周峰

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為了迎合不斷變化的市場需求，產(chǎn)品的更新是越來越快。顯然，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿足這一發(fā)展的需要。在這背景下應(yīng)運(yùn)而生的現(xiàn)代設(shè)計(jì)，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的指導(dǎo)過程中變得越來越來重要。本文通過實(shí)例分析反求設(shè)計(jì)的過程，講述反求設(shè)計(jì)對在三維建模重構(gòu)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：反求設(shè)計(jì)；建模重構(gòu)；UG

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.228

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，新的科技成果層見迭出，不斷推動(dòng)著生產(chǎn)力的發(fā)展和社會的進(jìn)步。中國在機(jī)械工程領(lǐng)域起步較晚，基礎(chǔ)較為薄弱，反求設(shè)計(jì)的應(yīng)用對于我國科技進(jìn)步和發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學(xué)科。以滿足市場產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時(shí)間、成本、價(jià)格綜合效益最優(yōu)為目的，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為主體，以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段，研究、改進(jìn)、創(chuàng)造產(chǎn)品和工藝等活動(dòng)過程所用到的技術(shù)和知識群體的總稱[1]。在相關(guān)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行綜合系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)計(jì)算，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作跨越了一個(gè)新的臺階。

2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀

中國是一個(gè)制造業(yè)大國，但還未擠入世界制造業(yè)強(qiáng)國之列。與國際設(shè)計(jì)水平相比，仍差距較大。為更快的縮短差距，我們需要學(xué)習(xí)引進(jìn)國際先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，消化和吸收，不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)觀念，學(xué)習(xí)并逐步采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，讓中國制造不再是“山寨”的代名詞。而反求設(shè)計(jì)就是針對消化吸收先進(jìn)技術(shù)的系列分析方法、應(yīng)用技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的組合。

3 反求設(shè)計(jì)在三維建模的應(yīng)用

3.1 反求設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

反求設(shè)計(jì)是指先對產(chǎn)品實(shí)物樣件進(jìn)行數(shù)字化處理，然后利用逆向工程軟件生成CAD數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步用CAD/CAE/CAM軟件實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)，并進(jìn)行自動(dòng)編程，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的過程。整個(gè)過程有效縮短設(shè)計(jì)和制造周期，更能夠體現(xiàn)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的優(yōu)越性。其中通過數(shù)據(jù)的采集和處理重構(gòu)實(shí)物的三維原型是其關(guān)鍵步驟。

3.2 反求設(shè)計(jì)的步驟

曲線、面的構(gòu)建是模型重構(gòu)的基礎(chǔ)。其常用的模型重構(gòu)方法是將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過插值或逼近擬合成樣條曲線，再利用造型軟件完成曲面的造型，最后對曲面進(jìn)行剪切、過渡和拼合等曲面編輯，進(jìn)而得到完整的CAD三維模型[2]。以現(xiàn)狀較為流行的逆向工程軟件 Imageware和建模軟件UG的三維模型重構(gòu)方法為例，反求設(shè)計(jì)流程圖：

3.2.1 數(shù)據(jù)的采集

目前物體表面幾何數(shù)據(jù)獲取方法多種多樣，可通過傳感技術(shù)、控制技術(shù)、圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)技術(shù)。按其工作原理和結(jié)構(gòu)分類，可分為接觸式和非接觸式。接觸式是指測頭與被測物體直接接觸獲取數(shù)據(jù)信息，比如三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）。非接觸式測量可分為光學(xué)測量法、超聲波法和磁共振 （MRI） 等[3]。在逆向工程中，通常采用三維光學(xué)掃描儀或激光掃描儀等測量裝置來進(jìn)行產(chǎn)品表面點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。

3.2.2 數(shù)據(jù)的處理

通過激光三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以方便地獲取物體表面信息，這些信息通過大量點(diǎn)來表達(dá)，通常稱為點(diǎn)云（Point Cloud）。采集得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)，我們要用逆向設(shè)計(jì)軟件，這里我們采用 Imageware 對點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括噪聲過濾、排序、刪減、拼合、分割及特征點(diǎn)的提取等。

（1）去除雜點(diǎn)。受設(shè)備和環(huán)境因素的影響，掃描會有大量無用點(diǎn)的存在，為方便后續(xù)工作的展開，可以進(jìn)行去除。

（2）數(shù)據(jù)拼合。受設(shè)備的限制，有些產(chǎn)品需多方位掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，多次掃描后每塊點(diǎn)云的坐標(biāo)位置發(fā)生了變化，利用逆向軟件使得坐標(biāo)重合進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼合。

（3）數(shù)據(jù)精簡。在不損失模型特征的情況下利用逆向軟件對點(diǎn)云進(jìn)行有效的精簡壓縮，可以大大的提高工作效率。

3.2.3 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)可以說是反求設(shè)計(jì)的一個(gè)核心及主要的目的，是依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)恢復(fù)曲面形狀建立模型并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分析和再設(shè)計(jì)的過程。UG NX是當(dāng)今世界上較為流行的 CAD/CAM/CAE 軟件之一。模型曲面重構(gòu)過程一般是對采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合生成出特征線，然后利用特征線擬合生成出曲面，曲面之間還可以進(jìn)一步縫合、過渡或者加厚，最后分析和優(yōu)化以得到更合理的實(shí)體模型。

例如罩殼曲面重構(gòu)的基本思路：

4 反求設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用

隨著人們對于反求設(shè)計(jì)的認(rèn)識不斷深入，以及相關(guān)的軟硬件逐漸普及的日益完善，其快捷、簡便、直觀等特點(diǎn)日益凸顯，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。在新產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)中當(dāng)設(shè)計(jì)師難以直接用計(jì)算機(jī)進(jìn)行初始外形設(shè)計(jì)，這就需要通過反求設(shè)計(jì)將實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為三維CAD模型。對于某些構(gòu)造復(fù)雜的設(shè)備，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)組等，在實(shí)際使用中大部分故障都是由于某一零部件的損壞而引起的。若很難重新加工一個(gè)新的零件更換，則需要通過反求設(shè)計(jì)的技術(shù)及再制造技術(shù)相結(jié)合來還原該部件，這樣便可以快速生產(chǎn)這些零部件的替代件。

5 總結(jié)

近年來反求設(shè)計(jì)作為一種與傳統(tǒng)生產(chǎn)加工方式有著顯著差異的技術(shù)迅速發(fā)展，這對于我國先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)有著很大的推動(dòng)作用。反求設(shè)計(jì)技術(shù)能夠更快地應(yīng)對不斷變化的市場需求，達(dá)到提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約成本的目的，真正實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的并行開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許智欽，孫長庫.3D 逆向工程技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，2002.

[2]吳永強(qiáng).精通UG NX 5+Imageware 逆向工程設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008（01）.

[3]張鄂.現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2007.