产品的逆向设计法研究
产品的逆向设计法研究
( K- p+ R1 Z5 L作者：姜楠
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- w6 A( M3 n0 k+ l6 E[摘要) 对产品的逆向设计法的流程、关键技术与应用作了研究．指出现代工业设计师进行产品造型设计时采用逆向设计法将有起点高、成本低、周期短，易改型、易创新的特色。 ~" B# B& o: X! c) g9 O8 n
关键词：产品设计；逆向设计
& C# P# w! V# {- F B中图分类号：TB472 文献标识码：B
7 q# V9 u5 o4 I4 b5 a6 E5 r4 O文章编号：1001—3563(2002)03—0133—02 X* ?/ }0 V) d+ G7 B9 F, i
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4 x/ x3 I& N4 E) ^工业设计师在进行产品的造型设计时，所采用的方法一种是正向设计法，这是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程，如图1所示。这一设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发。 6 V2 Z5 ]& _0 b
H$ O& d: B+ \/ M! s* c. S产品造型设计的正向设计流程示意：概念设计 → CAD/CAM系统 → 制造系统 → 新产品 8 w! ^$ T3 _% x9 J7 Z r2 ]
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l 产品逆向设计的产生与应用
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5 u! `2 X9 j2 g) z' ^7 d9 h5 l' T/ U在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计和制造中，通常是由复杂的自由曲面拼接而成，因此在概念设计阶段难以用严密、统一的数学语言来描述。这些产品的初始模型是通过对事先制造出的木制或泥制模型来实现数字化产生的。近年来在产品造型设计中逐渐走向成熟形成逆向设计法。 D: M7 R# k, K3 F6 \
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由于产品造型的逆向设计有起点高、成本低、周期短、易改型、易创新的特性，自出现以来便受到了现代工业设计师的关注。目前该技术在下面几方面得到了广泛应用：a．用于汽车、摩托车等具有较复杂曲面外型产品的修复与改型设计中；b．用于设计与制造个性化的产品，如人体拟合、太空服装设计、假肢设计等；c．根据客户样件进行模具设计时，该项技术可使自动化程度大大提高；d．在样件缺少图形文件时，可用逆向设计来生成图形文件：e.在快速原形制造中逆向设计可实现原形产品的快速准确建模并进行重新设计。
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; X& C! k- v1 c5 Y. H6 X2 产品逆向设计的过程及其关键问题
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$ t |' p6 T. ^产品的逆向设计是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型(曲面模型重构)，并进一步用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。
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逆向设计的流程示意：
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产品样件 → 数据采集 → 数据处理CAD/CAE/CAM系统 → 模型重构 → 制造系统 → 新产品
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) k; `- n; y3 y- Q( u在逆向设计中数据采集、数据处理、模型重构是产品造型设计逆向设计的三大关键环节。 ) N. J: w+ @: l# u/ R" c( G8 c
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数据采集(样件的表面数字化)是进行产品逆向设计的第一步。一般而言。数据采集可由接触式与非接触式两种来实现。接触式方法由于对物体的表面的颜色和光照没有要求。因此物体边界的测量相对精确，但对软质材料适应差且速度慢；而非接触式方式(以激光为媒介的非接触三维表面数据采集法)在采集实物模型的表面资料时，采集速度快，可形成“点云”资料，缺点是精度较低而且对样件表面和光照有较高的要求。
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% U$ Q4 d+ X1 B0 r* C数据处理的结果将影响模型重构的质量。在此阶段一般应进行数据预处理、数据分块、数据光顺、三角化、数据优化、多视拼合、噪声滤波、拓扑建立、特征提取等工作。 G2 G& P; m i# L4 {( L
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模型重构方案目前主要有三种：1]以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造法；2]以三角Bezier曲面片为基础的曲面构造法；3]以多面体面片为基础的曲面构造法。
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3 几种用于逆向设计的应用软件
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目前，在国际市场上已出现了一些用于产品逆向设计的应用软件，如美国Imageware公司的Surfacer7．1，英国Renishaw公司的TRACE，英国MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction等，英国DelCAM公司产品CopyCAD；此外，一些CAD／CAM系统。如美国PTC公司的Pro；Engineer 2000i、美国UGS公司的Unigraphics与美国IBM公司的CATIA等在其系统中也集成了可实现逆向三维造型设计的模块，但与专业的逆向工程软件比较在功能上有较大局限性。例如：Surfaccr7．1逆向设计软件可方便的实现下面几项功能：1]接受不同来源的扫描资料点的分析与处理。如CMM.Laser，sensors，Ultrasound等；2]快速、准确地将扫描点转换成NURBS曲面；3]对曲面模型的精度、品质进行评价；4]对曲线、曲面的形状实现交互修改。在产品的曲面模型重建时。Surfacer7．1不需经过建造曲线来构造曲面而是直接由扫描点来直接产生曲面；或采用建立周边曲线再用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面；也可首先在扫描点群中构造NURBS曲线，再由曲线来产生曲面。 , f2 v7 t; ~# n0 D: c. D
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4 结 论
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0 R7 T' J" v: Z {展望未来．伴随着计算机硬件与软件技术条件的发展，逆向设计法所具备的起点高、成本低、周期短、易改型、易创新的优势会日渐明显，该方法必将成为现代工业造型设计师实现产品造型设计的首选方法之一。
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