工業(yè)設(shè)計中產(chǎn)品逆向設(shè)計分析

韓春雨

摘要：結(jié)合工業(yè)產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)特點，運用三維激光掃描儀獲取模型數(shù)據(jù)，配合Geomagic Studio的數(shù)據(jù)處理功能以及坐標(biāo)系對齊功能，將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA中，開展基于曲線的曲面重建以及基于數(shù)據(jù)點的曲面最佳擬合造型，通過對曲面及曲線構(gòu)建原理的分析和研究，生成全新的數(shù)字化模型，實現(xiàn)了對于重構(gòu)曲面擬合精度的分析。實踐證明，提出的逆向設(shè)計方法在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中有著良好的實用性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計；逆向設(shè)計；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.083

0前言

在產(chǎn)品設(shè)計中，常見的設(shè)計方法是通過論證分析，得到產(chǎn)品的初步形態(tài)和參數(shù)，然后通過大量的實驗進(jìn)行性能測試，對產(chǎn)品進(jìn)行逐步完善，是一種從無到有的過程。不過，這種設(shè)計方法的產(chǎn)品設(shè)計周期較長，而且成本偏高。最近幾年，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中提出了一種相對于傳統(tǒng)正向設(shè)計的逆向設(shè)計，即從實物樣本到數(shù)字模型的再設(shè)計和重構(gòu)優(yōu)化的過程，在提升產(chǎn)品外觀質(zhì)量，加快產(chǎn)品研發(fā)速度等方面有著良好的推動作用。

1逆向設(shè)計的具體流程

以某跑車油泥模型為例，對工業(yè)產(chǎn)品的逆向設(shè)計進(jìn)行分析。模型參數(shù)為270mm×140mm，形狀相對復(fù)雜，以油泥為主要材料，在外部噴涂有顯像劑。Geomagic Studio軟件支持曲面重構(gòu)功能，軟件本身在于其他三位軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互時，有著非常嚴(yán)格的要求，如果輸出曲面無法滿足設(shè)計需要，則需要在兩個軟件平臺之間進(jìn)行來回切換，而且無法實現(xiàn)實體及裝配操作。與之相比，CATIA軟件可以同時支持曲線以及曲面的逆向重構(gòu)，本身多工作臺混合式的建模環(huán)境決定了其不需要與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換，逆向設(shè)計的基本流程為：

在逆向設(shè)計中，首先需要利用三維激光掃描儀，對實物模型進(jìn)行掃描，得到產(chǎn)品的各項參數(shù)，構(gòu)建數(shù)字化模型，然后運用Geomagic Studio，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，向CATIA輸送stl文件，開展曲線和曲面的重新構(gòu)筑，生成CAD模型，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)創(chuàng)新提供必要的支撐。

2模型數(shù)據(jù)獲取及處理

在對實物模型進(jìn)行掃描時，一般都會用到掃描儀，常用的包括激光掃描儀和光學(xué)掃描儀，這里選擇ZScanner600型三維激光掃描儀進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的獲取。

在實際操作環(huán)節(jié)，需要首先為模型貼上相應(yīng)的標(biāo)記點，其位置可以隨意選擇，不過必須確保以此掃描能夠掃到至少4個標(biāo)記點，可以通過制作輔助板的方式來配合標(biāo)記點的粘貼。標(biāo)記點粘貼完成后，在設(shè)置界面將掃描儀的掃描方式選擇為“Scan Positioning Targets”，確保一次掃描能夠?qū)⑤o助板和模型上盡可能多的標(biāo)記點掃描到，模型與輔助板的相對位置不變，根據(jù)掃描到的最初4個定位點，確定相應(yīng)的坐標(biāo)系。之后，將掃描方式更換為“Scan Surface”，在距離模型20-30cm左右的位置，確保可以清楚的看到激光線，然后保持掃描頭勻速移動，使得其可以掃描到至少4個點。掃描過程中對于模型的放置并沒有明確的要求，可以隨意放置，通過調(diào)整視圖來對掃描的結(jié)果進(jìn)行觀察，待模型全部掃描結(jié)束后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集，以stl格式的文件進(jìn)行輸出。這種掃描方式的操作相對簡單，可以得到相對完整的模型數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接，掃描效率可以保證。

將掃描得到的stl文件輸出到Geomagic Studio軟件中，在菜單中選擇“斷開組件連接”，可以從所有點中選擇與多數(shù)點云存在一定距離的點；而選擇“減少噪聲”，則可以減少掃描環(huán)節(jié)的噪聲點，使得點的排列更加平滑。在數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，Geomagic Studio還可以對模型的坐標(biāo)系進(jìn)行對其操作，為后續(xù)的模型重構(gòu)奠定良好的基礎(chǔ)。具體來講，應(yīng)該首先構(gòu)建兩個相互垂直的平面，將平面與全局模型的某個面進(jìn)行對應(yīng)，然后點擊菜單中的“對齊到全局”，選擇XY平面，然后浮動選擇某個平面，通過“創(chuàng)建對”選項來創(chuàng)建匹配對。在顯示中打開“全局坐標(biāo)軸”，結(jié)合不同視圖，能夠?qū)ξ矬w的位置進(jìn)行查看，從而對坐標(biāo)系擺正的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷。

3基于CATIA平臺的產(chǎn)品逆向設(shè)計

3.1數(shù)據(jù)輸出與處理

以Geomagic Studio進(jìn)行預(yù)處理后，可以得到模型的點云數(shù)據(jù)，利用CATIA V5的逆向點群編輯模塊，可以對點云進(jìn)行分析和處理，實現(xiàn)過濾與降噪。考慮模型本身的對稱性，可以截取一般的網(wǎng)格面進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

