逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中的運(yùn)用

1、逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中的運(yùn)用陳駿 張強(qiáng)（沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系 110034）wtrues摘 要曲面形態(tài)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在當(dāng)今的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一大潮流。形態(tài)獨(dú)特而又具有優(yōu)美曲線的產(chǎn)品也日益成為廣大消費(fèi)者的追求?；诖耍诒姸嗟漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)之中融入了設(shè)計(jì)師無(wú)限的想象和創(chuàng)造力，曲面造型的產(chǎn)品亦更多的以親和、人性化的一面呈現(xiàn)在人們面前。在具有曲面特征的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程之中，前期對(duì)產(chǎn)品形態(tài)的創(chuàng)意、構(gòu)思，是設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品本身造型特征的感性把握；而進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期，即工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，此時(shí)設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品造型特征曲線、曲面的思考就應(yīng)帶有理性的，定量的分析。逆向工程在設(shè)計(jì)流程中的介入無(wú)疑成為工業(yè)設(shè)計(jì)師進(jìn)行曲面造型的有

2、力武器。逆向工程是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中最常用的CAID手段之一，作為進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)教育的教學(xué)單位，亦是工業(yè)設(shè)計(jì)探索的科研單位，我系始終在教學(xué)領(lǐng)域活動(dòng)向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化領(lǐng)域中不斷嘗試，均取得了良好效果，先后與營(yíng)口尹氏商貿(mào)有限公司合作進(jìn)行了帕薩特、中華、高爾夫轎車用擋泥板設(shè)計(jì)，以及沈飛日野新一代豪華大巴的前圍造型設(shè)計(jì)，在這兩大項(xiàng)目中，逆向工程的運(yùn)用使得設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，有效節(jié)約了人力、物力資源。關(guān)鍵詞 CAID、逆向工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、曲面1 向工程使產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程產(chǎn)生重大變革在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，許多具有曲線曲面設(shè)計(jì)涉及到運(yùn)動(dòng)物體的外形，例如汽車、飛機(jī)、船舶的造型設(shè)計(jì)，這些交通工具的造型光滑與否直接影響到其運(yùn)動(dòng)性

3、能，因此，一種曲線曲面的CAD/CAM造型方法被提出，由此發(fā)端也波及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。逆向工程正是其中一種最為常用的CAID手段之一。作為一種新式的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)概念，逆向工程技術(shù)是一項(xiàng)綜合了三維測(cè)量、快速成型等高新技術(shù)，在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒(méi)有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有零件的模型（稱為零件原形），利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造原形CAD模型的過(guò)程。逆向工程是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的，并消化和吸收了一系列先進(jìn)分析方法和應(yīng)用技術(shù)，其主要目的是為了改善產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)水平，提高生產(chǎn)率，增強(qiáng)企業(yè)及其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。世界各國(guó)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)用逆向工程消化吸收先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，給人們有益的

4、啟示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各國(guó)百分之七十以上的技術(shù)源于國(guó)外，逆向工程作為掌握技術(shù)的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短百分之四十以上，極大提高了生產(chǎn)率。因此研究逆向工程技術(shù)，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，具有重大的意義。逆向工程技術(shù)對(duì)整個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)的意義是重大的。擁有此技術(shù)，設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖將被真實(shí)的再現(xiàn)。以轎車的設(shè)計(jì)為例，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期，設(shè)計(jì)師的意圖形成里草圖效果圖，膠帶圖，直至模型制作完成，設(shè)計(jì)師的意圖、理念體現(xiàn)闡述告一段落。如何將這些概念模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品？接下來(lái)的事交給逆向工程技術(shù)。以三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x為源頭，對(duì)設(shè)計(jì)師的模型進(jìn)行精確的數(shù)字化掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，通常它將使大量的離散點(diǎn)云，結(jié)合專門的逆

