基于形态分析法的逆向参数化建模

丛海宸，成思源，杨雪荣，刘吉安，张湘伟

（1.广东工业大学　机电工程学院，广州 510006；2.广东工业大学　艺术设计学院，广州 510006）



基于形态分析法的逆向参数化建模

丛海宸1，成思源1，杨雪荣1，刘吉安2，张湘伟1

（1.广东工业大学机电工程学院，广州 510006；2.广东工业大学艺术设计学院，广州 510006）

摘 要：近年来，随着逆向工程的发展，逆向参数化建模在产品创新设计中起着越来越重要的作用。通过对形态分析法进行分析、改进，以实现与逆向参数化建模相结合，提出基于形态分析法的逆向参数化建模方法，并详细介绍了这种逆向参数化建模方法的优势及其一般流程。以逆向参数化建模软件Geomagic Design X为平台，通过对电热水器控制板进行基于形态分析的逆向参数化建模及误差分析，验证了该建模方法的优势，为产品的逆向创新设计提供了一种有效的建模方法。

关键词：逆向工程；创新设计；形态分析法；参数化建模；Geomagic Design X

0　引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）作为掌握新技术的一种手段，可将产品研制周期缩短40%以上，受到工业界等多行业工作者的重视。逆向参数化建模主要包括特征提取、创建特征、特征编辑［1］三个步骤，在特征提取阶段因其方便对原产品参数进行修改并进行二次设计，所以已成为逆向工程中的重要发展方向［2］，以及实现新产品快速开发的重要技术手段。

随着生活水平的不断提高，以消费者心理实验和用户反馈信息作为出发点，设计出结合消费者与市场的创新产品，对企业的发展至关重要，同时也对设计人员如何设计出满足产品属性、系统性准则及设计目标相结合的产品模型［3］提出了更高的要求。因此，能否将产品设计需要与逆向再设计相结合，决定着新产品研发的效果及其可推广程度。

1　形态分析法

形态分析法是二战期间，美国加州理工学院的兹维基教授为研制德国高度保密的F-1型和F-2型巡航导弹，通过分析火箭的各主要组成要素，及各要素可能具有的形态，将其形态要素按排列组合原理，构造出576种设计方案，并成功制造出巡航导弹［4］，经后期的总结研究，进而创造了该方法。

形态分析法的主要操作步骤是：1）要素分析，即将研究对象分解为若干相互独立的基本要素；2）形态分析，即详细分析各基本要素的“形”和“态”（形是指物质形体，包括形状、颜色、材质等外在物质性因素；态是指产品的神态，包括内涵要素）［5］；3）构造形态矩阵，即以某一独立要素形态与其他各要素形态进行矩阵分析，再进行排列组合，总结出可能的总体组合方案；4）评价选择，即以需求为评价标准，对各形态组合方案进行评价，从中选取最佳方案。

形态分析法作为一种技术预测定性方法已广泛应用于工业等多个领域［6］，因其能够对产品各要素进行分析，确定要素原件，再对要素原件进行形态分解，获取产品形状单元，从而使设计师能够明确新产品的结构设计知识，包含通用性知识、控制性知识和表达性知识［7］。其提取创新产品的通用性知识所蕴含的平面形态元素能够满足进行逆向参数化建模中的特征提取建模环节的需要；控制性知识所蕴含的三维形态元素能够满足创建特征环节的需要以及表达性知识所蕴含的三维空间元素能够满足特征编辑环节的需要，所以经形态分析法分析后进行逆向参数化建模能够明确设计目的、设计要求，从而提高设计效率，使之与逆向参数化建模相结合成为可能。

因此，本文提出了一种基于形态分析法的逆向参数化建模方法，在逆向设计前，通过形态分析法对原产品进行系统分析，获取各建模要素，从而明确设计要求，并通过逆向参数化建模进行实现，提高产品再设计效率。

2　基于形态分析法的逆向参数化建模

基于形态分析法的逆向参数化建模是对传统形态分析法进行改进，使其与逆向参数化建模更加紧密结合，从而缩短设计周期，提高产品设计效率，其流程如图1所示。

图1　基于形态分析法的逆向参数化建模流程

该方法是以创建新产品模型为导向，以用户反馈信息和厂家制造需求为出发点，首先进行需求分析，提炼需改进的功能及新功能；而后进行要素分析，明确实现各功能的要素原件，并对各要素原件进行数据采集，然后对各要素原件进行形态分析，获取要素原件组合后的待设计产品总体结构；再对形态分析中待设计产品总体结构进行形态分解，通过解构［8］提取基本结构形状等相关设计信息，建立结构模型，从而获取结构模型与逆向建模流程映射关系图，如图2所示，并创建新产品模型。

