藍(lán)牙音箱逆向設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究

曹素紅 呂肖男

摘 ?要：利用逆向工程技術(shù)可借助現(xiàn)有產(chǎn)品造型實(shí)現(xiàn)功能改進(jìn)，幫助設(shè)計(jì)師提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。文章以一款電話造型的藍(lán)牙音箱為例，重點(diǎn)介紹了逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)方法，探討了采用逆向設(shè)計(jì)方法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：逆向工程技術(shù);創(chuàng)新;Geomagic軟件

中圖分類號(hào)：TN912.26 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）35-0031-02

Abstract： The use of reverse engineering technology can use the existing product modeling to achieve functional improvement， help designers to improve design efficiency and achieve design innovation. Taking a Bluetooth speaker modeled by telephone as an example， this paper mainly introduces the realization method of reverse engineering technology in product innovative design， and discusses the technical key points of innovative design by using reverse design method.

Keywords： reverse engineering technology; innovation; Geomagic software

引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE），又稱反求工程，即利用三維掃描儀獲取樣件表面信息，經(jīng)逆向軟件處理后，再進(jìn)行數(shù)字化模型重構(gòu)，進(jìn)而加工出產(chǎn)品的一種先進(jìn)制造技術(shù)。逆向工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可借助現(xiàn)有產(chǎn)品外觀，實(shí)現(xiàn)功能改良，或者造型改進(jìn)，可節(jié)省設(shè)計(jì)周期，因此在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中具有比較大的實(shí)用空間。

隨著逆向設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)的發(fā)展，個(gè)性化定制產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。本文采用逆向設(shè)計(jì)手段，對(duì)某仿真復(fù)古電話儲(chǔ)錢罐進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一款電話造型的藍(lán)牙音箱，豐富了一般藍(lán)牙音箱的簡(jiǎn)單造型，實(shí)現(xiàn)了快速設(shè)計(jì)、個(gè)性化設(shè)計(jì)，進(jìn)而總結(jié)出采用逆向設(shè)計(jì)手段進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新時(shí)需要注意的地方。

1 創(chuàng)新過程分析

愛因斯坦曾指出：“提出（發(fā)現(xiàn)）一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更為重要……提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，就需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力……”。顏惠庚在《技術(shù)創(chuàng)新方法實(shí)戰(zhàn)》一書指出，所謂問題，就是系統(tǒng)應(yīng)該或希望具有的理想狀態(tài)與其目前狀態(tài)之間的差距。因此，無論采用正向或逆向設(shè)計(jì)方法，首先務(wù)必明確要解決的問題。例如本設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)圍繞如何改變藍(lán)牙音箱的外觀造型。采用逆向設(shè)計(jì)手段，通過現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)新產(chǎn)品，首先應(yīng)在分析功能和造型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分析兩個(gè)產(chǎn)品之間的相似相通之處及改進(jìn)的可行性。新產(chǎn)品的功能必須穩(wěn)定、完善，外觀造型應(yīng)美觀、協(xié)調(diào)，改進(jìn)設(shè)計(jì)不應(yīng)牽強(qiáng)生硬，且符合一定的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)原理。其次，分析功能硬件結(jié)構(gòu)，確定硬件構(gòu)成、尺寸規(guī)格及安裝固定方式。第三，采集樣件外觀數(shù)據(jù)，處理后重新構(gòu)建CAD數(shù)字模型，再根據(jù)裝配需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大部分新產(chǎn)品除外觀有所變更外，由于添加了硬件，結(jié)構(gòu)上都需要有改進(jìn)，而此時(shí)設(shè)計(jì)者必須從材料、生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)成本等多個(gè)方面進(jìn)行考慮，科學(xué)設(shè)計(jì)。最后，利用3D打印技術(shù)快速制造樣機(jī)，檢驗(yàn)功能硬件與殼體的裝配關(guān)系，找出問題，完善數(shù)字模型。反復(fù)修改，最終完成新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 硬件結(jié)構(gòu)分析

藍(lán)牙音箱一般由外殼、芯片、揚(yáng)聲器、電池及USB接口組成。硬件結(jié)構(gòu)是外殼尺寸和固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，設(shè)計(jì)前須反復(fù)試驗(yàn)，以期硬件達(dá)到十分穩(wěn)定的功能，確定硬件結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用某類型藍(lán)牙芯片，尺寸不足30×15mm，體積小，且自帶USB接口，可直接通過數(shù)據(jù)線供電，也可選擇電池供電，功能比較穩(wěn)定。

3 逆向設(shè)計(jì)過程

3.1 外殼數(shù)據(jù)采集

三維掃描儀包括光柵三維掃描儀（也稱拍照式三維掃描儀）和激光掃描儀。光柵三維掃描包括白光掃描或藍(lán)光掃描等，激光掃描儀可分為點(diǎn)激光、線激光、面激光。光柵三維（白光掃描）掃描儀工作原理是首先將白光投射到被測(cè)物體上，使用兩個(gè)有夾角的攝像頭對(duì)物體進(jìn)行同步取像，之后對(duì)所取圖像進(jìn)行解碼、相位操作等計(jì)算，最終對(duì)物體各像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。而激光掃描儀采用的是激光測(cè)距的方式，即通過對(duì)被測(cè)物體表面大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)、紋理、反射率等信息的采集，來對(duì)其線面體和三維模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。

