逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用

【摘 要】文章首先介紹了逆向工程技術(shù)及其在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用，然后介紹了在工業(yè)設(shè)計(jì)中采用逆向工程技術(shù)所需的硬件條件及軟件條件，并應(yīng)用Alias軟件進(jìn)行案例實(shí)踐來闡述在具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)用逆向工程技術(shù)的實(shí)施過程和需注意的問題。

【關(guān)鍵詞】逆向工程 工業(yè)設(shè)計(jì) Alias 曲面重構(gòu)

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674－4810（2012）09－0060－02

隨著工業(yè)技術(shù)水平及人們生活質(zhì)量、教育水平、審美水平的提高，互聯(lián)網(wǎng)的普及，普通消費(fèi)者對產(chǎn)品的質(zhì)量要求、品味也在不斷地提高，人們已不僅僅滿足于產(chǎn)品的基本功能，對產(chǎn)品的使用性能和外觀的要求也逐年提高，這些因素決定著產(chǎn)品在市場上的銷售曲線。如何快速有效地適應(yīng)市場的變化，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)美形態(tài)的產(chǎn)品，逆向工程技術(shù)的出現(xiàn)，無疑為工業(yè)設(shè)計(jì)注入了新的方法和技術(shù)支持。

一 逆向工程及其應(yīng)用概述

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱為反求工程、反向工程、三坐標(biāo)點(diǎn)測繪、三坐標(biāo)的造型、抄數(shù)等。它是由已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ屯ㄟ^關(guān)鍵設(shè)備精準(zhǔn)測繪，認(rèn)真剖析其設(shè)計(jì)意圖并構(gòu)建其CAD模型，從而較快地實(shí)施產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)技術(shù)手段。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)流程通常是從概念設(shè)計(jì)到工程圖，再制造出產(chǎn)品，我們稱之為正向工程（或正向設(shè)計(jì)），而產(chǎn)品的逆向工程是根據(jù)已有的實(shí)物（或零件或模型）生成工程圖，再制造產(chǎn)品。根據(jù)逆向?qū)ο蟮牟煌嫦蚬こ炭煞譃閷?shí)物逆向、軟件逆向、影像逆向三個(gè)類別。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中逆向工程的實(shí)際應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：（1）新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，主要用于新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)或改型設(shè)計(jì)；（2）已有產(chǎn)品的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖；（3）損壞或磨損產(chǎn)品的還原；（4）復(fù)雜產(chǎn)品的特征斷面設(shè)計(jì)提?。唬?）數(shù)字化模型的檢測，如可以檢測產(chǎn)品的形變、焊接質(zhì)量等以及進(jìn)行模型的比較；（6）在美學(xué)與工程設(shè)計(jì)同等重要的領(lǐng)域，如交通工具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，廣泛采用真實(shí)比例的模型來評估產(chǎn)品的美學(xué)和工程是否適合批量生產(chǎn)，此時(shí)逆向工程起到了關(guān)鍵性的作用。

逆向工程主要包括三個(gè)步驟：模型數(shù)字化點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)。如圖1所示：

圖1 逆向工程流程

二 逆向工程實(shí)施的硬件條件和軟件條件

1．逆向工程硬件條件

在應(yīng)用逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，需將設(shè)計(jì)對象（模型或零件）進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集。因此，硬件檢測設(shè)備是逆向工程的核心硬件。目前的測量技術(shù)常用的有坐標(biāo)測量法、激光線結(jié)構(gòu)光掃描、層切圖像法、投影光柵法。常見的物體三維幾何形狀的測量方法分為接觸式測量與非接觸式兩大類。接觸式是傳統(tǒng)的測量方式，測量過程中探頭與模型表面接觸，其典型代表為機(jī)械三坐標(biāo)測量儀（CMM）。此種測量技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，其突出優(yōu)點(diǎn)是精度高（可達(dá)±0.5μm），對被測對象的材質(zhì)和表面處理一般無特殊要求，對于只測物體表面特征曲面的零件，該測量方法非常適合。但由于該方法是接觸式測量，容易損傷探頭和劃傷被測物體表面，不能對軟材質(zhì)和超薄形物體進(jìn)行測量，難以實(shí)現(xiàn)快速測量。非接觸式測量是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融合了電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺等科學(xué)技術(shù)為一體的現(xiàn)代測量技術(shù)。相對于接觸式測量方法，非接觸式有眾多優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快（可達(dá)到10000個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)/秒）、掃描精度高、對細(xì)微部分的掃描精度也不受影響。目前非接觸式測量方法比較具有代表性的是激光三角法及投影光柵法。

2．逆向工程軟件條件

與正向CAD建模軟件相比，逆向工程軟件具有數(shù)據(jù)處理、特征識別、曲線擬合編輯修改、曲面造型及高級幾何處理、CAD/CAM/CAE集成等優(yōu)點(diǎn)。目前，專門用于逆向工程的軟件有Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、Rapid Form四大專業(yè)逆向工程軟件，一些大型的CAD軟件也都為逆向工程提供了設(shè)計(jì)模塊，如Creo（Pro/E升級版）、CATIA等都有相應(yīng)的逆向工程設(shè)計(jì)模塊。而對于工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生、設(shè)計(jì)師常用的三維建模軟件是Rhino或Alias，Rhino有相應(yīng)的逆向工程設(shè)計(jì)插件RhinoResurf來加強(qiáng)逆向設(shè)計(jì)，可以快速地從網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上重構(gòu)出覆蓋模型的NURBS曲面塊，曲面精度比較好，光滑度高，曲面之間的拼接連續(xù)性可達(dá)到G1連續(xù)。Alias是目前最為專業(yè)的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，集正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)于一體的強(qiáng)大工業(yè)設(shè)計(jì)軟件。

