蓝牙音箱逆向设计与创新研究

曹素红 吕肖男

摘  要：利用逆向工程技术可借助现有产品造型实现功能改进，帮助设计师提高设计效率，实现设计创新。文章以一款电话造型的蓝牙音箱为例，重点介绍了逆向工程技术在产品创新设计中的实现方法，探讨了采用逆向设计方法进行创新设计时的技术要点。

关键词：逆向工程技术;创新;Geomagic软件

中图分类号：TN912.26      文献标志码：A     文章编号：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，即利用三维扫描仪获取样件表面信息，经逆向软件处理后，再进行数字化模型重构，进而加工出产品的一种先进制造技术。逆向工程技术优势在于可借助现有产品外观，实现功能改良，或者造型改进，可节省设计周期，因此在产品创新设计中具有比较大的实用空间。

随着逆向设计及3D打印技术的发展，个性化定制产品的需求呈现增加的趋势。本文采用逆向设计手段，对某仿真复古电话储钱罐进行改进，设计出一款电话造型的蓝牙音箱，丰富了一般蓝牙音箱的简单造型，实现了快速设计、个性化设计，进而总结出采用逆向设计手段进行产品创新时需要注意的地方。

1 创新过程分析

爱因斯坦曾指出：“提出（发现）一个问题往往比解决一个问题更为重要……提出新的问题、新的可能性，从新的角度看旧问题，就需要创造性的想象力……”。颜惠庚在《技术创新方法实战》一书指出，所谓问题，就是系统应该或希望具有的理想状态与其目前状态之间的差距。因此，无论采用正向或逆向设计方法，首先务必明确要解决的问题。例如本设计，设计目标围绕如何改变蓝牙音箱的外观造型。采用逆向设计手段，通过现有产品设计一个新产品，首先应在分析功能和造型结构基础上，分析两个产品之间的相似相通之处及改进的可行性。新产品的功能必须稳定、完善，外观造型应美观、协调，改进设计不应牵强生硬，且符合一定的人机工程学设计原理。其次，分析功能硬件结构，确定硬件构成、尺寸规格及安装固定方式。第三，采集样件外观数据，处理后重新构建CAD数字模型，再根据装配需求进行结构设计。大部分新产品除外观有所变更外，由于添加了硬件，结构上都需要有改进，而此时设计者必须从材料、生产工艺、经济成本等多个方面进行考虑，科学设计。最后，利用3D打印技术快速制造样机，检验功能硬件与壳体的装配关系，找出问题，完善数字模型。反复修改，最终完成新产品的创新设计。

2 硬件结构分析

蓝牙音箱一般由外壳、芯片、扬声器、电池及USB接口组成。硬件结构是外壳尺寸和固定结构设计的依据，设计前须反复试验，以期硬件达到十分稳定的功能，确定硬件结构。本设计采用某类型蓝牙芯片，尺寸不足30×15mm，体积小，且自带USB接口，可直接通过数据线供电，也可选择电池供电，功能比较稳定。

3 逆向设计过程

3.1 外壳数据采集

三维扫描仪包括光栅三维扫描仪（也称拍照式三维扫描仪）和激光扫描仪。光栅三维扫描包括白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪可分为点激光、线激光、面激光。光栅三维（白光扫描）扫描仪工作原理是首先将白光投射到被测物体上，使用两个有夹角的摄像头对物体进行同步取像，之后对所取图像进行解码、相位操作等计算，最终对物体各像素点的三维坐标进行计算。而激光扫描仪采用的是激光测距的方式，即通过对被测物体表面大量点的三维坐标、纹理、反射率等信息的采集，来对其线面体和三维模型等数据进行重建。

工业产品逆向设计中光栅三维扫描仪和激光扫描仪都适用，具体采用哪种类型扫描仪需要根据扫描范围、扫描精度要求、设备成本而定。为了保证逆向设计的精度，保证重构模型对原型的还原度，外观数据扫描时应保证：（1）数据完整;（2）杂点、噪音点尽量少;（3）点云尽量规整平滑;（4）保留其原始特征。扫描前需要粘贴标记点，粘贴要求如图1所示。

