工业设计中的逆向工程技术

　　随着工业技术水平及人们生活质量、教育水平、审美水平的提高，互联网的普及，普通消费者对产品的质量要求、品味也在不断地提高，人们已不仅仅满足于产品的基本功能，对产品的使用性能和外观的要求也逐年提高，这些因素决定着产品在市场上的销售曲线。如何快速有效地适应市场的变化，设计出具有优美形态的产品，逆向工程技术的出现，无疑为工业设计注入了新的方法和技术支持。

　　一 逆向工程及其应用概述

　　传统的产品设计开发流程通常是从概念设计到工程图，再制造出产品，我们称之为正向工程(或正向设计)，而产品的逆向工程是根据已有的实物(或零件或模型)生成工程图，再制造产品。根据逆向对象的不同，逆向工程可分为实物逆向、软件逆向、影像逆向三个类别。在工业设计领域中逆向工程的实际应用主要有以下几个方面：(1)新产品的设计开发，主要用于新产品的创新设计或改型设计;(2)已有产品的复制，再现原产品的设计意图;(3)损坏或磨损产品的还原;(4)复杂产品的特征断面设计提取;(5)数字化模型的检测，如可以检测产品的形变、焊接质量等以及进行模型的比较;(6)在美学与工程设计同等重要的领域，如交通工具设计领域，广泛采用真实比例的模型来评估产品的美学和工程是否适合批量生产，此时逆向工程起到了关键性的作用。

　　逆向工程也称为反求工程、反向工程、三坐标点测绘、三坐标的造型、抄数等。它是由已有产品或实物模型通过关键设备精准测绘，认真剖析其设计意图并构建其CAD模型，从而较快地实施产品设计方案的先进技术手段。

　　二 逆向工程实施的硬件条件和软件条件

　　1.逆向工程硬件条件

　　在应用逆向工程技术设计时，需将设计对象(模型或零件)进行三维数据的采集。因此，硬件检测设备是逆向工程的核心硬件。目前的测量技术常用的有坐标测量法、激光线结构光扫描、层切图像法、投影光栅法。常见的物体三维几何形状的测量方法分为接触式测量与非接触式两大类。接触式是传统的测量方式，测量过程中探头与模型表面接触，其典型代表为机械三坐标测量仪(CMM)。此种测量技术已发展得较为成熟，其突出优点是精度高(可达±0.5μm)，对被测对象的材质和表面处理一般无特殊要求，对于只测物体表面特征曲面的零件，该测量方法非常适合。但由于该方法是接触式测量，容易损伤探头和划伤被测物体表面，不能对软材质和超薄形物体进行测量，难以实现快速测量。非接触式测量是以现代光学为基础，融合了电子学、计算机图形学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。相对于接触式测量方法，非接触式有众多优点：扫描速度快(可达到10000个坐标点/秒)、扫描精度高、对细微部分的扫描精度也不受影响。目前非接触式测量方法比较具有代表性的是激光三角法及投影光栅法。

　　2.逆向工程软件条件

　　逆向工程的软件众多，但无论选用哪个逆向设计软件，其逆向设计本质是一样的，即利用软件所提供的各项工具，按照逆向建模的一般流程，即数据的输入—线—曲面进行的。将建模策略、曲面结构分析和逆向工程设计流程紧密结合，才能很好地完成曲面重构。

　　与正向CAD建模软件相比，逆向工程软件具有数据处理、特征识别、曲线拟合编辑修改、曲面造型及高级几何处理、CAD/CAM/CAE集成等优点。目前，专门用于逆向工程的软件有Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、Rapid Form四大专业逆向工程软件，一些大型的CAD软件也都为逆向工程提供了设计模块，如Creo(Pro/E升级版)、CATIA等都有相应的逆向工程设计模块。而对于工业设计专业的学生、设计师常用的三维建模软件是Rhino或Alias，Rhino有相应的逆向工程设计插件RhinoResurf来加强逆向设计，可以快速地从网格模型的基础上重构出覆盖模型的NURBS曲面块，曲面精度比较好，光滑度高，曲面之间的拼接连续性可达到G1连续。 Alias是目前最为专业的工业设计软件，集正向设计与逆向设计于一体的强大工业设计软件。

