基于逆向工程技術的工業產品再設計課程實驗研究

[摘要]本文根據《工業產品再設計》課程大綱的要求和專業課程遞進關系，提出了一套基于逆向工程技術的產品改良設計實驗方案。實驗運用MORPHING設計方法得出設計結果。實際教學檢驗反映出學生對本項實驗具有濃厚的興趣，能夠理解和掌握實驗方法，并運用到后續專業課程和設計實踐中。

[關鍵詞]逆向工程；工業設計；改良設計；實驗研究

[DOI]1013939/jcnkizgsc201519037

《工業產品再設計》是一門關于如何在現有產品基礎上進行改進設計的工業設計專業課程。本課程針對天津工業大學工業設計專業二年級學生開設。逆向工程技術[1][2][3]是針對現有的產品或構造的實物或模型，基于三維數據獲取技術和設備進行測量，反求出包括造型、結構和材料等方面因素的初始設計意圖，并對其進行改良和再設計的工程技術和產品設計研發程序。是當前企業開發新產品時所廣泛使用的產品改良設計技術。因此，為工業產品再設計課程開設基于逆向工程技術的課程實驗，對于培養學生的設計實踐能力和就業技能，與產業前沿接軌具有實際意義。本文介紹一套難度適中，并且直觀有效的產品改良設計實驗。

1實驗方案設計

11實驗項目

本實驗為創新設計性實驗，允許學生一定的自由度。因此，不限定學生的具體設計項目，但建議學生選擇日用品、電子產品、文具、水具、醫療器械等產品。這些產品體量較小，工作量、難度適中，模型制作成本較低，易于實施產品再設計。

12實驗目的

本實驗在于使學生掌握應用逆向工程技術的工業產品改良設計方法，初步掌握MORPHING形態設計原理，糾正工業設計教學與實踐的過度感性化傾向。因此，要求學生：第一，明確指出本實驗對象設計所達到目標和程度；第二，明確指出本實驗運用的具體原理；第三，明確指出本實驗方法，包括算法、結論得出方法，實驗步驟的設計；第四，明確記錄實驗數據與得出實驗結果；第五，能夠指出實驗的局限和不足，能夠提出一定的改進措施。

13實驗原理

（1）基于逆向工程技術的產品再設計原理。

基于逆向工程技術的產品再設計就是利用三維數據獲取設備將產品實物與手工模型轉化為三維數據，并在其基礎上進行的改良設計。工業設計實驗室配備非接觸式光學數字化三維掃描儀與逆向工程、數據處理軟件，能夠滿足本實驗需要。

（2）MORPHING設計原理。MORPHING設計是由Shenchang Eric Chen[4]提出的產品形態設計方法。其原理是將不同形態的數據進行合成運算得到新的形態。Shih-Wen Hsiao[5]將四種均值算法運用于合成運算中，得到了多種設計形態。由于本實驗針對二年級本科生開設，他們已掌握初級曲面建模軟件，曲面建模軟件中具有曲線混合并創建新曲線的功能，可以模擬展示出混合權重。故建議學生采用Weighted Arithmetic Mean（WAM）法進行數據運算。運算公式為：C=w1×g1+w2×g2。其中，g1、g2為原始模型數據，C為新模型數據運算結果，w1、w2為加權系數，且w1+w2=1。

2實驗案例：仿生海馬牙刷造型設計

本實驗案例為產品仿生設計實驗，目的在于設計出具有海馬形態特征的牙刷造型。由于海馬形態與牙刷在線型走勢上接近，故本實驗在現有牙刷形態基礎上，融合海馬的抽象化形態特征，能夠設計出視覺效果理想的仿生形態牙刷。

21數據獲取

（1）利用油泥手工制作抽象海馬模型，并利用數字化三維掃描儀和Stereo 3D獲取三維模型數據（見圖1）。

（2）利用數字化三維掃描儀和Stereo 3D獲取牙刷三維模型數據。

22模型合成與運算

（1）將海馬與牙刷模型抽離等量截面輪廓線（圖2中上側為步驟21（1）中海馬截面輪廓線，下側為步驟21（2）中牙刷截面輪廓線）。

（2）將兩組截面輪廓線置于同一坐標系，調整位置與尺度。

（3）將兩組輪廓線進行合成運算，并采取不同的MORPHING比例，觀察變形結果，選擇最佳變形結果，（圖2中紅色）其結果為w1=6/10，w2=4/10。

（4）運用步驟（3）中結果，生成曲面。

（5）調整和重建步驟（4）中曲面，生成新曲面，得出最終形態。

23效果圖與產品樣品制作

（1）制作海馬仿生牙刷渲染效果圖。

（2）運用3D打印機制作海馬仿生牙刷實物模型。

3結論

本文介紹了適用于《工業產品再設計》課程的基于逆向工程技術的產品改良設計實驗，并列舉了實驗案例。本實驗已應用于2014年天津工業大學機械工程學院工業設計專業《工業產品再設計》課程。實驗案例表明：基于逆向工程技術，運用MORPHING設計方法，能夠高效地完成產品改良設計學習任務，并且設計效果良好。實驗結果與設計效果取決于目標產品形態與手工抽象模型形態。本實驗方法能夠廣泛地應用于產品仿生設計與產品改良設計中，具有較高的實用價值。通過實驗教學環節，使學生掌握了運用逆向工程技術進行產品改良設計的設計方法，激發了學生的學習興趣，培養了與產業前沿接軌的專業技能，糾正了部分學生純感性化設計的傾向，提高了學生對工業設計專業的認知度。

參考文獻：

[1]肖堯先，王細洋，柯映林基于實物模型的反求工程造型應用[J].機械設計與制造，2002（3）：77-78

[2]李釩，武殿梁，洪軍，等基于工業設計和先進制造技術的產品快速開發[J].制造業自動化，2002（4）：25-29

[3]張明春，楊玲逆向工程技術及其在工業設計中的應用[J].機電產品開發與創新，2009（2）：86-88

[4]Chen，S C and Parent，R E ‘Shape averaging and its applications to industrial design[J].IEEE Computer Graphics and Applications，1989（9）：47-54

[5]Shih-Wen Hsiao， Jiun-Chau ChuangA reverse engineering based approach for product form design[J]. Design Studies，2003，24（2）：155-171.