignificance of reverse Engineering t o modern p r oduct design . I n additi on, the article discussed in detail op 2erati

3、 onal p r ocess concretely of reverse engineering fr om f oll owing six as pects:establishing scan model, gath 2ering data, dis posal of data, reconstructing CAD model, p r oduct redesign and technol ogy of celerity mold 2ing . A t the same ti m e, it pointed out s ome questi ons needed t o pay more

4、 attenti on t o in app licati on of reverse engineering t o p r oduct design .Key words:reverse engineering; p r oduct design; celerity molding; reverse design逆向工程是20世紀(jì)90年代才發(fā)展起來的, 一種以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)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(duì)象, 應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究、探索掌握關(guān)鍵技術(shù), 進(jìn)而開發(fā)出同類的更為先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)1。并已在制造、醫(yī)學(xué)、考古

5、與軍事等領(lǐng)域獲得非常廣泛的應(yīng)用。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)則是現(xiàn)代文明不可或缺的一種社會(huì)活動(dòng), 它的誕生對(duì)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(huì)服務(wù), 產(chǎn)品設(shè)計(jì)一直都緊密地聯(lián)系各種最新的科學(xué)技術(shù), 并給予兼揉并濟(jì)。因此, 當(dāng)面對(duì)逆向工程技術(shù)的大潮時(shí), 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)必然非常有必要加以充分吸收和利用, 以促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和完善, 更好地推動(dòng)人類文明的進(jìn)步。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的全過程, 它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有非常重要的意義。1. 1拓展設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思維思維是人腦對(duì)客觀事物間接和概括的反映, 也是人類智力活動(dòng)的一種外在表現(xiàn)形式, 更是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師進(jìn)行一

6、切設(shè)計(jì)活動(dòng)的前提和基礎(chǔ)。一個(gè)設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性思維的活躍程度決定著產(chǎn)品最終設(shè)計(jì)的好壞與成敗。一般說來, 當(dāng)然希望設(shè)計(jì)師的思維越活躍、思維方式越獨(dú)特越好, 只有出眾的設(shè)計(jì)思維才能獲得優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。但對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)來說, 以往很多時(shí)候某些優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案并不一定確實(shí)可行。其原因是多方面的, 其中一個(gè)比較重要的可能就是因產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的曲面過于豐富, 造型過于復(fù)雜而無法在計(jì)算機(jī)建立三維CAD 模型, 并迫使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案, 即使曲面再豐富, 造型再復(fù)雜, 都可以通過先做實(shí)物草模, 然后用三維掃描儀掃描的方式來自動(dòng)生成三維C AD 模型。也就是說, 逆向

7、工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用可以完全消除設(shè)計(jì)師的后顧之憂, 大大解放了產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的自由度, 拓展了設(shè)計(jì)師的思維。并把設(shè)計(jì)師從費(fèi)事費(fèi)力且又千篇一律的計(jì)算1逆向工程應(yīng)用于現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義逆向工程是先用一定的測量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)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(shí)物CAD 模型,收稿日期:20050918; 修訂日期:20060228作者簡介:蔡克中(1977- , 男, 江西玉山人, 南昌航空工業(yè)學(xué)院講師, 主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用機(jī)建模中解脫出來, 讓設(shè)計(jì)師有更多的時(shí)間用在設(shè)計(jì)思維上, 以創(chuàng)造出更多更好的

8、設(shè)計(jì)方案。1. 2縮短了設(shè)計(jì)周期, 降低了設(shè)計(jì)成本體的形態(tài)、色彩或結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)4。而根據(jù)參考的對(duì)象, 通常會(huì)有3種參考設(shè)計(jì)的方式:1 借鑒手法。即指企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)模仿市場上已經(jīng)存在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的今天, 生產(chǎn)任何一種商品的企業(yè)都很多, 產(chǎn)品的市場競爭也相當(dāng)激烈。企業(yè)為了增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力, 必然會(huì)采取許多措施, 其中縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期是一個(gè)極其重要的方法。我們知道, 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期是指從提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念到產(chǎn)品被正式推向市場這么一系列過程的時(shí)間總和。在這個(gè)周期中, 任何一個(gè)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)都需要建立計(jì)算機(jī)的三維模型。以往, 設(shè)計(jì)師只能依據(jù)設(shè)計(jì)草圖在計(jì)算機(jī)里用三維軟件完全獨(dú)立地建立CA

9、D 模型, 且這部分工作所花的時(shí)間在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中占據(jù)了很大的比例, 尤其是曲面比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案。而從逆向工程技術(shù)的核心內(nèi)容能夠看出, 或產(chǎn)品實(shí)物, 并經(jīng)相應(yīng)軟件的適當(dāng)處理的CAD 模型, , 由于快2, , 從而又在很大程度節(jié)省了制作實(shí)物模型的時(shí)間。由此可知, 逆向工程在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用, 能夠大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率, 縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期, 進(jìn)而降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本。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(gè)生產(chǎn)吸塵器的制造商, 把國外(尤其是歐洲、美國或日本 市場上已經(jīng)出現(xiàn)的、時(shí)尚的且設(shè)計(jì)理念先進(jìn)的吸塵器造型借鑒過來, 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)母爬?、提煉、簡化或變? 從而開發(fā)