　　三 逆向工程技术在工业设计实践中的应用

　　本文选用Alias软件作为实践软件，Alias软件是集正向和逆向为一体的专业工业设计软件，巧妙地将设计与工程、艺术和科学连接起来，广泛应用于汽车设计领域。Alias逆向工程就是用Alias提供的工具按一般逆向流程，即点云处理—曲线生成/处理—曲面生成/处理流程。本文以汽车后视镜为例进行简要说明。

　　1.点云的处理

　　在Alias中的点云数据一般是以三角网格面的方式显示的，因此也常常被称为网状点云。通常在Alias中的点云的处理方式有：(1)减少点云数量，从理论上来讲，网状点云的数量越多，曲面的显示精度就越高，但如果点云数据超过一定的数据量，不但没有提高显示精度，反而会影响Alias软件的操作速度。(2)拆分点云、剪切点云，通常产品都具有对称性，保留一半的点云数据，重构一半的曲面，再利用Alias的层对称很容易得到整体曲面。本文处理后的后视镜点云数据，如图3所示。

　　2.曲面拓扑分析

　　在进行逆向重构曲面前，对产品的整体形态与局部形态的分析是必要的，分析曲面的拓扑结果，有助于顺利完成重构曲面。大体的思路同正向建模一样，分析出基础曲面(也叫大面)和过渡曲面以及倒角，以及过渡全面与基础曲面是如何连接的。打开曲面曲率检查有助于分析曲面的拓扑结构。

　　3.特征线提取

　　Alias的特征线的提取主要依靠截面线进行。Alias提供Cross Section Edit工具创建X、Y、Z三个方向上的截面线，可以根据实际要求选择三个方向，并可控制其疏密度，过疏或过密都对曲面重构不利。本文的例子中三个方向都选，Alias可自动分成X、Y、Z三色图层，红绿蓝(RGB)三色，正是代表XYZ三个方向，如图4所示。

　　图3 处理后的点云数据 图4 截面线

　　Cross Section Edit工具创建的点云数据截面线，由于其数据量大，与点云贴合紧密，不适合直接作为重构曲面的特征线，因此，要创建高质量的新曲线来拟合截面线。主要利用Fit Curve自动拟合工具创建高质量曲线，所谓高质量曲线有两个原则：CV(Control Vertex)点排列光顺，尽量少的CV点;高曲率的位置多放置CV点，低曲率的位置少放置CV点。

　　4.曲面重构

　　依据曲面拓扑分析，按照基础面—过渡面的建模思路重构曲面。对于逆向重构曲面，保证重构曲面与点云的贴合度是关键，利用特征线通过四边面、路径扫描、曲面拉伸等工具构建基础面，然后反复运用高级建模工具进行倒角作面、光顺对齐、混接曲面得到过渡曲面，整个过程中通过拉动CV点来保证曲面与点云贴合度是常用的办法。最终完成曲面。

　　5.数据的评估

　　为了让数据能够顺利地输出给下游的工程软件，防止破面、少面等状况，以及保证数据的质量，必须对数据进行评估和处理。评估内容包括：检查有理性、圆周性、有无重复节点、曲面的法向是否统一等。

　　四 结束语

　　逆向工程对工业设计本身而言只是一项先进的工具手段，和设计师本身的理念、创意并没有太大的关系，但掌握了这项先进的设计手段之后将对设计师理念的再现、创意的阐述起到关键的作用。相信这项技术必将推动工业设计达到新的高度。Alias同时具有正向与逆向、精确与灵活的特点，并将设计与工程、艺术与科学连接起来，对于工业设计师进行产品设计具有重要意义。