郝恬

(武漢理工大學藝術與設計學院,湖北武漢 430070)

新產品開發(fā)中的順、逆向設計

郝恬

(武漢理工大學藝術與設計學院,湖北武漢 430070)

在當今激烈的市場競爭中,產品的質量就是企業(yè)的生命。產品設計已經開始導入順、逆向設計,這種技術實現(xiàn)了從“感性認識”到“理性認識”上的轉變,同時解決了人機工學、空氣動力學等方面的問題,也是現(xiàn)代新產品開發(fā)的重要手段。

產品開發(fā) 順、逆向設計 三維掃描 數(shù)模重建

1 傳統(tǒng)的順向設計

通常來說，一般意義上理解的傳統(tǒng)設計均指順向設計。設計師依據(jù)產品企劃時所制定的規(guī)劃，繪制草圖及效果圖，并且依據(jù)效果圖建構CAD幾何模型，進行CNC加工完成模型制作，然后討論修改，最后制造模具實現(xiàn)產品批量化生產。傳統(tǒng)的順向設計開發(fā)流程是一個成熟的、被廣泛應用的開發(fā)模式。在這種開發(fā)流程中，設計思維收放自如，限定相對較少，并能集合企業(yè)整體力量，進行主動的原創(chuàng)性設計，是一個從無到有的創(chuàng)造性過程。(如圖1）

圖1順向設計基本流程

具體來說，設計師進行草圖繪制、概念篩選，一旦選定合適的概念后，就會利用Adobe Photoshop、Illustrator或CorelDraw等二維繪圖軟件將創(chuàng)意呈現(xiàn)在計算機上，此階段稱為2D圖面階段。以2D圖面的形式給客戶提供初始方案，當然有時也會直接用手繪草圖來說明問題，這要根據(jù)各公司內部的設計流程和現(xiàn)場的具體情況而定。

當提案獲得客戶認同后，將進入三維數(shù)模繪制階段。通常運用Alias、Rhino等軟件;也有公司在此階段運用Pro/E、CATIA、UG等參數(shù)化軟件。此階段稱為3D圖面階段。實踐證明，Alias、Rhino軟件上手快，在輸出逼真的三維效果圖和瀏覽動畫時特別見長，這往往是設計師的首選;而Pro/E、CATIA、UG等參數(shù)化軟件，嚴格準確，方便修改的特點又往往受到工程師的青睞。

經過此階段之后，通常要進行模型(手板)制作，來驗證結構的準確性和裝配步驟的流暢性。設計師可能要反復修改3D圖面，以確保模具制作時的成本控制。最后是模具制作和批量化生產。

2 基于高技術下的逆向工程

高技術(High Technology，簡稱Hi-tech)的概念源于美國，是一個歷史的、動態(tài)的、發(fā)展的概念，是建立在現(xiàn)代自然科學理論和最新的工藝技術基礎上，處于當代科學技術前沿，能夠為當代社會帶來巨大經濟、社會和環(huán)境效益的知識密集、技術密集技術。

逆向工程(Reverse Engineering)又稱反求工程或逆向設計，就是近年發(fā)展起來的基于高技術背景的快速引進、消化、吸收先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合。它把已有的產品或技術作為研究對象，用現(xiàn)代設計理論、生產工程學、材料學、計量學、計算機技術及計算機圖形學和有關專業(yè)知識為基礎，運用設計人員的工程設計經驗和創(chuàng)新思維，以解剖、掌握對象的關鍵技術為目的，最終實現(xiàn)對研究對象的認識、再現(xiàn)及創(chuàng)造性地開發(fā)。其中，點云采集設備和數(shù)模重建軟件是逆向工程的核心。

2.1 點云采集設備

點云采集也叫三維掃描（如圖2）。

圖2

2.2 數(shù)模重建軟件

(1)Imageware。Imageware由美國EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。該軟件擁有廣大的用戶群，國外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Raytheon、Toyota等著名國際大公司，國內則有上海大眾、上海交大、上海 DELPHI、成都飛機制造公司等大企業(yè)。

(2)Geomagic Studio。由美國Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件Geomagic Studio可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉換為NURBS曲面。該軟件也是除了Imageware以外應用最為廣泛的逆向工程軟件。

Geomagic Studio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture五個模塊。其主要功能包括：

自動將點云數(shù)據(jù)轉換為多邊形(Polygons);

快速減少多邊形數(shù)目(Decimate);

把多邊形轉換為NURBS曲面;

曲面分析(公差分析等);

輸出與CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等)。

(3)CopyCAD。CopyCAD是由英國DELCAM公司出品的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或實體模型中產生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的CAD曲面的產生提供了復雜的工具。CopyCAD能夠接受來自坐標測量機床的數(shù)據(jù)，同時跟蹤機床和激光掃描器。