工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)中光柵三維掃描儀和激光掃描儀都適用，具體采用哪種類型掃描儀需要根據(jù)掃描范圍、掃描精度要求、設(shè)備成本而定。為了保證逆向設(shè)計(jì)的精度，保證重構(gòu)模型對(duì)原型的還原度，外觀數(shù)據(jù)掃描時(shí)應(yīng)保證：（1）數(shù)據(jù)完整;（2）雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)盡量少;（3）點(diǎn)云盡量規(guī)整平滑;（4）保留其原始特征。掃描前需要粘貼標(biāo)記點(diǎn)，粘貼要求如圖1所示。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于受外界光線和被測(cè)工件表面質(zhì)量的影響，采集數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些異常點(diǎn)，影響曲面重構(gòu)的精確性。為保證后續(xù)曲面重構(gòu)數(shù)據(jù)的精確性，需要去除這些異常點(diǎn)，故在進(jìn)行模型的逆向重構(gòu)前需要先對(duì)掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。目前比較流行的點(diǎn)云處理工具是Geomagic Wrap和Geomagic Studio軟件，利用該軟件可以將三維掃描獲得的.TXT格式的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.STL格式的三角面片，最終處理結(jié)果如圖2所示。

3.3 逆向建模

逆向設(shè)計(jì)核心是數(shù)字化模型重構(gòu)，一般來說，要求新模型的精度高，與原型之間偏差小，模型重構(gòu)時(shí)首先要根據(jù)產(chǎn)品造型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行建模分析。以電話機(jī)機(jī)座逆向設(shè)計(jì)為例，該機(jī)座主要由底座造型、側(cè)面曲面構(gòu)成的基礎(chǔ)主體和上面的電話支架、撥號(hào)盤等造型構(gòu)成。基礎(chǔ)主體為曲面形狀，可以采用領(lǐng)域組擬合方法創(chuàng)建曲面，底座造型和支架部分的造型采用面片草圖的方式，由平面直接截切面片，得到這一特征的斷面輪廓，再根據(jù)輪廓曲線繪制圖形，采用拉伸等命令創(chuàng)建實(shí)體或者曲面。最后采用曲面切割實(shí)體的方式，以及實(shí)體合并的方式得到完整的電話機(jī)座造型。

需要注意一點(diǎn)，采用逆向工程進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，并非所有結(jié)構(gòu)都必須使用逆向軟件來實(shí)現(xiàn)，需要保留的外觀造型應(yīng)進(jìn)行重構(gòu)，而其他結(jié)構(gòu)部分采取正向手段也可實(shí)現(xiàn)，本例中，撥號(hào)盤將被設(shè)計(jì)成音箱的喇叭，安裝揚(yáng)聲器，因此撥號(hào)盤不需要進(jìn)行逆向建模，而是在其他建模軟件，如Pro/Engineering軟件中采用正向建模方式進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，如圖3所示。是否采取逆向或正向建模，需要根據(jù)產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求而定。

同樣道理，開關(guān)和USB接口也采用Pro/Engineering軟件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，電話機(jī)座主要建模過程如圖4所示。

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

采用逆向手段對(duì)產(chǎn)品外殼進(jìn)行重構(gòu)之后，即獲得了基于現(xiàn)有產(chǎn)品的外觀CAD三維數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)者需根據(jù)裝配要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)完善。本例中，需要將機(jī)座底部做成可拆卸結(jié)構(gòu)，以便安裝藍(lán)牙電路。因此需要再為其設(shè)計(jì)個(gè)底板。底板建?？稍赑ro/Engineering軟件中完成。Pro/Engineering軟件是比較常用的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，它的裝配模塊可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)零件之間的尺寸配合設(shè)計(jì)。通過裝配模型參照電話機(jī)座尺寸進(jìn)行底板的正向建模，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是使后者與前者完美吻合，形成一個(gè)完整的音箱腔體。同時(shí)，在Pro/Engineering軟件中完成電池、芯片和線路的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

此外，利用逆向獲得的CAD三維數(shù)據(jù)豐富產(chǎn)品功能也十分方便，本例中在音箱殼體內(nèi)中間偏下方的位置設(shè)計(jì)一塊隔離儲(chǔ)錢空間，這樣可以在現(xiàn)有產(chǎn)品功能基礎(chǔ)上提升其使用價(jià)值。

5 結(jié)束語

逆向工程作為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法之一，其優(yōu)勢(shì)在于可借助現(xiàn)有產(chǎn)品外觀造型實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)，并有助設(shè)計(jì)人員發(fā)揮創(chuàng)造力，從功能上進(jìn)行創(chuàng)新?；谀嫦蚣夹g(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，并非只可以采用逆向建模手段，而是根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)需要，靈活使用正向建模和逆向建模手段。

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