图2　结构模型与逆向建模流程映射关系图

解构是实现该建模方法的重要步骤，本研究所述解构是以逆向参数化建模需要为出发点，以解构出最小的参数化建模单元为目标，对形态分析中的各要素位置关系、尺寸大小进行提取。

形态分析所获各结构元素与逆向建模要素存在如图2所示映射关系，可以使设计师在掌握最终产品三维空间元素（即逆向建模中产品最终特征）的基础上，明确特征编辑前所需三维形态元素（即创建待编辑实体特征），进而有针对性的对原产品数据模型进行特征提取，以获取创建特征所需的平面形态元素，从而明确各设计步骤，能够使设计师快速、准确的创建新产品参数化模型。

通过需求分析，可明确设计目的，使新产品最大限度的满足使用和市场需要，进而减少出现反复设计的情况。而后经要素分析，确定要素原件，明确设计对象。再对设计对象进行形态分析获取要素原件组合后的待设计产品总体结构，规划逆向设计要求思路，并通过形态分解、解构将设计对象分解为结构单元，确定各要素位置关系、尺寸大小，进而可以快速获取模型的设计要求，根据设计要求进行逆向参数化建模，从而实现快速、有效地创建新产品模型。

3　应用实例

本实例采用电热水器控制板为创新设计对象，如图3所示。以关节臂作为数据采集工具，以Geomagic Design X软件为逆向参数化建模平台进行逆向创新建模。

图3　原电热水器控制板

3.1需求分析

经过长期的使用，用户反映该控制板存在出如下问题：1）显示屏固定于水箱上，维修、更换不便；2）当水温达到设定要求时会自动断电，因此不需要设置定时器；3）冷水和热水出水口位置不便于洗澡；4）避免被控制板划伤。上述问题即为用户反馈信息。对于电热水器厂家制造需求方面，为降低成本，应不改变控制板整体安装结构，确保实现控制板与电热水器外壳装配，因此逆向创新建模时要保证控制板外轮廓结构形状、尺寸大小不变，以及控制板厚度不变。

综上所述，可以确定逆向参数化建模设计目的为在不改变控制板外轮廓形态条件下，使显示屏固定于控制面板，去除定时器固定孔，保留开关固定孔、流量计固定槽，增加冷水和热水出水口，并将各边倒钝。

3.2要素分析

为解决用户和企业需求，需要如下要素：1）原控制板；2）显示屏；3）冷水和热水出水接口。因开关和流量计保留原设计，所以新控制板形状由原控制板通过关节臂扫描，获取其表面数据即可。定时器固定孔因去除该功能，所以在进行点云数据封装后去除这一特征。在新控制板上加装冷、热水管出口固定孔。显示屏固定于控制板，需加装显示屏固定槽，同时固定槽应符合电热水器内水箱表面曲率变化，使新控制板固定后固定槽不与水箱产生干涉。因此，可以确定设计对象为原控制板、冷热水出水管固定接口及显示屏固定槽。

使用关节臂对原控制板进行扫描，获取点云数据，然后将点云数据导入到Geomagic Design X软件中，经采样、删除体外孤点等点阶段操作，将点云数据封装为多边形模型，并对多边形进行网格医生、编辑边界等多边形阶段操作，所得模型如图4所示。

图4　多边形模型

使用游标卡尺测量原控制板总厚度为3mm，上层厚度为1.2mm，下层厚度为1.8mm；冷水和热水出水接口为R8mm；显示屏4固定孔外径为R2mm，内径为R1mm，相互距离为89mm×49mm，显示屏屏幕尺寸为92mm×52mm×7mm。

3.3形态分析

对原控制板进行形态分析，如图5所示。通过形态分析结果，我们可以直观地掌握设计对象的各形态单元。然后依次对显示屏和出水接口进行形态分析。

图5　形态分析

对各要素形状单元汇总，其中原控制板形状为非规则自由曲面，显示屏为长方体，出水接口为圆柱形，形成新控制板总体结构（即原非规则自由曲面上增加一个长方体显示屏固定槽和两个水管出口圆柱固定孔），同时对新控制板结构进行形态分解、解构，创建结构模型及其与逆向建模流程映射关系图，如图6所示，并进行逆向建模。

图6　结构模型与逆向建模流程映射关系图

由结构模型与逆向建模流程映射关系图可知，设计要求是逆向设计出原控制板特征及流量计固定槽特征等相关特征，并对显示屏安装槽进行设计，同时对各边进行倒钝处理。

3.4逆向参数化建模

通过设计要求可知，首先对控制板、流量计固定槽相关特征进行逆向设计，获取电热水器控制板大致轮廓形状，然后再对显示器安装槽进行设计，将各边倒钝后，完成电热水器控制板创新设计。

