逆向工程在产品设计中的应用研究

逆向工程一门新兴的计算机辅助设计技术,也称为反求工程,它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件(包括图样、程序、技术文件等)或影像作为研究对象,应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握关键技术,进而开发出同类的更为先进的产品技术。在产品设计的应用中,逆向工程技术能快速获取产品三维数据,通过对三维数据的处理,重构产品模型的曲面,并对其做出分析、验证、修复、再优化设计等操作,是产品进行快速设计的有效方法。逆向工程的出现,打破了传统的产品设计模式,特别是面对曲面复杂的产品设计上更显优势。使得产品的设计周期变短、有利于产品的更新换代,能很好适应当今社会对产品设计的要求。

1逆向工程在产品设计中运用的作用

1.1拓展了设计师的设计能力边界

设计师在设计产品时常常会遇到这样的困难,就是想要设计的产品可能无法实现,其中一个重要的原因就是想要设计的产品曲面过于丰富,造型过于复杂而无法在计算机上建立三维CAD模型,导致设计师无法实现自己的想法。但是,随着逆向工程技术的诞生,可以极好的解决这个问题,设计师只要做好设计方案,通过先做好实物模型,就能用三维扫描仪扫描的方式来自动生成三维CAD模型。因此可以完全消除设计师的后顾之忧,大大解放了产品设计师的自由度,拓展了设计师的设计能力。

1.2可以增进设计中的交互感

通过逆向技术,设计师可以通过制作产品模型实现建模,使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉,感性而迅速的验证和检查所设计的产品的结构和外观,改善了设计过程中的人机交流,可以使产品在造型、材质、色彩等方面进行创新。比起传统方式绘制的手绘图纸、计算机效果图、石膏和油泥模型更有优势,它是一个有质感、机械强度、结构精细、有触摸感的实物原型。能够在短时间内给设计师和工程师更多的信息,包括产品的外观造型、尺寸大小、具体结构和工作性能等详细参数,为设计方案的评价和优化提供了实用的参考。

1.3可以节约时间,降低了设计成本

在传统的设计中,设计师为了完成自己的设计理念,必须利用三维软件建立模型,且这部分工作所花的时间在整个设计周期中占据了很大的比例,特别是曲面比较复杂的设计方案。而现在由于快速成型系统在逆向工程中的使用,很多后期的细致模型甚至是样机都可以利用快速成型系统来完成,从而又很大程度节省了制作实物模型的时间。所以,逆向工程在现代产品设计中的应用,能够大大提高产品设计的效率,缩短产品设计的周期,进而降低产品设计的成本。

2逆向工程在产品设计中运用的领域

逆向工程在产品设计中主要包含以下几个方面:

1)对于复杂的艺术造型、人体和其他动植物外形难以直接用计算机进行三维几何设计时,需要通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型;

2)由于工艺、美观、使用效果等原因,经常要对己有的产品作局部的修改,并对CAD模型进行修改以后再进行加工;

3)对无法得到网址的已有产品实现数字化,如传统手工产品往往无图纸可用,需要采用逆向工程的方法来实现传统产品的数字化;

4)对己有产品为基准点进行的设计,借鉴别人的成功设计,进行再创新设计是在激烈竞争中赶超同行先进水平的一个捷径;

5)对磨损或损坏物体的还原,例如大型设备,如航空发动机、汽轮机组,常会因为某一零件部件的损坏而停止运行,通过逆向工程手段,可以快速生产这些零部件的替代件;

6)对医学模型制作,可以通过CT、MRT等临床检测手段获取人体扫描的分层截面图像,并将数据传送至RFM系统,制作出人体局部或内脏器官的模型。

3逆向工程在产品设计中运用的流程

3.1数据采集

数据采集是逆向工程的第一步也是最关键的一步。实物数字化的精度决定了CAD重建模型的精度及反求的质量,测量效率也直接影响整个反求过程的快慢。根据测量方式的不同,数据采集方法一般可分为两类:接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法具有较高的准确性和可靠性,但其测量效率低,测量过程依赖于测量者的经验。非接触式测量方法以激光扫描系统和三维视觉系统应用最为广泛。非接触式测量方法具有测量速度快、不必做探头半径补偿等特点,但其测量精度较差。

3.2数据处理

在采样过程中,丢失物体的某些细节或数据误差是不可避免的。通过对采样数据的三维显示及结构分析,能够发现哪些数据可能丢失。因此,数据修复是逆向工程的一个必不可少的步骤。数据修复主要包括部件恢复及表面数据的恢复。表面数据恢复主要涉及碎片整合及空洞填补,一般可采用NURBS曲面片来实现表面数据的恢复。另一种方法是采用基于三角面片的多分辨曲面模型。这种模型能便于曲面的局部修改。在数据的修复过程中,局部修改以消除明显的误差是必不可少的。

3.3 CAD模型的重建和再设计

在得到了构成物体的基本部件的逻辑结构及物体的基本几何数据后就可以构造物体的三维CAD模型,这个模型是最基本的创新设计模型平台。在此基本平台上,设计人员可交互构造特征线,自动识别产品过渡圆角、尖边等特征,提供多种物体表面(平面及NURBS曲面组成)编辑技术,研究曲面整体变形技术,实现CAD模型动态修改。

逆向工程的最终目的是设计新产品。通过以上步骤获取的产品的几何数据及产品的功能、结构知识,基本上能再现原有的产品。为了在此基础上设计新产品,设计人员需对CAD原有的模型进行适当的调整,在修改过程中加入设计人员新的设计思想,以完成新的设计方案,再让相关软件自动判断产品设计的优劣。

3.4快速成型技术的使用

在完成实物的CAD模型重建后,其后续工作就是利用快速成型技术来迅速、精确并经济地生成可触摸的物理原型或模具,一方面为产品的及时修改和再设计提供实物样品,另一方面,对一些材料制造的零部件,还可以直接制造出产品的模具。这样做避免了机械加工的长周期和复杂的工艺设计,为产品的快速开发和制造提供了有效的技术支持。因此,在产品设计的逆向工程中快速成型技术是不可少的。

近几年来,坐标测量技术、激光扫描技术的发展,三维CAD技术逐渐成熟,为“逆向工程”创造了良好的基础。各行业广泛采用“逆向工程”技术获取电子数据,使用软件技术进行数据处理,并加入新的思想,创新产品,在新产品开发中发挥了很大作用,缩短了开发周期,降低了开发成本,取得了显著的成效。虽然逆向工程这项技术还存在一些问题有待解决,但是相信随着科技的进步,产品的创新会和逆向技术结合得越来越紧密。

摘要：随着社会经济的发展,要求企业越来越快的进行产品的研发和生产。逆向工程作为一种现代设计的新方法能迅速缩短产品的设计时间,它通过三维扫描技术对产品模型进行数据的采集,进而进行数据的优化,模型的重构,最终快速形成新产品的设计。因此它在产品设计中有着重要的意义。

关键词：逆向工程,反求设计,产品设计

参考文献

[1] 刘影,杭九全,万耀青.反求工程与现代设计[J].机械设计,1998(12):1-3.

[2] 赵松年,佟杰新,卢秀春.现代设计方法[M].北京:机械工业出版社,1996.

[3] 王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2004.

[4] 李志新.逆向工程技术及其应用[J].现代制造工程,2007,(2).

[5] 金涛.反求工程中产品三维模型重建技术及应用研究[D].杭州:浙江大学,2000.

[6] 杨钦,徐永安,翟红英.计算机图形学[M].北京:清华大学出版社,2005.