5、向工程軟件對(duì)其進(jìn)行曲面重建，生成實(shí)體，配合數(shù)字化加工中心，即可加工出模具，投放生產(chǎn)。相同的設(shè)計(jì)流程如果針對(duì)一些小型產(chǎn)品，那么還可以通過(guò)快速成型機(jī)制造出樣品，甚至可以硅膠制模進(jìn)行小批量生產(chǎn)，快速地將產(chǎn)品投向市場(chǎng)，以驗(yàn)證市場(chǎng)，既可以為商家搶占商機(jī)，也為贏得市場(chǎng)節(jié)省大量寶貴時(shí)間，并且有效地減少了風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，可以說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)流程中，逆向工程已然成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不可缺少的有力手段。2 工程在設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)中的運(yùn)用沈陽(yáng)是聞名全國(guó)的裝備制造業(yè)基地，放眼全國(guó)，制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)是激烈且殘酷的，南方一些地區(qū)之所以在改革開(kāi)放之后成為制造業(yè)的又一生立軍，是因?yàn)榇罅扛咝录夹g(shù)、裝備的采用。而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)而言，CAD/CA

6、M技術(shù)的運(yùn)用無(wú)疑是設(shè)計(jì)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的紐帶。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系作為我國(guó)東北地區(qū)較早開(kāi)設(shè)的工業(yè)設(shè)計(jì)系之一，借助我學(xué)院以工科為主的優(yōu)勢(shì)，除了進(jìn)行常規(guī)的教學(xué)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的技術(shù)研究上也進(jìn)行了一些有益的嘗試。以我系與遼寧省營(yíng)口尹氏商貿(mào)有限公司合作開(kāi)發(fā)轎車用擋泥板為例，這是一次典型的以逆向工程為主要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)手段的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程（見(jiàn)圖）。首先，在設(shè)計(jì)輸入階段，客戶先確定希望開(kāi)發(fā)擋泥板的車型（以帕薩特車型為例），設(shè)計(jì)師在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，抓住此款車型的造型風(fēng)格要素：圓潤(rùn)飽滿的車體輪廓，車身造型中曲線曲面居多，卻又不失剛強(qiáng)。很快設(shè)計(jì)草圖、方案得到客戶的認(rèn)可，接下來(lái)就直接在實(shí)車上進(jìn)行等比例的油泥模型造型制

7、作。這中間省略了尺寸線圖的制作步驟，因?yàn)閾跄喟逍螒B(tài)復(fù)雜，曲面較多，難于用圖紙表達(dá)，而且因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的局限（車身下方），因此尺寸圖或者膠帶圖顯得毫無(wú)意義。依據(jù)效果圖，在實(shí)車的條件下，擋泥板的距地高度，寬度得到確定，造型也得到客戶的認(rèn)可，下一步就進(jìn)入后期的逆向工程階段。通過(guò)激光測(cè)量?jī)x，油泥模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散點(diǎn)云形式的三維數(shù)據(jù)的形式，通常它是由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的空間點(diǎn)構(gòu)成的，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入例如I-DEAS, Surfacer, UG等逆向工程軟件之中，進(jìn)行曲面的重新構(gòu)件。大致步驟是這樣的：導(dǎo)入點(diǎn)云，移除雜點(diǎn)；提取特征點(diǎn)云，用來(lái)構(gòu)建曲線；以購(gòu)建完成的數(shù)條曲線構(gòu)建曲面；將曲面物體經(jīng)過(guò)一定工序構(gòu)建為實(shí)體；對(duì)此實(shí)

8、體進(jìn)行其他相應(yīng)的操作，例如加筋板，開(kāi)安裝孔等。當(dāng)然這只是大概的步驟，曲面重建是一項(xiàng)辛苦的工作，點(diǎn)、線、面構(gòu)建時(shí)的質(zhì)量好壞，關(guān)系到實(shí)體構(gòu)建的好壞，也直接關(guān)系到快速成型的成敗。在實(shí)體CAD模型構(gòu)建完畢之后，即可進(jìn)行快速成型，制成試驗(yàn)件，裝配在實(shí)車上進(jìn)行驗(yàn)證，如不符合設(shè)計(jì)要求應(yīng)修改CAD數(shù)字模型直至符合要求，在進(jìn)行快速成型并驗(yàn)證，待完善之后便可以進(jìn)行數(shù)控模具加工。這樣擋泥板的設(shè)計(jì)就宣告完成。同樣的逆向工程流程也用在了我系和沈飛日野客車公司的新型豪華大巴設(shè)計(jì)中。這些造型包括車前臉、前部的大燈燈罩、兩側(cè)車體以及保險(xiǎn)杠等，這些構(gòu)件均是玻璃鋼件。在整個(gè)的設(shè)計(jì)流程之中，筆者參加了1：5和1:1比例的油泥模型的

