逆向工程在产品设计中的实践研究

张 倩，吴凤林

（太原理工大学 机械工程学院，太原 030024）

逆向工程在产品设计中的实践研究

张 倩，吴凤林

（太原理工大学 机械工程学院，太原 030024）

0 引言

逆向工程是20世纪90年代发展起来的，它基于实物、样件、软件（图片、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对象，应用现代设计理论方法、生产科学、材料科学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，进而开发出更为先进的产品技术。而产品设计是现代文明不可或缺的一种社会活动，不断的完善产品，能提高人们的生活水平同时满足人类生活的品质。借助逆向工程技术进行产品设计无疑是最有效手段，将现代产品设计和逆向工程技术紧密结合，充分的吸收和利用以促进产品设计的进一步发展，推动产品创新设计的步伐，更好的服务社会。

1 正向工程与逆向工程概念

传统的正向工程（Sequential Engineering）开发流程是一种特定的思维顺序模式，从市场需求找到产品的功能描述，然后进行概念设计，有了产品的设计蓝图或者CAD造型，在这样的基础上进行总体和各个零部件的设计，制作小比例模型反复修改，最后制定工艺流程，设计工夹具，完成加工和装配，然后通过检验其性能测试。而逆向工程（Reverse Engineering）是相对正向提出的，首先是对实物模型进行扫描测量，根据数据并通过三维几何建模反求出CAD模型，然后进行修改设计，误差分析，最后实现再创造的批量快速的生产制造。

图1 逆向工程设计流程图

2 逆向工程的相关概念及模式

2.1 逆向工程与快速创新设计

现如今产品需求的品种增多，外形的美观要求加强，产品开发周期较长,企业策略的频繁调整,以及设计部门与客户磨合存在一定的困难，从而导致了设计难以得到开发、延续。

逆向工程技术确是能解决这些问题的有效手段，它采用了3D扫描和3D打印技术相结合方式，有效的针对复杂曲面造型的实物（如电子产品，汽车飞机，模具等）高效率的进行快速产品开发，从逆向过程中吸收和消化先进的设计理念和制造方法，进而将逆向“仿制”技术发展成为逆向“创新”理论，这也将是逆向工程技术的发展趋势。

2.2 逆向工程的设计模式

本文我们就几何逆向反求做实物分析，即根据实物模型的表面轮廓的数字化信息反求出样件的CAD模型，实现模型重构。

1）实物模型的选取

由于选取的实物模型的质量会直接影响后面反求的精度，因而准确确定被测对象实物模型是逆向工程的基础和前提。如对一些反射效果较为强烈的塑料、金属材质模型需要通过喷施着色剂来优化模型质量，方便扫描仪的CCD镜头能更好得对其数据点进行捕捉。

2）表面轮廓数字化测量

准确获得实物模型的三维数据是进行后续CAD造型的基础，数据测量则是通过选取合适的测量设备获得产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。我们将被测产品放置于三坐标测量机或三维激光扫描仪的测量空间内，能多次获得产品各个点的坐标位置，对这些空间坐标值进行数据处理，拟合成圆、球、圆锥、曲面等，经过计算方法得到其形状的几何数据。

3）数据预处理

由于上阶段的测量系统的不同，我们得到的测量数据格式也是不一致的，加上人为因素环境因素就不可避免的存在一些误差，所以就要求我们在CAD模型重建前对测量数据进行处理。我们可以用逆向软件对测量数据进行处理，处理工作包括：数据格式转化、噪声点去除、数据精简、点云的拼合、特征提取。

4）CAD模型重构

模型重构的首要任务是将测量数据按实物原型的几何特征进行分割，针对不同数据块，采用不同的曲面构建方案（样条曲面、三角Bezier曲面和NURBS曲面），然后用Pro/ENGINEER、NX等软件实现模型实体化。

5）基于CAD模型的快速成型

重构的CAD模型不仅便捷地修改和创新反求的实物样品原型，还对一些产品可以用制出的样品进行性能测试后再修改来完善CAD模型，最后得到高质量、美观的模型。这时，3D打印技术是必不可少的，即“快速成型”技术，采用“材料累加”想法，不需要传统的刀具和夹具，对零件的CAD数据进行分层处理，得到零件的二维截面形状一致的薄片，不断重复进行，逐层累加，直到零件的实体模型形成。这使得加工对象不受复制程度的限制，让平面生成立体的过程变得简单易行。

6）后续工作

考虑到测量误差，加工误差，曲线拟合误差等因素，需要对新建的模型进行误差分析，后续误差分析能帮助对产品有更深入的探索和创新。

3 逆向工程的应用实例

模型的制作对推敲细节有较大的帮助，可以弥补草图阶段的不足，从而提高效率。本文用非接触式光学三维扫描仪对家用加湿器模型进行扫描。CCD镜头对所贴标识点进行空间定位，由于无法单面一次扫描完成，所以采用多次多角度标志点拼接扫描测量，将所有扫描的数据拼接完成后得到完整的点云数据模型，如图2所示。

图2 最终扫描点云数

将点云数据利用调整参数的方式导入Alias studio中，对点云进行网格化，对变成三角网格的点云数据进行网格平滑处理和网格修补孔洞处理，如图3所示。

图3 点云网格化处理

本文按照基础面-过渡面的建模思路进行构面，利用特征线通过路径扫描、曲面拉伸等工具构建基础面，然后进行光顺对齐、混接曲面得到过渡曲面，如图4所示。

图4 加湿器曲面模型（高光）

对数字模型进行评估有利于下游CAD软件的顺利接受重构的模型，如图5所示，是曲面模型的曲率分析图，绿色代表曲面过渡平滑，红色代表曲率半径超过最大半径值，这些曲面有瑕疵。由此分析得出影响曲面重构原因：1）模型制作不光顺；2）测量后的点云数据噪声点过多；3）网格化后的点云数据不够精简。

图5 曲面曲率分析图

本文通过实践发现直接用Pro/ENGINEER构建高曲率曲面时和读取点云数据的功能较弱，所以在上述实例中先通过Alias读取点云，建立曲面，再以.iges格式导入到Pro/ENGINEER软件中，对其进行细节上的修改，得到预期的曲面模型。

4 结论

文中结合实践对设计流程合理规划进行了研究，提出培养“正向+逆向”的思维方式，灵活的运用“逆向+正向”的建模方式，从而达到优化设计流程，提高曲面质量，缩短产品研发周期，为后续3D打印做好准备。在具体的实施过程应注意以下问题：1）逆向工程绝不是产品上的抄袭，而是参考的基础上进行创新；2）在扫描过程中，要使坐标系一致，否则需要对数据点进行坐标变换，这样会影响曲面拼接；3）应进一步研究复杂曲面离散数据点的几何理解，并将参数化技术引入逆向工程中，建立参数化逆向工程模型，方便模型优化和修改。

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The practice research on reverse engineering in the product design

ZHANG Qian, WU Feng-lin

首先对传统正向工程技术运用于产品设计时带来的缺陷进行了总结，随后提出了逆向工程技术的概念、介绍了该技术的设计模式和优点。在此基础上，通过对该技术运用于具体实例的情况进行分析，得出：基于3Dscan-Alias-Pro/ENGINEER的逆向技术运用于产品设计时可以实现预期的优点，并提出运用逆向工程技术结合传统正向工程技术完成产品的创新设计方法。

逆向工程；产品设计；3Dscan-Alias-Pro/ENGINEER

张倩（1988 -），女，山西太原人，硕士研究生，研究方向为逆向工程技术的应用与造型设计。

TB472

A

1009-0134(2014)06(上)-0083-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).24

2014-03-07