面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程技術(shù)研究

周小東，成思源，楊雪榮

(1．廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2．廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室，廣東廣州 510006)

0 前言

數(shù)字化浪潮推動社會飛速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的競爭將日趨激烈，尤其是工業(yè)領(lǐng)域的競爭更加白熱化，企業(yè)必須充分吸收和利用現(xiàn)代高新技術(shù)成果以增強它們的競爭能力，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計是工業(yè)企業(yè)，尤其是制造業(yè)必須邁過的第一道門檻［1］。競爭的特征也發(fā)生了變化，當(dāng)今社會正處于由工業(yè)經(jīng)濟時代邁向知識經(jīng)濟時代的進程中，在知識經(jīng)濟時代，決定制造業(yè)競爭力的關(guān)鍵是新產(chǎn)品的快速開發(fā)能力，企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)能力決定其市場競爭能力［2］。逆向工程技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計創(chuàng)新的重要途徑，對于提高產(chǎn)品的競爭力和滿足個性化的需要有著重要的意義。

1 面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程

隨著逆向工程技術(shù)的不斷發(fā)展，逆向工程已經(jīng)成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進技術(shù)的紐帶，被廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、摩托車、飛機、模具等產(chǎn)品的改型與創(chuàng)新設(shè)計，成為消化、吸收先進技術(shù)，實現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段［3］。面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程是一個“實物原型—還原實物—新產(chǎn)品”的過程，也是一種綜合運用多種先進技術(shù)，以實現(xiàn)創(chuàng)新、提高產(chǎn)品設(shè)計品質(zhì)新的設(shè)計方法。再設(shè)計過程是實現(xiàn)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，為了方便產(chǎn)品的再設(shè)計，首先在逆向建模時應(yīng)構(gòu)建出符合原始設(shè)計意圖的并可方便后續(xù)修改的數(shù)字模型，然后對于不同模型提供方便再設(shè)計的各種手段［4］。本文作者提出了逆向工程技術(shù)中混合建模再設(shè)計和正逆向軟件相結(jié)合的兩種再設(shè)計方法，即提出了處理表面數(shù)字化后的模型的兩種途徑，其一是先經(jīng)過逆向過程中的前處理過程，包括點云預(yù)處理、多邊形階段處理、擬合出面等操作，然后再借助正向設(shè)計軟件經(jīng)過正向處理過程，包括編輯曲面、創(chuàng)建實體等操作，最后完成整個實體的重建;其二是在一個逆向工具中完成整個模型的重建，該逆向工具融合了正逆向設(shè)計的特點，包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、點云網(wǎng)格化、特征的提取和編輯等操作。在這兩種途徑中都可以完成模型的再設(shè)計過程，最后將再設(shè)計后的實體模型進行快速制造，生產(chǎn)出新的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，將逆向工程再設(shè)計獲得的參數(shù)化模型與創(chuàng)新設(shè)計、快速成型相結(jié)合，從而實現(xiàn)面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程流程，如圖1所示。

圖1 面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程流程

2 基于逆向工程的再設(shè)計方法

2．1 基于正逆向軟件相結(jié)合的再設(shè)計

基于正逆向軟件相結(jié)合的再設(shè)計是在沒有產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)的情況下，通過三維測量技術(shù)獲得產(chǎn)品表面的點云數(shù)據(jù)，然后借助逆向建模的軟件，將獲得的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的預(yù)處理得到光順的曲面，并保存為通用的格式，最后將這些曲面導(dǎo)入正向三維CAD設(shè)計軟件中進行裁剪、延伸等操作，完成實體的再設(shè)計過程，并得到產(chǎn)品的CAD模型。在文中介紹了逆向建模軟件Geomagic Studio和正向設(shè)計軟件SolidWorks在基于正逆向軟件相結(jié)合的再設(shè)計過程，并給出了設(shè)計流程圖，Geomagic Studio逆向建模流程如圖2(a)所示，正向CAD建模軟件SolidWorks建模流程如圖2(b)所示［5］。

圖2 正逆向軟件相結(jié)合的建模流程

從逆向建模的流程圖可以看出，逆向軟件Geomagic Studio在擬合曲面階段，能夠很好的保證曲面表面的重構(gòu)精度，同時這一過程為參數(shù)化的過程，有利于模型在正向軟件中進行再設(shè)計，當(dāng)將曲面導(dǎo)入正向軟件SolidWorks中，不僅能方便地編輯曲面，而且在創(chuàng)建實體時，能夠進行草圖的繪制和特征的修改。

