周小東，成思源，楊雪榮

(1．廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2．廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006)

0 前言

數(shù)字化浪潮推動(dòng)社會(huì)飛速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈，尤其是工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)更加白熱化，企業(yè)必須充分吸收和利用現(xiàn)代高新技術(shù)成果以增強(qiáng)它們的競(jìng)爭(zhēng)能力，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是工業(yè)企業(yè)，尤其是制造業(yè)必須邁過(guò)的第一道門(mén)檻［1］。競(jìng)爭(zhēng)的特征也發(fā)生了變化，當(dāng)今社會(huì)正處于由工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代邁向知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的進(jìn)程中，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，決定制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵是新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)能力，企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力決定其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力［2］。逆向工程技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要途徑，對(duì)于提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和滿足個(gè)性化的需要有著重要的意義。

1 面向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程

隨著逆向工程技術(shù)的不斷發(fā)展，逆向工程已經(jīng)成為聯(lián)系新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，被廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、摩托車、飛機(jī)、模具等產(chǎn)品的改型與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，成為消化、吸收先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段［3］。面向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程是一個(gè)“實(shí)物原型—還原實(shí)物—新產(chǎn)品”的過(guò)程，也是一種綜合運(yùn)用多種先進(jìn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)新的設(shè)計(jì)方法。再設(shè)計(jì)過(guò)程是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，為了方便產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)，首先在逆向建模時(shí)應(yīng)構(gòu)建出符合原始設(shè)計(jì)意圖的并可方便后續(xù)修改的數(shù)字模型，然后對(duì)于不同模型提供方便再設(shè)計(jì)的各種手段［4］。本文作者提出了逆向工程技術(shù)中混合建模再設(shè)計(jì)和正逆向軟件相結(jié)合的兩種再設(shè)計(jì)方法，即提出了處理表面數(shù)字化后的模型的兩種途徑，其一是先經(jīng)過(guò)逆向過(guò)程中的前處理過(guò)程，包括點(diǎn)云預(yù)處理、多邊形階段處理、擬合出面等操作，然后再借助正向設(shè)計(jì)軟件經(jīng)過(guò)正向處理過(guò)程，包括編輯曲面、創(chuàng)建實(shí)體等操作，最后完成整個(gè)實(shí)體的重建;其二是在一個(gè)逆向工具中完成整個(gè)模型的重建，該逆向工具融合了正逆向設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、點(diǎn)云網(wǎng)格化、特征的提取和編輯等操作。在這兩種途徑中都可以完成模型的再設(shè)計(jì)過(guò)程，最后將再設(shè)計(jì)后的實(shí)體模型進(jìn)行快速制造，生產(chǎn)出新的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，將逆向工程再設(shè)計(jì)獲得的參數(shù)化模型與創(chuàng)新設(shè)計(jì)、快速成型相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)面向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程流程，如圖1所示。

圖1 面向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程流程

2 基于逆向工程的再設(shè)計(jì)方法

2．1 基于正逆向軟件相結(jié)合的再設(shè)計(jì)

基于正逆向軟件相結(jié)合的再設(shè)計(jì)是在沒(méi)有產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)三維測(cè)量技術(shù)獲得產(chǎn)品表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后借助逆向建模的軟件，將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列的預(yù)處理得到光順的曲面，并保存為通用的格式，最后將這些曲面導(dǎo)入正向三維CAD設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行裁剪、延伸等操作，完成實(shí)體的再設(shè)計(jì)過(guò)程，并得到產(chǎn)品的CAD模型。在文中介紹了逆向建模軟件Geomagic Studio和正向設(shè)計(jì)軟件SolidWorks在基于正逆向軟件相結(jié)合的再設(shè)計(jì)過(guò)程，并給出了設(shè)計(jì)流程圖，Geomagic Studio逆向建模流程如圖2(a)所示，正向CAD建模軟件SolidWorks建模流程如圖2(b)所示［5］。

圖2 正逆向軟件相結(jié)合的建模流程

從逆向建模的流程圖可以看出，逆向軟件Geomagic Studio在擬合曲面階段，能夠很好的保證曲面表面的重構(gòu)精度，同時(shí)這一過(guò)程為參數(shù)化的過(guò)程，有利于模型在正向軟件中進(jìn)行再設(shè)計(jì)，當(dāng)將曲面導(dǎo)入正向軟件SolidWorks中，不僅能方便地編輯曲面，而且在創(chuàng)建實(shí)體時(shí)，能夠進(jìn)行草圖的繪制和特征的修改。