(4)RapidForm。RapidForm是韓國INUS公司出品的，RapidForm 提供了新一代運算模式，可以實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為3D掃描后處理之最佳化的接口。RapidForm 也將使工作效率提升，使3D掃描設備的運用范圍擴大，從而改善掃描品質。此軟件的優(yōu)勢是：多點云處理技術、快速點云轉換成多邊形曲面的計算法、彩色點云數(shù)據(jù)處理、點云合并功能。

RapidformXO Redesign(縮寫XOR)是一個創(chuàng)新的軟件方案，它能夠幫助工程師利用3D掃描資料和多邊形資料創(chuàng)作出參量CAD立體圖。XOR使用的是標準立體和平面造型工作流程和工程師所熟悉的用戶界面，因而這種軟件方案只需要很少的培訓，并且還能夠降低處理3D掃描資料所需要的時間，它還能制作出使用當今工程軟件所無法制作的最高質量的產品。任何人，只要會使用SolidWorks，CATIA，Pro/ENGINEER或Unigraphics都可以開始馬上使用XOR進行造型處理。

2.3 逆向設計的基本流程

簡單地說，逆向設計就是根據(jù)已存在的產品實物或模型反向推出產品的設計數(shù)據(jù)(包括設計圖紙或數(shù)字模型)的過程。詳細地說，就是使用專門的精密測量設備和數(shù)據(jù)采集、轉化設備，獲取現(xiàn)成產品或模型的表面形態(tài)參數(shù)甚至內腔參數(shù)，輸入專門的信息數(shù)據(jù)處理軟件，或者是帶有相應數(shù)據(jù)處理能力的CAD軟件進行優(yōu)化處理和模型重建，并在此基礎之上進行復制或結構設計乃至再創(chuàng)作。這樣反復調整之后的模型，可以利用現(xiàn)代快速成形技術制作模型樣機，并評估量產。逆向設計的流程分為以下步驟（如圖3）：

圖3 逆向設計基本流程

可以說，逆向設計是創(chuàng)新的重要手段之一，在運用逆向設計的時候我們應當注重對知識產權的尊重和保護，不能將逆向工程理解成“抄襲工程”。

3 順、逆向設計是提升產品設計的有效手段

在航空航天、汽車工業(yè)中，產品的外形不僅是為了美觀，更重要的是合乎空氣動力學的要求。在產品開發(fā)的初始階段就要認真考慮空氣動力性。常規(guī)的設計流程是，首先要根據(jù)造型需要來設計出結構，并制作出油泥模型，將其送到風洞實驗室，測量空氣動力學性能，然后再根據(jù)實驗結果對模型進行反復修改直到獲得滿意結果為止。最后將既美觀又合理的模型掃描進計算機，根據(jù)點云數(shù)據(jù)重建數(shù)字模型。大多企業(yè)會再用巨型CNC機床制作1：“1代木模型”，有的企業(yè)甚至將“代木模型”再去做風洞試驗，再調整，再掃描（如圖4）。

圖4 順、逆設計流程模型

在激烈的市場競爭中，產品的質量是企業(yè)的生命。小型的產品設計也開始采用順、逆向設計。就以“門把手”的設計為例，以往從圖紙到產品的過程是很難得到完美的產品，因為，沒有先做“把握”的實驗就生產出來產品。而現(xiàn)在的設計師首先繪制出美觀的效果圖，再用油泥制作1：1的模型，在這個過程中設計師深刻體會造型與手的接觸關系，不斷推敲修改，直至滿意。然后，就用三維掃描儀將油泥模型錄入計算機，以點云數(shù)據(jù)為參照，進行數(shù)模重建。這樣有利于修改手工對線條、曲面表現(xiàn)上的瑕疵，得到流暢、完美至極的數(shù)模。設計師會用代木或ABS塊料通過CNC機床進行切削加工獲取模型(手板);當然也會用SLA增材制造的手段進行實體驗證。甚至還可以用SLS燒制成蠟膜去鑄造合金。至此，就實現(xiàn)了從“感性認識”到“理性認識”上的轉變，同時解決了人機工學方面的問題。

在此要強調說明的一點就是“：效果圖”“、油泥模型”和“數(shù)模重建”最好是由一個人來完成。這樣，有利于對設計概念深層次地挖掘，這就要求現(xiàn)在的設計師對審美、手繪、計算機工程能力等知識要全面掌握。而以往那種所謂2D手繪、3D結構，分部門來完成的狀態(tài)也即將結束。產品設計不僅僅是提供一個漂亮的圖樣，而是一套系統(tǒng)的基于外觀和結構的數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的順向設計流程來說，順、逆向設計起到了事半功倍的作用。

[1]張三元,孫守遷,潘云鶴.基于產品反求工程的產品創(chuàng)新設計方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2000,12(11)：851-855.

[2]陳能林.工業(yè)設計概論[M].北京：中國機械工業(yè)出版社,2011.

郝恬,(1993—),女,山東青島人,武漢理工大學藝術與設計學院工業(yè)設計專業(yè)。