2．2 基于逆向工程的混合建模設(shè)計

混合建模是指在同一軟件工具中完成正逆向相結(jié)合的建模與再設(shè)計過程。在文中介紹的正逆向混合設(shè)計過程中用到的逆向工具是Geomagic Design Direct，它是一款新的逆向軟件，Geomagic Design Direct內(nèi)置了業(yè)界最強大的掃描數(shù)據(jù)處理和編輯工具以及豐富的直接建模CAD軟件包，它在一個完整的軟件包中無縫結(jié)合了即時掃描數(shù)據(jù)處理、CAD設(shè)計、功能強大的三維點和網(wǎng)格編輯、裝配構(gòu)造和二維草圖創(chuàng)建。Geomagic Design Direct的建模優(yōu)勢在于其融合了逆向建模技術(shù)和正向設(shè)計方法的長處，具有強大的基于三維網(wǎng)格面模型的截面線特征與規(guī)則特征的提取編輯功能，以及基于二維截面與實體特征的正向設(shè)計建模功能?？梢灾苯訉υ紥呙钄?shù)據(jù)進行幾何形狀重構(gòu)得到原產(chǎn)品的實體CAD模型，能夠準(zhǔn)確還原原始的設(shè)計意圖，并通過正向建模工具對實體特征及其相互之間的約束關(guān)系進行編輯修改以實現(xiàn)再設(shè)計。在Geomagic Design Direct中混合建模流程如圖3所示。

圖3 Geomagic Design Direct中混合建模流程圖

基于Geomagic Design Direct的逆向建模，所提取的特征為參數(shù)化的特征，有利于實體的再設(shè)計過程，從流程圖的再設(shè)計部分，可以看出，在軟件中能方便地快速修改設(shè)計、清理損壞的幾何體、調(diào)節(jié)尺寸、新建2D繪圖以及更多操作，提高了實體建模的效率。

3 基于優(yōu)化仿真的創(chuàng)新設(shè)計

仿真優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)傳統(tǒng)制造向可預(yù)測制造、科學(xué)制造轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)引起科學(xué)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注［6］。在逆向工程中，通過再設(shè)計的方法構(gòu)造出原型的CAD模型，對有些使用要求較高的零件，并不能直接加工出來使用，往往需要將反求出來的CAD模型導(dǎo)入一些仿真系統(tǒng)中，比如機械中常用的ANSYSWorkbench、Dynaform等，并給定其約束，求出仿真結(jié)果，并對其參數(shù)進行優(yōu)化到合理的情況下才生產(chǎn)出來使用。首先將重建的CAD模型導(dǎo)入到仿真軟件中，在前處理過程中，可以建立有限元模擬的模型，比如劃分網(wǎng)格、設(shè)置密度、材料的類型、載荷等，前處理操作完成后，提交求解器進行仿真計算，然后在后處理器中，可以查看分析計算的結(jié)果，比如位移應(yīng)力云圖，通過查看后處理結(jié)果，來評價重構(gòu)后的模型，具體流程圖如圖4所示。如果未能達到要求，可以根據(jù)仿真的結(jié)果在對參數(shù)化模型進行優(yōu)化后再進行仿真驗證，直到滿足要求為止，如果處理的模型滿足要求，可以在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計，比如在結(jié)構(gòu)或者功能上進行改進，最后可以輸出新的模型結(jié)果。

圖4 仿真優(yōu)化流程圖

4 快速成型

快速成型(Rapid Prototyping簡稱RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種全新先進制造技術(shù)，其主要是通過把合成材料堆積起來生成的形狀加工技術(shù)，由于RP技術(shù)可將CAD的設(shè)計構(gòu)想快速、精確而又經(jīng)濟地生成可觸摸的物理實體、從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進行快速評估、修改、和部分的功能試驗，有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，以快速提供市場需要的產(chǎn)品［7］。根據(jù)成型方法的不同，快速成型技術(shù)一般可以分為兩個種類，一種是基于激光或其他光源的成型技術(shù)，主要有光固化成型(SL)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層實體制造(LOM)、形狀沉積成型(SDM)等;另一種為基于噴射的成型技術(shù)，主要有熔融沉積成型(FDM)、3D打印、多相噴射沉積(MJD)［8］。