2．2 基于逆向工程的混合建模設(shè)計(jì)

混合建模是指在同一軟件工具中完成正逆向相結(jié)合的建模與再設(shè)計(jì)過(guò)程。在文中介紹的正逆向混合設(shè)計(jì)過(guò)程中用到的逆向工具是Geomagic Design Direct，它是一款新的逆向軟件，Geomagic Design Direct內(nèi)置了業(yè)界最強(qiáng)大的掃描數(shù)據(jù)處理和編輯工具以及豐富的直接建模CAD軟件包，它在一個(gè)完整的軟件包中無(wú)縫結(jié)合了即時(shí)掃描數(shù)據(jù)處理、CAD設(shè)計(jì)、功能強(qiáng)大的三維點(diǎn)和網(wǎng)格編輯、裝配構(gòu)造和二維草圖創(chuàng)建。Geomagic Design Direct的建模優(yōu)勢(shì)在于其融合了逆向建模技術(shù)和正向設(shè)計(jì)方法的長(zhǎng)處，具有強(qiáng)大的基于三維網(wǎng)格面模型的截面線特征與規(guī)則特征的提取編輯功能，以及基于二維截面與實(shí)體特征的正向設(shè)計(jì)建模功能?？梢灾苯訉?duì)原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何形狀重構(gòu)得到原產(chǎn)品的實(shí)體CAD模型，能夠準(zhǔn)確還原原始的設(shè)計(jì)意圖，并通過(guò)正向建模工具對(duì)實(shí)體特征及其相互之間的約束關(guān)系進(jìn)行編輯修改以實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)。在Geomagic Design Direct中混合建模流程如圖3所示。

圖3 Geomagic Design Direct中混合建模流程圖

基于Geomagic Design Direct的逆向建模，所提取的特征為參數(shù)化的特征，有利于實(shí)體的再設(shè)計(jì)過(guò)程，從流程圖的再設(shè)計(jì)部分，可以看出，在軟件中能方便地快速修改設(shè)計(jì)、清理?yè)p壞的幾何體、調(diào)節(jié)尺寸、新建2D繪圖以及更多操作，提高了實(shí)體建模的效率。

3 基于優(yōu)化仿真的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

仿真優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造向可預(yù)測(cè)制造、科學(xué)制造轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)引起科學(xué)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注［6］。在逆向工程中，通過(guò)再設(shè)計(jì)的方法構(gòu)造出原型的CAD模型，對(duì)有些使用要求較高的零件，并不能直接加工出來(lái)使用，往往需要將反求出來(lái)的CAD模型導(dǎo)入一些仿真系統(tǒng)中，比如機(jī)械中常用的ANSYSWorkbench、Dynaform等，并給定其約束，求出仿真結(jié)果，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化到合理的情況下才生產(chǎn)出來(lái)使用。首先將重建的CAD模型導(dǎo)入到仿真軟件中，在前處理過(guò)程中，可以建立有限元模擬的模型，比如劃分網(wǎng)格、設(shè)置密度、材料的類型、載荷等，前處理操作完成后，提交求解器進(jìn)行仿真計(jì)算，然后在后處理器中，可以查看分析計(jì)算的結(jié)果，比如位移應(yīng)力云圖，通過(guò)查看后處理結(jié)果，來(lái)評(píng)價(jià)重構(gòu)后的模型，具體流程圖如圖4所示。如果未能達(dá)到要求，可以根據(jù)仿真的結(jié)果在對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行優(yōu)化后再進(jìn)行仿真驗(yàn)證，直到滿足要求為止，如果處理的模型滿足要求，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如在結(jié)構(gòu)或者功能上進(jìn)行改進(jìn)，最后可以輸出新的模型結(jié)果。