9、制作，直至后期的逆向工程。在這期間，我深深的感覺(jué)到模型對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要性，可以說(shuō)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意，思想均是由模型完全的體現(xiàn)出來(lái)：實(shí)體模型造型塊面的起伏、轉(zhuǎn)折給人的感受是全方位的，不僅可以在各個(gè)事件進(jìn)行觀察評(píng)價(jià)，而且他的形體是實(shí)實(shí)在在的，可以觸摸的。所以要搞好后期的曲面重建，必須對(duì)模型本身的造型有較深層的了解，這樣在能忠實(shí)再現(xiàn)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意。在利用ATOS照相掃描系統(tǒng)測(cè)取了等比例車體模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，同樣對(duì)其進(jìn)行了曲面的重新構(gòu)建，重新構(gòu)面是為了在這之后玻璃鋼車體的加工過(guò)程之中有尺寸參照的依據(jù)：客車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以在三維曲面車體上截取任意的截面線，用來(lái)制作裝配圖紙指導(dǎo)生產(chǎn)。在曲面重建過(guò)程中，我們采用

10、了處理大規(guī)模點(diǎn)云的專用軟件Surfacer，這個(gè)軟件的優(yōu)勢(shì)在于：可以將一整體點(diǎn)云視為一個(gè)物體，運(yùn)算進(jìn)程大大加快；針對(duì)點(diǎn)云的方便有效的功能大大加快了造型進(jìn)度。鑒于該點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，根據(jù)原車造型，我們將其分為若干塊進(jìn)行構(gòu)建，如燈罩、保險(xiǎn)杠、前臉、側(cè)車體等，每個(gè)部件之間的裝配關(guān)系，以及相應(yīng)的必要尺寸應(yīng)事先由廠方提供，這些既定尺寸輕易不能更改，在建模中應(yīng)嚴(yán)格遵循。逆向建模工作是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)的工作，和前面所講述的方法一樣，由點(diǎn)到線，再進(jìn)行構(gòu)面，每一步都是需要耐心去調(diào)整的，因?yàn)槭浅醮紊婕斑@樣的工程，因此不是一蹴而就的，經(jīng)過(guò)和廠方結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的多次協(xié)調(diào)尺寸，最終才能通過(guò)。3 向工程對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的深遠(yuǎn)影響作為教育單位，除了教書(shū)育人之外，將理論結(jié)合實(shí)踐，將設(shè)計(jì)付諸于生產(chǎn)是每個(gè)搞工業(yè)設(shè)計(jì)教育者的心聲。我系在教學(xué)之余（這些項(xiàng)目大都是在假期完成的）曾多次和廠家進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，將學(xué)院的科研優(yōu)勢(shì)付諸實(shí)踐，同時(shí)借此提高自身設(shè)計(jì)、科研水平，以提高教學(xué)質(zhì)量。工業(yè)設(shè)計(jì)的活動(dòng)是與商業(yè)化、制造、市場(chǎng)緊密聯(lián)系的，而逆向工程正是順應(yīng)了制造業(yè)發(fā)展的需求而產(chǎn)生的，利用這項(xiàng)技術(shù)，商家可以快速搶占商機(jī)，贏得市場(chǎng)，有效規(guī)避投資風(fēng)險(xiǎn)?？偠灾嫦蚬こ虒?duì)工業(yè)設(shè)計(jì)本身而言只是