在快速成型的技術(shù)中，其核心是將復(fù)雜的三維特征轉(zhuǎn)化成二維的橫截面加工過程，逆向工程與快速成型的制造技術(shù)的結(jié)合過程就是在已有模型的基礎(chǔ)上，通過逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)重構(gòu)出原型的CAD模型，并進行快速制造獲得其物理模型，可以通過對物理模型的檢測來評價其重構(gòu)質(zhì)量，其結(jié)合流程圖如圖5所示［9］。這一結(jié)合的技術(shù)將從根本上改變傳統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計、制造模式，解決了一些復(fù)雜形體的三維建模，難以加工出實物模型的問題，形成了一個包括設(shè)計、制造、檢測的快速設(shè)計制造閉環(huán)反饋系統(tǒng)，這就大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)周期［10］。從而快速實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品的開發(fā)。

圖5 逆向工程與快速成型流程圖

5 應(yīng)用實例

在文中采用案例的是一支架模型，選擇在Geomagic Design Direct中實現(xiàn)混合建模，完成再設(shè)計過程，通過三維掃描設(shè)備獲取其表面的兩片點云數(shù)據(jù)如圖6(a)、6(b)所示，然后導(dǎo)入到Geomagic Design Direct中進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，首先選擇“對齊對象”將兩組點云數(shù)據(jù)對齊并優(yōu)化，對齊后的完整點云數(shù)據(jù)如圖6(c)所示，接著將對齊的點云經(jīng)過一系列的著色、采樣、降噪后，選擇“封裝”，將點云轉(zhuǎn)化成多邊形網(wǎng)格，同時選擇“合并”將兩片多邊形網(wǎng)格合并成一整體的多邊形網(wǎng)格如圖6(d)所示，然后將多邊形網(wǎng)格面?zhèn)魉偷皆O(shè)計窗口中提取特征，在提取特征的過程中，設(shè)計者可以根據(jù)需要選擇在“草圖”模式下對其截面線進行編輯、再設(shè)計操作如圖7(a)所示，先重構(gòu)出支架的主要輪廓，最后選擇“拉動”命令，將兩個分開的部分融合成一整體，并對有些結(jié)構(gòu)處進行圓角處理如圖7(b)所示，最終的模型如圖8所示。

圖6 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖7 支架再設(shè)計過程

圖8 重構(gòu)后的支架

在實例中選擇了其中一種再設(shè)計的途徑，通過實例可以看出，在設(shè)計的過程中，可以編輯和修改截面線特征，同時在后期可以在結(jié)構(gòu)上進行一些創(chuàng)新設(shè)計，比如圓柱體的長度，根據(jù)仿真計算增加支架上端的接觸面以增加其承受載荷等以滿足不同的需要，待模型重建完成后，可以保存為STL文件，然后把STL文件輸入到快速成型機里面，經(jīng)過快速成型技術(shù)可以得到實物模型，這樣就可以對模型的各方面進行直觀的評價，有助于加快產(chǎn)品開發(fā)的流程。

6 結(jié)論

逆向工程在實現(xiàn)快速產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中有著重要的意義，還原實物僅僅是逆向工程的初步階段，更為重要的是基于原型的再設(shè)計、再分析、再創(chuàng)造，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，文中對逆向工程中的再設(shè)計方法進行了研究，提出了基于正逆向軟件相結(jié)合的及混合建模的兩種逆向工程再設(shè)計方法，并通過實例說明了其再設(shè)計過程，同時可以將再設(shè)計的結(jié)果進行仿真優(yōu)化與快速制造，有助于產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，從而實現(xiàn)“還原實物—再設(shè)計—快速制造”的整個創(chuàng)新設(shè)計的思路，對面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程技術(shù)發(fā)展有一定的借鑒意義。

［1］張三元，孫守遷，潘云鶴．基于產(chǎn)品反求工程的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法［J］．計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2000，12(11):851-855．

［2］汪應(yīng)洛．支持快速產(chǎn)品創(chuàng)新的先進制造模式及其管理研究［J］．中國機械工程，2000，11(112):86-88．

［3］袁鋒．逆向工程與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計［J］．科技信息，2009(5):196．

［4］黎波．面向再設(shè)計的逆向工程CAD建模技術(shù)研究［D］．廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2011．

［5］蔡敏，成思源，楊雪榮，等．基于逆向工程的混合建模技術(shù)研究［J］．制造業(yè)自動化，2014，36(5):120-123．

［6］王國新，寧汝新，王愛民，等．仿真優(yōu)化在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20(1):1-6．

［7］方昊佳．面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的CAD造型關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2013，6．

［8］李毅生．快速成型技術(shù)簡介［J］．科技咨詢，2008(8):244-246．

［9］劉偉軍．快速成型技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005:190-193．

［10］晁永生，樊軍，孫文磊，等．逆向工程與快速成型一體化應(yīng)用研究［J］．機床與液壓，2008，36(4):279-281．