基于逆向工程的产品外观设计

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基于逆向工程的产品外观设计  
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【摘要】本文针对产品外观设计过程中逆向工程技术的应用进行了探讨，重点讨论了与外观设计紧密联系的反求技术的运用及最新发展动向，并就相关问题提出了自己的看法。通过进一步的研究寻找快速、准确、高效的产品外观设计方法是这篇文章的宗旨.
【关键词】逆向工程 ; 快速采集 ;　曲面拟合 ; 三维测量技术
1、引言
作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段, 逆向工程和快速原型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。它们的出现改变了传统产品设计开发模式, 大大缩短了产品开发的时间周期,提高产品研发的成功率。
当今，各个行业越来越注重产品的外观设计，以此来吸引顾客，最终在商业上取得成功。这点在消费产品的设计中体现的尤为突出。特别是手机、数码相机、汽车等行业。
1.1 逆向工程及其应用范围
在工业领域，往往会碰到根据模型或实物来构建其三维数字模型的需求。这就用到了逆向工程技术，逆向工程(Reverse Engineering)也称反求工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量即数字化采样，然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的CAD数字模型，从而实现产品设计与制造的过程。
逆向工程在工业制造领域的实际应用主要包括以下几个方面：
a)新零件的设计，主要用于产品改型或仿型设计；
b)已有零件的复制和仿制，再现原产品设计．复杂产品仿制等；
c)损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制；
d)产品的检测，例如检测分析产品的变形，检测焊接质量等，以急对加工产品与三维数字化模型之间的误差进行分析。
在制造业中，逆向工程已成为消化吸收新技术和二次开发的重要建径之一。作为改进设计的一种重要手段，它有效地加快了新产品响应市场的速度。同时，逆向工程也为快速原型提供了很好的技术支持．成为制造业信息传递重要而简沽的途径之一。
另外．逆向工程在文化艺术、医学领域也有较好的应用，包括根据木制或泥塑模型进行艺术美学设计，数字文物和数字博物馆，虚拟手术等。
2、逆向工程的结构体系
逆向工程系统主要由三部分组成: 产品实物几何外形的数字化、CAD 模型重建、产品或模具制造。逆向工程中的关键技术是据采集、数据处理和模型的重建。
(1) 数据采集
　数据采集是逆向工程的第一步,其方法的得当直接影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据, 影响到重构的CAD 实体模型的质量, 并最终影响产品的质量。
(2) 数据处理
　对于获取的一系列点数据在进行CAD 模型重建前, 必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等处理。
(3) 模型重建
　将处理过的测量数据导入CAD系统, 依据前面创建的曲线、曲面构建出原型的CAD 模型。
3、逆向工程研究及应用现状
3.1基础研究现状
在逆向工程的基础研究方面，国内外已做了大量的工作，主要集中在CAGD领域的曲面重构和实体重构算法研究。国际市场目前已出现了不少商用的逆向工程软件系统。国内有关逆向工程的基础研究也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得了一定成果。
由于曲面重构的复杂性，逆向工程领域还有很多问题值得研究，包括曲面重建和体视化技术、曲面造型方法、特征检测等。
3.2应用研究现状
作为先进制造技术的重要组成部分，逆向工程的应用研究已成为国内外关注的热点之一。
逆向工程广泛应用于产品改型或仿型设计。西门子电气的逆向工程小组通过对涡轮叶片进行逆向设计，优化设计方案，在不到12天的时间内就开发出了用于其它方面的新型涡轮，目前该套系统已开始对外提供逆向工程应用服务。采用光学扫描仪对水泵叶轮进行数据采集，通过逆向设计完成水泵叶轮的三维造型。另外，在汽车的改型设计中奇瑞和通用都无一例外的应用了逆向工程技术。
在破旧零件的复原设计方面，2000年，波音公司应用逆向工程技术对波音747的尾翼进行了复原设计，并在一个工作日内制造出了零件，为老式飞机的维修和零件更换提供了快捷途径。
