在工业设计中逆向工程的应用

　　1 逆向工程原理及方法

　　1.1逆向工程概念

　　逆向工程可以把真实的零件或模型转化为工程概念和数字模型，这种以实物模型为基础的产品建模方法已经成为CAD/CAM中的一个相对独立的方法和技术。逆向工程可以定义为“针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的结合。它是以先进产品设备的实物、软件(包括图纸、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)作为研究的对象，应用现代设计方法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品。从定义上，我们不能仅仅把逆向工程看成是产品的复制、产品的简单再现，而是对产品改进和创新。这一点和工业设计的创新相吻合。图1为基于逆向工程的再设计流程图。从中可以看出三维数据测量、数据处理和三维重构是逆向工程的关键技术。

　　图1逆向工程流程图

　　1.2逆向工程的作用特点

　　逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域，它的特点是：

　　1)缩短产品的设计、开发周期，加快产品的更新换代速度;

　　2)降低企业开发新产品的成本与风险;

　　3)加快产品的造型和系列化的设计;

　　4)适合单件、小批量的零件制造，特别是模具的制造，可分为直接制模与间接制模法。直接制模法：基于RP技术的快速直接制模法是将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型。该法既不需用RP系统制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具制造而言尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法;间接制模法：间接制模法是利用RP技术制造产品零件原型，以原型作为母模、模芯或制模工具(研磨模)，再与传统的制模工艺相结合，制造出所需模具。

　　1.3逆向工程实现的方法

　　在逆向工程中，准确、快速和全面获取实物原型的三维数据是关键的一步。数据的好坏直接影响到逆向工程后期的成败。数据的采集是指采用某种测量方法和设备测出实物表面的若干组点的几何坐标，实现的方法有多种。按照与被测实体对象表面是否接触，可以分为2类：接触式测量和非接触式测量。

　　传统的方式是以三坐标测量机为代表的接触式，精度相对精确，已经广泛应用到机械制造、电子、汽车和航空航天等领域。优点是通用性强，除不适用软物体之外，对所测物体的材质和表面色泽无特殊要求;精度高，可与数控机床或加工中心配套使用，建立柔性制造系统。缺点是易于损伤测头和划伤对测零件的表面，同时价格昂贵，速度较慢，对环境要求高。

　　非接触式主要是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取实体的三维信息。利用光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛，如激光线结构光扫描、投影光栅法、数字照相系统等方法。以及新出现的切层法、计算机断层扫描(CT)法，这2种方法可以对孔及内部空腔的实体进行测量。非接触式测量由于受到测量介质和控制的影响，测量精度没有接触式高，但具有测量速度快以及不用和实物接触等优点，在一些领域越来越受到重视。

　　2适合工业设计领域的数据采集设备

　　工业设计是现代产业革命的产物，是随着市场经济发展而孕育出来的，它以科学技术与文化艺术相结合为手段，以满足市场需要和社会效益为目的，以创造更为合理的生活方式为原则，通过人性化的造型设计，推出具有全新的产品，在满足消费者的前提下，获得良好的市场地位和经济效益。杨振宁博士也曾预言：“21世纪将是工业设计的世纪，一个不重视工业设计的国家将成为明日的落伍者。”可见工业设计在中国从一个制造强国到设计强国转变过程中将会起到不可替代的作用。

　　2.1 工业设计领域的特点

　　工业设计围绕产品创新展开，在对产品创意前期，为了辅助设计的实现，会制作相关的模型或不够精细的数字原型来分析产品的造型、特点，用于产品的修改和方案的评价。因此模型在工业设计流程中起着很重要的作用，第1能够感受产品概念的三维空间;第2可以分析产品结构的合理性。工业设计中实物模型在不同的设计阶段又分为草模、精细模型、结构模型等。设计方案确定以后工程师还要制作出高精度的CAD数字模型，从设计师到机械工程师之间的过渡，常常因为2者知识结构不同，导致产品造型脱离最初的创意构思，同时现代产品越来越圆润、人性化，复杂的曲面对工程师更是一个挑战，怎么能保证设计师设计的高质量曲面延续下来，怎么能保证创意的最大化保留是一个很大的问题。而逆向工程方法在工业设计中的介入，可以作为产品设计师和机械设计师之间一个桥梁，从而保证了产品质量，加速了产品设计的开发周期。

　　但工业设计领域又不同与机械零件的加工制造。首先设计前期模型的加工制作精度没有传统制造领域高，主要用来产品的分析制造;其次，目前国内工业设计公司规模普遍较小，高等院校的工业设计专业发展历史较短，在对逆向工程方面投入的资本有一定的受限;第3，工业设计开发流程较短，时间成为一个竞争的方面。因此在选取测量设备时价格低、速度快、有一定精度的将为首选。高等院校工业设计专业逆向工程实验室的建立，主要是为工业设计提供快速精致模型制作，辅助产品设计开发，加强高校的设计实践能力。同时也为科研和教学提供了一个平台。本校逆向工程实验室在建立的过程中，考虑了上面几个因素，最后选取了非接触式测量设备3DSS(Three Dimentional Sensing System)。

　　2.2非接触式3DSS设备

　　3DSS是一种非接触测量设备，能对任何材料的物体表面进行数字化测量，如工件、模型、模具、雕塑、人体等。3DSS一次对一个面进行投影照相测量。

　　3DSS的基本原理：测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的2个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出2个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。该方法测量速度快，精度较高，并且测量范围大，成本低，易于实现。