3.2曲線構(gòu)建

從跑車曲面的整體走勢出發(fā)，配合曲率分析等相關(guān)工具，可以將模型分割成若干大的曲面，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供便利。曲線的構(gòu)建保羅了特征線創(chuàng)建、點云截面線創(chuàng)建以及邊界線創(chuàng)建三部分，在CATIA V5中，特征線的提取方法多種多樣，比較常用的包括3D曲線、平面交線、曲線投影、交線曲線等，這里主要選擇曲線投影和3D曲線來對模型外表面的線架進(jìn)行創(chuàng)設(shè)。在進(jìn)行曲線的構(gòu)建時，對于不同的區(qū)域，應(yīng)該采用不同的方法，創(chuàng)建不同的特征線，如果曲線較為復(fù)雜，則應(yīng)該適當(dāng)增加特征線提取的密度。部分曲面的特征線架構(gòu)如圖1所示。

3.3曲線分析

在完成線架構(gòu)的創(chuàng)建后，需要做好相應(yīng)的光順性檢查，其主要目的是找出其中存在的壞點，在去除壞點的同時，也可以對曲線中的部分?jǐn)?shù)據(jù)點進(jìn)行修改和調(diào)整?？梢源蜷_CATIA自由曲面模塊，選擇其中的曲率分析工具，對曲線的曲率分布情況進(jìn)行檢查，利用長度不同的線段對曲線上的曲率分布狀況進(jìn)行表示，并以此確定曲線的光順性。對照曲線曲率分布可以看出，構(gòu)建完成的曲線在曲率上的變化相對均勻，不存在明顯的拐點，符合光順性的要求。而在充分保證曲線光順性的前提下，還需要針對曲線的精度進(jìn)行研究和分析。利用軟件中附帶的距離分析工具，可以對跑車模型中線的精度進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示，曲線的足最大誤差為0.87mm，可以滿足模型重構(gòu)對于精度的要求。endprint

3.4曲面重構(gòu)

對于一個工業(yè)產(chǎn)品，其外形非常重要，影響著消費者消費體驗。產(chǎn)品外觀數(shù)字模型的構(gòu)建通常是利用多個曲面，經(jīng)延伸、過渡以及裁剪、合并后形成的，在這種情況下，每一個曲面的構(gòu)建在逆向設(shè)計中都發(fā)揮著不容忽視的作用，其不僅需要能夠滿足光順性以及精度方面的要求，還必須可以與相鄰的曲面實現(xiàn)平滑連接，減少突兀性。

事實上，不同的平面有著不同的特性，其生成方式也各不相同，如果單純的采用某一種曲面的生成方法，想要實現(xiàn)對模型的重構(gòu)是不可能的。因此，在曲線創(chuàng)建環(huán)節(jié)，需要將收集到的點云分割成若干份，根據(jù)每一份的特點，選擇恰當(dāng)?shù)那嫔煞椒ǎ拍軜?gòu)建出滿足相關(guān)要求的曲面。如果曲面的曲率變化較為均勻，可以利用CATIA軟件中的四點綴面進(jìn)行曲面的構(gòu)建；反之，如果曲面的曲率變化不均勻，可以利用CATIA軟件中的逆向曲面重構(gòu)模塊，選擇其中的最佳擬合曲面功能，進(jìn)行曲面的構(gòu)建。

3.5質(zhì)量評價

對曲面的精度進(jìn)行檢驗，所得結(jié)果如圖2所示。結(jié)合圖2分析，本文構(gòu)建的曲面與網(wǎng)格面之間的距離在0.001mm到0.986mm之間，誤差值存在于允許范圍內(nèi)，表明重構(gòu)曲面能夠滿足工業(yè)設(shè)計的要求。

在對曲面的質(zhì)量進(jìn)行評價時，比較常用的方法包括曲率梳、斑馬線、反射線、高光線等，以斑馬線為例，其分布狀況見圖3。從圖中可以明確，在面積較大的區(qū)域，斑馬線的分布相對均勻，這也表明曲面光滑性良好，而在連接過渡區(qū)域，斑馬線整體呈S型分布，可以滿足G2連續(xù)的要求，因此從整體分析，重構(gòu)得到的曲面在質(zhì)量上能夠滿足設(shè)計需求。

3.6優(yōu)化設(shè)計

在進(jìn)行逆向設(shè)計的過程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是曲線曲面的構(gòu)建以及質(zhì)量分析，一旦產(chǎn)品的曲線和曲面完成了重構(gòu)，也就標(biāo)志著可以以此為依據(jù)，針對工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計，設(shè)計的對象不僅包括了產(chǎn)品的外形，還包括了整體的功能創(chuàng)新，以本文提到的跑車為例，基于重構(gòu)模型，可以對車輪、標(biāo)識、車窗、后視鏡等細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。例如，跑車模型原本的車輪是對柱體進(jìn)行簡化后形成的，整體缺乏真實性，從強(qiáng)化跑車整體效果的角度，可以利用CATIA裝配設(shè)計工作平臺，對跑車的四個車輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升模型的真實性。

4結(jié)語

逆向設(shè)計是相對于正向設(shè)計而言，可以參照實物模型，通過數(shù)據(jù)采集和曲面重構(gòu)，得到全新的數(shù)字化模型，從而對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)以及優(yōu)化設(shè)計。本文提出了一種有效的模型點云數(shù)據(jù)獲取及處理的方法，配合Geomagic Studio和CATIA，針對某跑車進(jìn)行了逆向設(shè)計，結(jié)合曲線的光順性檢查和精度檢查，以及曲面的精度與斑馬線分析，得到了有效的分析結(jié)果，實踐證明，本文提出的工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品逆向設(shè)計方法有著良好的實用性，值得進(jìn)行推廣。

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