10、出僅在國內(nèi)銷售的吸塵器。2 移植手法。, 則可借鑒某些, 。同樣的, 也可以。而之所以要重新設(shè)計(jì), 主要是原有產(chǎn)品的形態(tài)、色彩已經(jīng)過時(shí), 原來產(chǎn)品的在功能上有一定缺陷, 原有產(chǎn)品在人機(jī)工程上設(shè)計(jì)不合理等問題, 并已嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的銷售。上述3種設(shè)計(jì)手法, 雖然過程不僅相同, 但有一些共同的特點(diǎn)。即都是以某個(gè)已經(jīng)存在的產(chǎn)品為參照物, 且都要求在原有產(chǎn)品造型的基礎(chǔ)上, 通過分析、消化、吸收和改進(jìn)來創(chuàng)造一個(gè)全新的產(chǎn)品。然而, 以往設(shè)計(jì)師必須先測量被參考產(chǎn)品或零部件的各種尺寸, 然后才能夠在計(jì)算機(jī)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)品或零部件的形態(tài), 并通過相

11、應(yīng)的軟件, 就能非常迅速地生成產(chǎn)品的CAD 模型, 以便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后續(xù)工作。這實(shí)際上也是逆向工程技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種常見的模式。2逆向工程應(yīng)用于現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模式根據(jù)三維掃描儀掃描的對(duì)象, 可以把逆向工程技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模式分為2種。2. 1掃描實(shí)物模型, 有利于建立復(fù)雜的產(chǎn)品C AD 模型3逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用的過程由上文可知, 在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中融入逆向工程技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義, 但具體的實(shí)施過程中到底是如何進(jìn)行的呢? 根據(jù)逆向工程技術(shù)的原理并結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn), 經(jīng)過比較系統(tǒng)的研究認(rèn)為, 在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中利用逆向工程技術(shù)應(yīng)遵循以下系列步驟:掃描模型的建立、數(shù)據(jù)的

12、采集、數(shù)據(jù)的處理、C AD 模型的重建、產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)和快速成型。3. 1掃描模型的建立由于數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展, 在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的過程中, 充分利用計(jì)算機(jī)便成為了一種必然的趨勢(shì), 其目的有2點(diǎn):(1 通過計(jì)算機(jī)來繪制產(chǎn)品的預(yù)想效果圖; (2 利用計(jì)算機(jī)來輔助產(chǎn)品的加工制造(如力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與加工工藝設(shè)計(jì)等 。而要實(shí)現(xiàn)上述2個(gè)目的, 傳統(tǒng)上, 設(shè)計(jì)師必須利用一些三維軟件(如3DS MAX 、RH I N O 、PRO /E、UG 等 在電腦里憑空建立一個(gè)三維的數(shù)字模型。通常情況下, 設(shè)計(jì)師建立一個(gè)造型不太復(fù)雜的三維數(shù)字模型也很方便。但有些產(chǎn)品很可能被設(shè)計(jì)的曲面豐富、造型復(fù)雜,

13、如汽車、吸塵器等。這時(shí), 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(huì)非常困難, 甚至是最熟練的造型師利用最先進(jìn)的三維軟件都不可能建立。但逆向工程技術(shù)的出現(xiàn), 則可輕松地解決這個(gè)問題, 即設(shè)計(jì)師可先用石膏、油泥、泡沫塑料等材料迅速地做出一個(gè)產(chǎn)品的實(shí)物模型3, 然后利用三維掃描儀把實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為一個(gè)符合要求的、可以編輯的產(chǎn)品C AD 模型。由此可知, 逆向工程技術(shù)有利于產(chǎn)品C AD 模型的建立, 尤其是曲面復(fù)雜的產(chǎn)品。2. 2掃描產(chǎn)品實(shí)體, 快速建立產(chǎn)品的C AD 模型逆向工程是通過三維掃描技術(shù)把實(shí)物模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃 AD 模型的, 因此, 在掃描之前必須建立或確定被掃描的對(duì)象, 這實(shí)際上也是逆