　　3DSS便携式三维照相测量仪可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度作全方位测量，对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合，非常适合各种大小和形状物体(如汽车，摩托车外壳及内饰，家电，雕塑等)的测量。

　　3DSS具备自动标定、参考点识别与测量、结构光点云测量、多幅测量拼合等功能;系统包含测量硬件和测量软件。硬件包括电脑、两个摄像头、结构光投影装置、三脚架.对采集的图像进行软件处理，生成三维点云。并能进行三维显示。输出点云文件，可用Surfacer，Ceomagic等软件进行进一步处理。如图2，为扫描控制软件主界面。

　　图2扫描软件主界面

　　2.3扫描流程及处理

　　设备在安装好以后，安装上扫描软件。①扫描件的表面处理，对黑色、透明和反光件表面可适用显影剂均匀喷涂;②启动，打开摄像和投影功能;③调整扫描头，调整摄像头镜头;④采集，输出.asc格式的点云文件;⑤在点云处理软件Geomagic中进行优化处理，如图3，为点云优化前后对比;⑥根据点云重构数字模型。

　　图3点云优化对比

　　扫描过程中需要主意的问题：

　　1)环境光确保室内灯光都关闭，采用交流电得到光源都使波动会影响到测量效果;

　　2)表面处理物体的表面质量对测量结果影响很大。物体较理想的表面状况为亚光白色，通常可以给物体喷上一层白色显像剂，不需要太厚，否则会影响到测量的精度;

　　3)多次测量若多次测量一个大的物体时，需要设定参考点，为后来点云合并提供参考。

　　2.4汽车模型扫描案例分析

　　在本案例中，通过工业设计专业学生制作的实物模型为基础，案例分析逆向工程在工业设计中的应用流程。

　　1)在工业设计中，设计师首先根据市场调查和相关的资料进行分析，提出创意方向和设计定位。然后进行设计概念的设计、评审、确定、模型制作等。图4为设计师制作的实物汽车模型。

　　图4汽车实物模型

　　2)对模型进行表面处理，然后在在3DSS进行扫描，形成多个不同视角的点云文件。图5为其中一个视角的点云截图。

　　图5点云图形

　　3)用Geomagic软件对点云进行处理，按照Geomagic逆向造型的一般流程进行处理：点处理阶段，比如点的对齐、除噪、采样补洞、点云合并等，如图6;多边形阶段;成型阶段，主要是提取特征线、边界构建、面片组织、面片光顺等。最后比较曲面与点云之间的误差，满足精度要求后，输出.igs文件，并导人CAID软件Alias中，进行曲面质量分析、重建高质量曲面，缝合曲面后输出.STL文件，利用快速成型技术制作精细车模。为进一步的设计分析、制造提供数据。

　　图6合并的点云图形

　　3逆向工程对工业设计的作用

　　目前市场上新产品层出不穷，竞争越来越激烈，产品的生命周期也越来越短。因此对工业设计提出了更高的要求，“TQCS”：Time，最短的产品设计开发周期;Quality，最优的产品质量和品质;Cost，符合目标的设计制造成本;Service，最好的技术支持和售后服务。通过这些来赢得市场和用户。因此要想设计出用户想拥有的产品，就必须利用各种先进的设计理念和制造方式，加快产品的开发。因此工业设计中逆向工程的使用，对于新产品的创新开发必是如虎添翼。

　　3.1 快速制作产品设计样品

　　产品模型样品是产品的实体要素，也是直接提供给用户的实体，是实质产品的实现形式。逆向工程能够快速制作CAD模型，方便的输出STL层文件，到快速成型机上产生精度较高的三维实体模型。而且可以应用多种材料方便产生具有复杂曲线曲面的产品，使工业设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速的验证和检查所设计的产品的结构和外观，从而使设计工作进入一种全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，可以使产品在造型、材质、色彩等方面进行创新。通过上面制作的模型，比传统方式绘制的手绘图纸、计算机效果图、石膏和油泥模型更有优势，它是一个有质感、机械强度、结构精细、有触摸感的实物原型。能够在短时间内给设计师和工程师更多的信息，包括产品的外观造型、尺寸大小、具体结构和工作性能等详细参数，为设计方案的评价和优化提供了实用的参考。

　　3.2解决了工业设计和工程设计之间的鸿沟

　　传统的产品开发流程中，从设计到工程之间有着鸿沟。由于工业设计师对工程知识的相对缺乏，设计的很多造型工程师无法完成或实现，工程师抱怨设计师太复杂、没有考虑工程因素等等;相反的方面是工程师不能够充分了解工业设计师的设计意图，对一些曲面造型理解有所偏差，最后出来的产品失去了最初设计的感觉，甚至不停的修改使得工业设计师的创意面目全非，工业设计师又开始抱怨工程师没有按照他的创意来设计。因此2者怎样协调工作，怎样把创意延续是关键。逆向工程和快速成型技术搭配，从而有利于从实物模型到物理模型之间的转换，减少返工，使设计师和工程师都满意。基于以上分析，笔者通过图示对设计流程进行了改进，如图7。

　　图7 逆向工程下的设计流程

　　4结语

　　实践证明，工业设计结合逆向工程技术能优化工业设计流程，加快新产品的开发，提高产品设计的创新能力。