逆向工程技術在工業設計實踐中的應用

【摘 要】文章首先介紹了逆向工程技術及其在工業設計領域中的應用，然后介紹了在工業設計中采用逆向工程技術所需的硬件條件及軟件條件，并應用Alias軟件進行案例實踐來闡述在具體產品設計實踐中應用逆向工程技術的實施過程和需注意的問題。

【關鍵詞】逆向工程 工業設計 Alias 曲面重構

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674－4810（2012）09－0060－02

隨著工業技術水平及人們生活質量、教育水平、審美水平的提高，互聯網的普及，普通消費者對產品的質量要求、品味也在不斷地提高，人們已不僅僅滿足于產品的基本功能，對產品的使用性能和外觀的要求也逐年提高，這些因素決定著產品在市場上的銷售曲線。如何快速有效地適應市場的變化，設計出具有優美形態的產品，逆向工程技術的出現，無疑為工業設計注入了新的方法和技術支持。

一 逆向工程及其應用概述

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱為反求工程、反向工程、三坐標點測繪、三坐標的造型、抄數等。它是由已有產品或實物模型通過關鍵設備精準測繪，認真剖析其設計意圖并構建其CAD模型，從而較快地實施產品設計方案的先進技術手段。

傳統的產品設計開發流程通常是從概念設計到工程圖，再制造出產品，我們稱之為正向工程（或正向設計），而產品的逆向工程是根據已有的實物（或零件或模型）生成工程圖，再制造產品。根據逆向對象的不同，逆向工程可分為實物逆向、軟件逆向、影像逆向三個類別。在工業設計領域中逆向工程的實際應用主要有以下幾個方面：（1）新產品的設計開發，主要用于新產品的創新設計或改型設計；（2）已有產品的復制，再現原產品的設計意圖；（3）損壞或磨損產品的還原；（4）復雜產品的特征斷面設計提取；（5）數字化模型的檢測，如可以檢測產品的形變、焊接質量等以及進行模型的比較；（6）在美學與工程設計同等重要的領域，如交通工具設計領域，廣泛采用真實比例的模型來評估產品的美學和工程是否適合批量生產，此時逆向工程起到了關鍵性的作用。

逆向工程主要包括三個步驟：模型數字化點云數據處理和曲面重構。如圖1所示：

圖1 逆向工程流程

二 逆向工程實施的硬件條件和軟件條件

1．逆向工程硬件條件

在應用逆向工程技術設計時，需將設計對象（模型或零件）進行三維數據的采集。因此，硬件檢測設備是逆向工程的核心硬件。目前的測量技術常用的有坐標測量法、激光線結構光掃描、層切圖像法、投影光柵法。常見的物體三維幾何形狀的測量方法分為接觸式測量與非接觸式兩大類。接觸式是傳統的測量方式，測量過程中探頭與模型表面接觸，其典型代表為機械三坐標測量儀（CMM）。此種測量技術已發展得較為成熟，其突出優點是精度高（可達±0.5μm），對被測對象的材質和表面處理一般無特殊要求，對于只測物體表面特征曲面的零件，該測量方法非常適合。但由于該方法是接觸式測量，容易損傷探頭和劃傷被測物體表面，不能對軟材質和超薄形物體進行測量，難以實現快速測量。非接觸式測量是以現代光學為基礎，融合了電子學、計算機圖形學、信息處理、計算機視覺等科學技術為一體的現代測量技術。相對于接觸式測量方法，非接觸式有眾多優點：掃描速度快（可達到10000個坐標點/秒）、掃描精度高、對細微部分的掃描精度也不受影響。目前非接觸式測量方法比較具有代表性的是激光三角法及投影光柵法。

2．逆向工程軟件條件

與正向CAD建模軟件相比，逆向工程軟件具有數據處理、特征識別、曲線擬合編輯修改、曲面造型及高級幾何處理、CAD/CAM/CAE集成等優點。目前，專門用于逆向工程的軟件有Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、Rapid Form四大專業逆向工程軟件，一些大型的CAD軟件也都為逆向工程提供了設計模塊，如Creo（Pro/E升級版）、CATIA等都有相應的逆向工程設計模塊。而對于工業設計專業的學生、設計師常用的三維建模軟件是Rhino或Alias，Rhino有相應的逆向工程設計插件RhinoResurf來加強逆向設計，可以快速地從網格模型的基礎上重構出覆蓋模型的NURBS曲面塊，曲面精度比較好，光滑度高，曲面之間的拼接連續性可達到G1連續。Alias是目前最為專業的工業設計軟件，集正向設計與逆向設計于一體的強大工業設計軟件。