逆向工程在产品检测和误差分析方面也有较好的应用。早在90年代初．NASA就应用逆向工程技术开展了一项重要研究，就是研究X-38飞行器与其CAD设计模型之间的匹配精度和误差，以分析和验证CFD(计算流体力学)模拟的准确度。最近，AMT公司借助非接触的撒光扫描仪和CAI（计算机辅助检测)技术来提高零件检验的速度。扫描数据输入CAI软件，与CAD设计模型进行比较和误差分析并自动生成检验报告。之前，AMT检验一个零件需要半天时间设置和数小时运行；现在只需半小时设置，实际检测只要几分钟即可。
在医学领域的应用中，采用CT断层扫描技术获得二维图像，通过专用软件进行图像处理和模型重建．获得人体股骨的数字模型，用于人工关节定做式置换。国内外有人把逆向工程用于矫正牙套的设计中，通过对牙齿石膏模型进行扫描测量和三维重建，获得牙齿三维数字模型．然后基于该模型进行修改和矫正，制造出一系列矫正牙套。目前，该技术在国外已投入商用．在国内上海交通大学也开发出基于逆向工程的快速牙套设计和制造系统，并开始初步应用。
总的来说，国外在逆向工程研究和应用方面起步较早：国内逆向工程应用主要集中在复杂曲面零件的开发和模具设计上。在汽车、航空、玩具等行业应用比较广泛。
4、逆向工程中的关键技术
4.1 实物数字化技术 www.ksfxsj.com
即实物扫描的区域规划及精度保证技术, 研究在扫描时影响测量精度的各种因素, 保证精度而采用的方法和措施, 检查和验证精度的方法;在进行扫描区域划时如何综合考虑扫描精度、扫描效率和曲面拟合重构时的拟合精度、曲面拼接光顺性问题; 零件基准测量的精度保证问题。德立科技有限公司新推出的基于美国星科和普赛技术的柔性三坐标测量及激光扫描检测系统FlexME 代表着新一代逆向工程(ReverseEngineering,RE) 和计算机辅助检测(ComputerAided Inspection, CAI) 系统已经开始进入中国。与传统的三坐标测量或激光扫描系统不同, 星科的柔性三坐标测量关节臂, 以及基于该关节臂和普赛公司的激光扫描测头的FlexME 系统不仅测量精度高、速度快、柔性好、范围大, 而且轻巧易搬、对使用环境无特殊要求, 可以用于机械产品的逆向工程、模具制造的计算机辅助检测、产品加工装配的在线或离线检测。
4.2 测量数据的预处理
即云状数据处理技术: 研究高密度、大容量的点云数据的处理技术, 包括多次扫描点云的拼接问题,扫描点云的数据简化问题、云状数据的特征提取问题等。
4.3 曲面重建技术
研究如何选择合适的数学表示方法、拟合修改算法、控制参数及曲面重构方法。以得到高质量、高精度的曲面模型。基于神经网络技术的研究最近报道较多, 曾建江等采用了一个神经网络模型和相应的快速学习算法应用于曲面重建。该模型可以有效地逼近曲面并剔除输入数据点中的“坏”点。张伟等提出基于神经网络的三角网格方法可在有效保持原数据点集的拓扑特征的同时实现期望规模和精度的三角网格剖逆向工程的关键技术及其研究。
4.4 重构曲面的评价和检验问题
研究对曲面的评价指标、检验方法以及修正工具。在SURFACER 和很多CAD 软件中, 都采用NURBS 来表示曲面。它可以表示非常复杂形状的曲面, 但曲面的表示、显示、操作都不能用很直观的方式进行, 很难对曲面进行评价、检验和修改。利用图形的质心和最小惯性主轴作为定位基准,可实现被测自由曲面与标准CAD 模型的自动对齐,为实现已知CAD 模型的自由曲面的在线检测提供了理论依据。但这种方法实现自由曲面的在线检测还需克服一些因素的影响, 如CMM实际测量系统的速度、实际测量路径的转换精度以及由于工件自身高度在工件处于视场中心以外的区域时给定位及测量精度带来的影响。
5、逆向工程中相关技术的研究重点
5.1 三维数字化技术
目前大多数测量系统是针对具体的应用而开发, 数据处理往往针对特定的测量设备、测量对象,通用性差。需发展面向逆向工程的通用测量系统, 高速、高精度地实现三维物体表面的数字化, 并能根据几何外形和后续应用选择测量方式及路径,能进行路径规划和自动测量。
5.2 数据预处理
研究热点还将集中于扫描点云的数据简化问题云状数据的特征提取问题。
5.3 曲面重建技术
基于神经网络技术的曲面重建技术的研究将会有很大前途, 研究的重点是复杂的特征约束重建以及如何快速、准确地识别和还原出点云数据中的特征及约束, 并且在保证有效约束的前提下如何提高特征模型重建的速度。
5.4 重构曲面的评价和检验问题
这方面的研究还较少, 相信随着逆向工程在工业生产中发挥越来越大的作用, 在线检测的使用和重构曲面的评价会引起大家足够的重视的.
6、结论
产品的外观设计越来越复杂化、多元化，使得逆向工程技术在产品外观设计中的地位显得尤为重要。产品实物几何外形的数字化、CAD 模型重建、产品或模具制造都非常需要逆向工程技术的支持。
随着科学技术的不断进步和研究工作的不断深入，逆向工程中技术中现有的瓶颈将会被一一解除，产品外观设计也会取得长足的发展.

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