圖4 仿真優(yōu)化流程圖

4 快速成型

快速成型(Rapid Prototyping簡(jiǎn)稱RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種全新先進(jìn)制造技術(shù)，其主要是通過(guò)把合成材料堆積起來(lái)生成的形狀加工技術(shù)，由于RP技術(shù)可將CAD的設(shè)計(jì)構(gòu)想快速、精確而又經(jīng)濟(jì)地生成可觸摸的物理實(shí)體、從而可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)估、修改、和部分的功能試驗(yàn)，有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，以快速提供市場(chǎng)需要的產(chǎn)品［7］。根據(jù)成型方法的不同，快速成型技術(shù)一般可以分為兩個(gè)種類，一種是基于激光或其他光源的成型技術(shù)，主要有光固化成型(SL)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層實(shí)體制造(LOM)、形狀沉積成型(SDM)等;另一種為基于噴射的成型技術(shù)，主要有熔融沉積成型(FDM)、3D打印、多相噴射沉積(MJD)［8］。

在快速成型的技術(shù)中，其核心是將復(fù)雜的三維特征轉(zhuǎn)化成二維的橫截面加工過(guò)程，逆向工程與快速成型的制造技術(shù)的結(jié)合過(guò)程就是在已有模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)重構(gòu)出原型的CAD模型，并進(jìn)行快速制造獲得其物理模型，可以通過(guò)對(duì)物理模型的檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)其重構(gòu)質(zhì)量，其結(jié)合流程圖如圖5所示［9］。這一結(jié)合的技術(shù)將從根本上改變傳統(tǒng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、制造模式，解決了一些復(fù)雜形體的三維建模，難以加工出實(shí)物模型的問(wèn)題，形成了一個(gè)包括設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)的快速設(shè)計(jì)制造閉環(huán)反饋系統(tǒng)，這就大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期［10］。從而快速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

圖5 逆向工程與快速成型流程圖

5 應(yīng)用實(shí)例

在文中采用案例的是一支架模型，選擇在Geomagic Design Direct中實(shí)現(xiàn)混合建模，完成再設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)三維掃描設(shè)備獲取其表面的兩片點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6(a)、6(b)所示，然后導(dǎo)入到Geomagic Design Direct中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，首先選擇“對(duì)齊對(duì)象”將兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊并優(yōu)化，對(duì)齊后的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6(c)所示，接著將對(duì)齊的點(diǎn)云經(jīng)過(guò)一系列的著色、采樣、降噪后，選擇“封裝”，將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化成多邊形網(wǎng)格，同時(shí)選擇“合并”將兩片多邊形網(wǎng)格合并成一整體的多邊形網(wǎng)格如圖6(d)所示，然后將多邊形網(wǎng)格面?zhèn)魉偷皆O(shè)計(jì)窗口中提取特征，在提取特征的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要選擇在“草圖”模式下對(duì)其截面線進(jìn)行編輯、再設(shè)計(jì)操作如圖7(a)所示，先重構(gòu)出支架的主要輪廓，最后選擇“拉動(dòng)”命令，將兩個(gè)分開(kāi)的部分融合成一整體，并對(duì)有些結(jié)構(gòu)處進(jìn)行圓角處理如圖7(b)所示，最終的模型如圖8所示。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖7 支架再設(shè)計(jì)過(guò)程

圖8 重構(gòu)后的支架

在實(shí)例中選擇了其中一種再設(shè)計(jì)的途徑，通過(guò)實(shí)例可以看出，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以編輯和修改截面線特征，同時(shí)在后期可以在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如圓柱體的長(zhǎng)度，根據(jù)仿真計(jì)算增加支架上端的接觸面以增加其承受載荷等以滿足不同的需要，待模型重建完成后，可以保存為STL文件，然后把STL文件輸入到快速成型機(jī)里面，經(jīng)過(guò)快速成型技術(shù)可以得到實(shí)物模型，這樣就可以對(duì)模型的各方面進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)，有助于加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的流程。

6 結(jié)論

逆向工程在實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中有著重要的意義，還原實(shí)物僅僅是逆向工程的初步階段，更為重要的是基于原型的再設(shè)計(jì)、再分析、再創(chuàng)造，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，文中對(duì)逆向工程中的再設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，提出了基于正逆向軟件相結(jié)合的及混合建模的兩種逆向工程再設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了其再設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)可以將再設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行仿真優(yōu)化與快速制造，有助于產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)“還原實(shí)物—再設(shè)計(jì)—快速制造”的整個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路，對(duì)面向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程技術(shù)發(fā)展有一定的借鑒意義。

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