逆向工程的軟件眾多，但無論選用哪個逆向設計軟件，其逆向設計本質是一樣的，即利用軟件所提供的各項工具，按照逆向建模的一般流程，即數據的輸入—線—曲面進行的。將建模策略、曲面結構分析和逆向工程設計流程緊密結合，才能很好地完成曲面重構。

三 逆向工程技術在工業設計實踐中的應用

本文選用Alias軟件作為實踐軟件，Alias軟件是集正向和逆向為一體的專業工業設計軟件，巧妙地將設計與工程、藝術和科學連接起來，廣泛應用于汽車設計領域。Alias逆向工程就是用Alias提供的工具按一般逆向流程，即點云處理—曲線生成/處理—曲面生成/處理流程，如圖2所示。本文以汽車后視鏡為例進行簡要說明。

1．點云的處理

在Alias中的點云數據一般是以三角網格面的方式顯示的，因此也常常被稱為網狀點云。通常在Alias中的點云的處理方式有：（1）減少點云數量，從理論上來講，網狀點云的數量越多，曲面的顯示精度就越高，但如果點云數據超過一定的數據量，不但沒有提高顯示精度，反而會影響Alias軟件的操作速度。（2）拆分點云、剪切點云，通常產品都具有對稱性，保留一半的點云數據，重構一半的曲面，再利用Alias的層對稱很容易得到整體曲面。本文處理后的后視鏡點云數據，如圖3所示。

2．曲面拓撲分析

在進行逆向重構曲面前，對產品的整體形態與局部形態的分析是必要的，分析曲面的拓撲結果，有助于順利完成重構曲面。大體的思路同正向建模一樣，分析出基礎曲面（也叫大面）和過渡曲面以及倒角，以及過渡全面與基礎曲面是如何連接的。打開曲面曲率檢查有助于分析曲面的拓撲結構。

3．特征線提取

Alias的特征線的提取主要依靠截面線進行。Alias提供Cross Section Edit工具創建X、Y、Z三個方向上的截面線，可以根據實際要求選擇三個方向，并可控制其疏密度，過疏或過密都對曲面重構不利。本文的例子中三個方向都選，Alias可自動分成X、Y、Z三色圖層，紅綠藍（RGB）三色，正是代表XYZ三個方向，如圖4所示。

圖3 處理后的點云數據 圖4 截面線

Cross Section Edit工具創建的點云數據截面線，由于其數據量大，與點云貼合緊密，不適合直接作為重構曲面的特征線，因此，要創建高質量的新曲線來擬合截面線。主要利用Fit Curve自動擬合工具創建高質量曲線，所謂高質量曲線有兩個原則：CV（Control Vertex）點排列光順，盡量少的CV點；高曲率的位置多放置CV點，低曲率的位置少放置CV點。

4．曲面重構

依據曲面拓撲分析，按照基礎面—過渡面的建模思路重構曲面。對于逆向重構曲面，保證重構曲面與點云的貼合度是關鍵，利用特征線通過四邊面、路徑掃描、曲面拉伸等工具構建基礎面，然后反復運用高級建模工具進行倒角作面、光順對齊、混接曲面得到過渡曲面，整個過程中通過拉動CV點來保證曲面與點云貼合度是常用的辦法。最終完成曲面，如圖5所示。

5．數據的評估

為了讓數據能夠順利地輸出給下游的工程軟件，防止破面、少面等狀況，以及保證數據的質量，必須對數據進行評估和處理。評估內容包括：檢查有理性、圓周性、有無重復節點、曲面的法向是否統一等。

四 結束語

逆向工程對工業設計本身而言只是一項先進的工具手段，和設計師本身的理念、創意并沒有太大的關系，但掌握了這項先進的設計手段之后將對設計師理念的再現、創意的闡述起到關鍵的作用。相信這項技術必將推動工業設計達到新的高度。Alias同時具有正向與逆向、精確與靈活的特點，并將設計與工程、藝術與科學連接起來，對于工業設計師進行產品設計具有重要意義。

參考文獻

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〔責任編輯：龐遠燕〕