逆向工程的軟件眾多，但無論選用哪個(gè)逆向設(shè)計(jì)軟件，其逆向設(shè)計(jì)本質(zhì)是一樣的，即利用軟件所提供的各項(xiàng)工具，按照逆向建模的一般流程，即數(shù)據(jù)的輸入—線—曲面進(jìn)行的。將建模策略、曲面結(jié)構(gòu)分析和逆向工程設(shè)計(jì)流程緊密結(jié)合，才能很好地完成曲面重構(gòu)。

三 逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用

本文選用Alias軟件作為實(shí)踐軟件，Alias軟件是集正向和逆向?yàn)橐惑w的專業(yè)工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，巧妙地將設(shè)計(jì)與工程、藝術(shù)和科學(xué)連接起來，廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域。Alias逆向工程就是用Alias提供的工具按一般逆向流程，即點(diǎn)云處理—曲線生成/處理—曲面生成/處理流程，如圖2所示。本文以汽車后視鏡為例進(jìn)行簡要說明。

1．點(diǎn)云的處理

在Alias中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般是以三角網(wǎng)格面的方式顯示的，因此也常常被稱為網(wǎng)狀點(diǎn)云。通常在Alias中的點(diǎn)云的處理方式有：（1）減少點(diǎn)云數(shù)量，從理論上來講，網(wǎng)狀點(diǎn)云的數(shù)量越多，曲面的顯示精度就越高，但如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)超過一定的數(shù)據(jù)量，不但沒有提高顯示精度，反而會影響Alias軟件的操作速度。（2）拆分點(diǎn)云、剪切點(diǎn)云，通常產(chǎn)品都具有對稱性，保留一半的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)一半的曲面，再利用Alias的層對稱很容易得到整體曲面。本文處理后的后視鏡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示。

2．曲面拓?fù)浞治?/p>

在進(jìn)行逆向重構(gòu)曲面前，對產(chǎn)品的整體形態(tài)與局部形態(tài)的分析是必要的，分析曲面的拓?fù)浣Y(jié)果，有助于順利完成重構(gòu)曲面。大體的思路同正向建模一樣，分析出基礎(chǔ)曲面（也叫大面）和過渡曲面以及倒角，以及過渡全面與基礎(chǔ)曲面是如何連接的。打開曲面曲率檢查有助于分析曲面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3．特征線提取

Alias的特征線的提取主要依靠截面線進(jìn)行。Alias提供Cross Section Edit工具創(chuàng)建X、Y、Z三個(gè)方向上的截面線，可以根據(jù)實(shí)際要求選擇三個(gè)方向，并可控制其疏密度，過疏或過密都對曲面重構(gòu)不利。本文的例子中三個(gè)方向都選，Alias可自動(dòng)分成X、Y、Z三色圖層，紅綠藍(lán)（RGB）三色，正是代表XYZ三個(gè)方向，如圖4所示。

圖3 處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖4 截面線

Cross Section Edit工具創(chuàng)建的點(diǎn)云數(shù)據(jù)截面線，由于其數(shù)據(jù)量大，與點(diǎn)云貼合緊密，不適合直接作為重構(gòu)曲面的特征線，因此，要?jiǎng)?chuàng)建高質(zhì)量的新曲線來擬合截面線。主要利用Fit Curve自動(dòng)擬合工具創(chuàng)建高質(zhì)量曲線，所謂高質(zhì)量曲線有兩個(gè)原則：CV（Control Vertex）點(diǎn)排列光順，盡量少的CV點(diǎn)；高曲率的位置多放置CV點(diǎn)，低曲率的位置少放置CV點(diǎn)。

4．曲面重構(gòu)

依據(jù)曲面拓?fù)浞治?，按照基礎(chǔ)面—過渡面的建模思路重構(gòu)曲面。對于逆向重構(gòu)曲面，保證重構(gòu)曲面與點(diǎn)云的貼合度是關(guān)鍵，利用特征線通過四邊面、路徑掃描、曲面拉伸等工具構(gòu)建基礎(chǔ)面，然后反復(fù)運(yùn)用高級建模工具進(jìn)行倒角作面、光順對齊、混接曲面得到過渡曲面，整個(gè)過程中通過拉動(dòng)CV點(diǎn)來保證曲面與點(diǎn)云貼合度是常用的辦法。最終完成曲面，如圖5所示。

5．?dāng)?shù)據(jù)的評估

為了讓數(shù)據(jù)能夠順利地輸出給下游的工程軟件，防止破面、少面等狀況，以及保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和處理。評估內(nèi)容包括：檢查有理性、圓周性、有無重復(fù)節(jié)點(diǎn)、曲面的法向是否統(tǒng)一等。

四 結(jié)束語

逆向工程對工業(yè)設(shè)計(jì)本身而言只是一項(xiàng)先進(jìn)的工具手段，和設(shè)計(jì)師本身的理念、創(chuàng)意并沒有太大的關(guān)系，但掌握了這項(xiàng)先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段之后將對設(shè)計(jì)師理念的再現(xiàn)、創(chuàng)意的闡述起到關(guān)鍵的作用。相信這項(xiàng)技術(shù)必將推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)到新的高度。Alias同時(shí)具有正向與逆向、精確與靈活的特點(diǎn)，并將設(shè)計(jì)與工程、藝術(shù)與科學(xué)連接起來，對于工業(yè)設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義。

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