3.2 点云数据处理

由于受外界光线和被测工件表面质量的影响，采集数据时经常会出现一些异常点，影响曲面重构的精确性。为保证后续曲面重构数据的精确性，需要去除这些异常点，故在进行模型的逆向重构前需要先对扫描所得点云数据进行预处理。目前比较流行的点云处理工具是Geomagic Wrap和Geomagic Studio软件，利用该软件可以将三维扫描获得的.TXT格式的三维点数据转化为.STL格式的三角面片，最终处理结果如图2所示。

3.3 逆向建模

逆向设计核心是数字化模型重构，一般来说，要求新模型的精度高，与原型之间偏差小，模型重构时首先要根据产品造型结构特点进行建模分析。以电话机机座逆向设计为例，该机座主要由底座造型、侧面曲面构成的基础主体和上面的电话支架、拨号盘等造型构成。基础主体为曲面形状，可以采用领域组拟合方法创建曲面，底座造型和支架部分的造型采用面片草图的方式，由平面直接截切面片，得到这一特征的断面轮廓，再根据轮廓曲线绘制图形，采用拉伸等命令创建实体或者曲面。最后采用曲面切割实体的方式，以及实体合并的方式得到完整的电话机座造型。

需要注意一点，采用逆向工程进行创新设计时，并非所有结构都必须使用逆向软件来实现，需要保留的外观造型应进行重构，而其他结构部分采取正向手段也可实现，本例中，拨号盘将被设计成音箱的喇叭，安装扬声器，因此拨号盘不需要进行逆向建模，而是在其他建模软件，如Pro/Engineering软件中采用正向建模方式进行造型设计，如图3所示。是否采取逆向或正向建模，需要根據产品中结构的设计要求而定。

同样道理，开关和USB接口也采用Pro/Engineering软件进行正向设计，电话机座主要建模过程如图4所示。

4 创新设计

采用逆向手段对产品外壳进行重构之后，即获得了基于现有产品的外观CAD三维数据，在此基础上设计者需根据装配要求进行结构完善。本例中，需要将机座底部做成可拆卸结构，以便安装蓝牙电路。因此需要再为其设计个底板。底板建模可在Pro/Engineering软件中完成。Pro/Engineering软件是比较常用的工业产品设计软件，它的装配模块可以实现关联零件之间的尺寸配合设计。通过装配模型参照电话机座尺寸进行底板的正向建模，这样设计的优势是使后者与前者完美吻合，形成一个完整的音箱腔体。同时，在Pro/Engineering软件中完成电池、芯片和线路的固定结构设计。

此外，利用逆向获得的CAD三维数据丰富产品功能也十分方便，本例中在音箱壳体内中间偏下方的位置设计一块隔离储钱空间，这样可以在现有产品功能基础上提升其使用价值。

5 结束语

逆向工程作为产品创新设计方法之一，其优势在于可借助现有产品外观造型实现快速设计，并有助设计人员发挥创造力，从功能上进行创新。基于逆向技术进行创新设计时，并非只可以采用逆向建模手段，而是根据结构特点和设计需要，灵活使用正向建模和逆向建模手段。

参考文献：

[1]刘勇，郭晟，等.3D逆向技术在复杂曲面产品反求设计中的应用[J].模具制造技术，2016，12：63-66.

[2]张春卿.基于Geomagic的小家电产品的逆向设计[J].中国现代教育装备，2016，3：99-101.

[3]刘军华.基于多个软件综合应用的塑料件逆向设计[J].科技与创新，2019，8：132-133.

[4]曹素红，姚念进.Pro/Engineer野火版5.0产品造型设计项目式教程[M].机械工业出版社，2016，8.

[5]成思源，杨雪荣.Geomagic Design X逆向设计技术[M].清华大学出版社，2017.

[6]颜惠庚，杜存臣.技术创新方法实战-TRIZ训练与应用[M].化学工业出版社，2006，3.