14、向工程應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作。一般情況下, 建立被掃描的對(duì)象的方式有2種。如果是創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式, 則設(shè)計(jì)師需要用石膏、油泥或泡沫塑料, 把設(shè)計(jì)方案快速地制作出來, 以獲得被掃描的對(duì)象。如果是改良設(shè)計(jì)或借鑒設(shè)計(jì)模式, 則設(shè)計(jì)師只需根據(jù)設(shè)計(jì)目的選定被參考的產(chǎn)品實(shí)體或零部件, 以得到被掃描的對(duì)象。3. 2數(shù)據(jù)的采集數(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(xiàng)實(shí)用技術(shù), 而對(duì)于逆向工程, 則是利用特定的測量設(shè)備和測量許多時(shí)候, 企業(yè)會(huì)在參考現(xiàn)實(shí)存在或曾經(jīng)出現(xiàn)過的原有物157 包裝工程P ACK AGI N G E NGI N EER I N G Vol . 27No . 32006. 06

15、方法來獲取實(shí)物模型或零部件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。即是實(shí)物模型數(shù)字化的過程, 它是逆向工程技術(shù)最基本、最重要的步驟。因而, 如何高效、高精度地測量并收集模型表面的數(shù)據(jù), 一直是逆向工程的主要研究內(nèi)容之一。當(dāng)前, 測量三維表面形態(tài)的方法可分為接觸式測量和非接觸式測量2大類。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距法、光干涉法、和結(jié)構(gòu)光學(xué)法等。此外, 隨著工業(yè)CT 技術(shù)的發(fā)展, 斷層掃描技術(shù)也逐漸得到很好的應(yīng)用。當(dāng)然, 由于后一種掃描技術(shù)不接觸待測物體的表面, 測量速度快, 并可相當(dāng)密集地對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行測量, 形成海量的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)

16、, 失真少。因此, 非接觸式測量設(shè)備(如激光三維掃描儀 被應(yīng)用得更加普遍。3. 3數(shù)據(jù)的處理逆向工程最高的目標(biāo)創(chuàng)新。3. 5快速成型技術(shù)的使用在完成實(shí)物的CAD 模型重建后, 其后續(xù)工作就是利用快速成型技術(shù)來迅速、精確并經(jīng)濟(jì)地生成可觸摸的物理原型或模具, 一方面為產(chǎn)品的及時(shí)修改和再設(shè)計(jì)提供實(shí)物樣品, 另一方面, 對(duì)一些材料制造的零部件, 還可以直接制造出產(chǎn)品的模具。這樣做避免了機(jī)械加工的長周期和復(fù)雜的工藝設(shè)計(jì), 為產(chǎn)品的快速開發(fā)和制造提供了有效的技術(shù)支持。因此, 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的4, 通過三維掃描儀和相, 轉(zhuǎn)變?yōu)榭删庉嫷腃AD 數(shù)字模型的一種先進(jìn)的實(shí)用技術(shù)。它在許多行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用, 并取得了

17、很好的效果。因此, 在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用逆向工程技術(shù)具有非常重要的意義和廣闊的空間, 但具體的實(shí)施過程應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:(1 逆向工程絕對(duì)不提倡產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的抄襲, 而是強(qiáng)調(diào)在參考和借鑒的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新; (2 逆向工程需要得到三維掃描、數(shù)據(jù)處理、和快速成型等先進(jìn)技術(shù)的支持, 且所需的設(shè)備也是非常昂貴; (3 逆向工程技術(shù)只適合在造型比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用, 而不適合形態(tài)比較簡潔的產(chǎn)品。參考文獻(xiàn):1金濤, 童永光. 逆向工程技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003, (8 :1-512徐江華, 張敏. 快速成型系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用J .包裝工, 接用來重建產(chǎn)品的C 而數(shù)據(jù)處理, 因此, 數(shù)。通

18、常數(shù)據(jù)處理包括:數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化、采取過濾的方法排除噪聲和異常數(shù)據(jù)、壓縮和歸并冗余數(shù)據(jù)以及用平滑填補(bǔ)的方法缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行整形處理等內(nèi)容。3. 4C AD 模型的重建和再設(shè)計(jì)在逆向工程中, 實(shí)物的三維CAD 模型重建是整個(gè)過程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán), 因?yàn)楹罄m(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(shè)計(jì)等都需要CAD 數(shù)學(xué)模型的支持, 這就要求重建的模型能夠準(zhǔn)確地還原實(shí)物樣件。而這個(gè)工作的進(jìn)行受2個(gè)因素的影響, 一是設(shè)備硬件, 包括數(shù)字化設(shè)備和造型軟件; 二是操作者的經(jīng)驗(yàn)。因此, 為能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)模型的重建, 應(yīng)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(diǎn)重建、散亂點(diǎn)重建、激光點(diǎn)云重建、CT 數(shù)據(jù)重建等。CAD 模型重建是產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ), 而不是最終的目的。因此, 設(shè)計(jì)師非常有必要在獲得的C AD 模型的基礎(chǔ)上, 充分激活自身的設(shè)計(jì)思維, 運(yùn)用設(shè)計(jì)知識(shí)并根據(jù)以往的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品的再設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)(上接第150頁程, 2004, 25(4 :183-18512謝大康. 產(chǎn)品模型制作M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003, (8 :4-