3.4.1控制板逆向设计

将多边形模型进行领域划分，并对领域进行编辑，如图7所示。划分领域时应使各独立特征由同一个领域表达，可方便对非规则自由曲面进行拟合，创建曲面特征。

图7　领域划分

因控制板上、下两层轮廓尺寸不同，所以先获取上层轮廓特征，然后获取下层轮廓特征，最后将两特征进行布尔求和，获取控制板。

通过边界投影，提取控制板边界轮廓（P1）特征草图，并对草图中各边线尺寸进行修改，同时对位置进行约束［9］，因上层各轮廓尺寸较整体轮廓尺寸小4mm，再将草图向内偏置2mm，然后进行拉伸，获得实体模型，创建控制板拉伸实体特征（X1）。由于上层轮廓特征表达不完全，因此继续创建其非规则自由曲面特征（X2）。首先对上层轮廓特征领域1进行面片拟合［10］，并将拟合后曲面其向下偏置1.2mm，然后使用两个已拟合的自由曲面分别对拉伸实体进行剪切，获取控制板上层特征，如图8所示。

图8　控制板上层特征

以原多边形模型数据为参考，进行偏差分析［11］，可知所创建实体模型偏差可控制在±0.05内，如图9所示。

图9　控制板上层特征偏差分析

依据控制板上层特征操作流程，获取控制板下层特征，然后将两特征进行合并布尔运算，获取控制板，如图10所示。

图10　控制板

再根据边界投影，提取显示屏、流量计和开关及冷热水管接口特征草图（P3），并进行拉伸剪切，获取开关及冷热水管固定接口（X3），完成控制板各特征（K1），如图11所示。

图11　控制板特征

3.4.2流量计固定槽逆向设计

通过领域2对固定槽进行面片拟合，拟合时进行平面和圆柱面定义，保证固定槽特征，然后各曲面进行相互裁剪并缝合，获取流量计固定槽曲面，如图12所示。

图12　流量计固定槽曲面

将流量计固定槽曲面向外偏置3mm，两曲面与控制板上层特征曲面进行裁剪并缝合，生成特征实体（X4），然后通过边界投影，提取两固定孔草图（P5），而后拉伸剪切，形成流量计固定孔（X5），完成流量计固定槽（K2）逆向设计，并进行偏差分析，可知所创建实体模型偏差可控制在±0.05内，如图13所示。

图13　流量计固定槽逆向设计

3.4.3显示器固定槽设计

依据要素分析中所测得显示器各相关参数值，构建固定槽结构、尺寸（P6），然后经拉伸到曲面操作，创建显示屏固定槽特征（X6），再通过控制板下层特征曲面偏置8mm的曲面（X2）裁剪拉伸实体，确定固定槽高度为8mm，同时根据显示屏固定孔位置（P7），确定控制板上固定孔位置，经拉伸后形成圆柱固定孔（X7），完成显示屏固定槽特征创建（K3），且该固定槽符合水箱特征曲率，不会与水箱发生干涉，如图14所示。

图14　显示屏安装槽设计

各形态特征设计完成后，将各特征进行布尔运算，合并为同一整体，并进行倒角（K4）等特征编辑，完成原电热水器控制板的创新设计，新电热水器控制板参数化模型如图15所示。

图15　新电热水器控制板参数化模型

4　结束语

本文提出了基于形态分析法的逆向参数化建模方法，并分析了这种参数化建模方法的优势及其一般流程。以Geomagic Design X软件为平台，通过逆向创新设计电热水器控制板的参数化模型为例，证明了该建模方法可以使设计人员明确设计目的、设计对象、设计要求，通过对形态分析获取各单元要素，并对形状单元要素进行解构创建结构模型，由解构后映射关系图可使设计师直观了解模型原始设计意图，进而明确建模信息，掌握新产品相关结构设计知识，从而达到便于进行逆向参数化建模的目的。并以原始采集数据的多边形模型为依据，对参数化模型进行了误差分析，表明该参数化建模方法可在保证模型精度的基础上，进行产品再设计，为产品的逆向创新设计提供了一种有效地建模方法。

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Reverse parametric modeling based on the application of morphological analysis

CONG Hai-chen1， CHENG Si-yuan1， YANG Xue-rong1， LIU Ji-an2， ZHANG Xiang-wei1

中图分类号：TB21

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0115-05

收稿日期：2016-01-07

基金项目：广东省科技计划项目（2011A060901001，2013B061000006，2014A040401078）

作者简介：丛海宸（1991 -），男，山东人，硕士研究生，研究方向为逆向工程研究等。