產品設計中的逆向工程技術應用研究

胡萍，干靜

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

產品設計中的逆向工程技術應用研究

胡萍，干靜

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

伴隨著人們生活水平的不斷提高，對產品的設計在注重實用性的同時還對產品外形提出了一定的要求。這意味著產品設計的難度比以前增加了許多，傳統的設計和加工模式已經不能滿足需求。為了滿足新形勢下對產品設計的需求，使產品既具備優良的性能又具有美觀的造型，就要大膽探索，充分引進逆向工程技術。

產品設計；逆向工程；應用

隨著數字技術不斷發展，以往工藝產品設計所用的計算機輔助正向開發設計模式已經有局限性，難以滿足產品設計中逆向工程的需要，這就要求對設計技術進行升級換代，使逆向工程技術能夠順利得到實施。

1 逆向工程的概念與主要技術

1.1 逆向工程的概念

逆向工程，亦稱逆向技術。它是基于產品設計技術再現原理的一種設計理念。通過對一項目標產品進行逆向分析及研究，對其處理流程、組織結構、功能特性及技術規格等設計要素進行還原出基本的模型，并根據這個模型為框架，設計出具有相近功能，但又不完全一樣的產品。利用逆向工程技術,可以讓產品開發更有目的性，達到節省時間、節省成本、提高效率等目的。

逆向工程的思路，最初是來自于商業及軍事領域中的硬件分析的。當時，在難以直接獲取產品信息的前提下，人們不得不直接根據產品的相關參數來對相關數據進行逆推。最終使逆向工程被提煉和升級為一門具有高度實用價值的應用科學。

1.2 逆向工程的主要技術

1.2.1 數字化測量

數字化測量是將許多復雜多變的信息轉變為可以度量的數字、數據，再以它們來建立起適當的數字化模型，把它們轉化為一系列二進制代碼，再通過計算機將這些二進制代碼進行統一處理的過程。

1.2.2 測量數據預處理

在進行逆向工程的主要工作之前，對相關數據首先進行一些分析處理。它可以說是逆向工程的預備工作。

1.2.3 三點云重建

三點云重建是指對三維物體建立起適合計算機表示和處理的數學模型，為后面運用計算機技術對其進行處理、操作和分析其性質打下鋪墊，它是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現實的關鍵技術。

1.2.4 點云配準

通過掃描采樣，獲得兩組有重復區域的點云數據，并選擇一個恰當的合適坐標，把兩組數據點云對齊及合并，統一在同一個坐標系下，來獲取被測物體的完整數據。其配準手段可以依靠手動，自動和儀器來完成。目前最常用的就是儀器配準。

1.2.5 誤差分析

對產品的理論數值和實際采測的數據進行比對，統計其誤差，并分析出產生誤差的原因，并通過采取相應的手段來盡可能地減少誤差。

1.3 逆向工程的國內外研究現狀

目前，關于逆向工程的研究已經在國外廣泛開展。我國雖然起步較晚，但也進展較快。

1.3.1 國外研究現狀

國外對于逆向工程的研究，起始于20世紀80年代，最初由日本名古屋工業研究所和美國UYP公司、美國3M公司開始這方面的試點，并開始逐漸受到學術界的重視。現在，對于逆向工程的研究已成為國外學術界的重要課題。目前國外不少高校和科研領域專門成立了大批關于逆向工程的研發部門，還誕生了一大批相應的制造公司及代工廠，并專門成立了這方面的基金會予以經濟上的贊助。

目前，國外在測量設備、數據處理軟件方面，都已經達到了相當高的水準，在CAD及CYM軟件開發上，開始集成逆向工程模塊。這方面有代表性的如UG NX5中的PointCloud等。現在，國外不少企業都把逆向工程大量運用于產品研發當中，有效地縮短了產品的研發周期，減少了企業的研發成本，使企業的市場競爭力進一步得到提高。

1.3.2 國內研究現狀

在過去，受限于我國的技術條件，對逆向工程方面的研究開展的比較少。自1995年左右起，逆向工程方面的研究受到扶持，各項研究成果不斷誕生。現在，我國在逆向工程方面的研究已經接近世界水平。在北京、寧波等地已經有了從事測量機研發的企業。

在數據處理軟件方面我國相對于世界先進水平來說還比較滯后，目前，我國對數據處理軟件的研究多限于一些工科名校如清華大學、上海交通大學、西安交通大學、華中科技大學等，有部分學者參與了對QuickFrom軟件的研制。隨著我國科技水平的不斷提高和生產力的不斷發展，我國對數據處理軟件的研究一定會取得更進一步的突破，參與研究課題的單位和個人會越來越多。

2 逆向工程技術在產品設計中的作用

2.1 有助于節省成本提高效率

在產品升級換代時，對原有產品進行改良設計，可以使用逆向工程技術，以原有的產品數據為基礎，進行CAD數字模型的修改、重構任務，從而縮短產品設計周期，降低產品開發風險，減少產品設計投入。明顯的節省了產品設計的成本，提高了產品設計的效率。

2.2 明確產品設計的方向

在進行產品設計時，一開始我們常常會因為缺乏產品尺寸方面的模型，難以測算出產品的大致尺寸，而在產品設計的方向上陷入盲目的狀態。此時，采用逆向工程技術，以比例模型為基礎設計出產品的CAD數字模型，就可以盡可能地測算出產品真實的尺寸來，進而得出產品的全尺寸模型，這樣使產品設計的方向更加清晰明了，設計出的產品模型更加精準，為產品后續的研發工作打下良好的基礎。

3 逆向工程技術在產品設計中的運用實例

3.1 實例描述

這里我們以動車座椅的設計實施過程為例，淺談逆向工程技術在產品設計中的運用。采用逆向工程技術來進行動車座椅設計，一共包括三大環節，分別是：第一，進行動車座椅產品模型的物理數據采集。第二，基于采集了物理數據結果——高密度點云的的產品模型，構建出動車座椅CAD數據模型。第三，通過對數據模型的特征參數不斷進行調整和修改，快速制造出動車座椅的數字模型。

運用逆向工程技術設計出的動車座椅，不僅具備可靠的質量，并符合人體工學原理，讓旅客乘坐起來安全舒適，而且能讓造型更加美觀，設計比例更加協調，使旅客看起來感到賞心悅目。

3.2 物理數據采集

在運用逆向工程進行動車座椅設計時，首先我們必須對同動車座椅相關的物理數據進行一系列采集。物理數據采集的方式很多，目前常用的有接觸式與非接觸式兩種。它們可以說是各有千秋。其中，接觸式采集法由于采用探頭直接采集產品模型的表面數據，可以獲得更加精確的獲得產品的坐標信息，并且還能迅速而精確地確定產品的基本形狀如平面、方形、圓形、橢圓形等。而非接觸式采集法則是通過對產品模型表面的反射光或折射光，來測算實物特征數據信息。比起接觸式采集法來，非接觸式采集法的測量速度更快，但后期需要較大的數據量，且對產品的基本形狀的測定精確度要低一些。此外，如果實物表面較為粗糙，那么測算出的數據就會難免出現誤差。這里，我們選用非接觸式采集法來采集動車座椅模型的物理數據，并形成高密度點云。

3.3 造型改良的設計

在進行動車座椅的改良升級時，我們同樣可以采用逆向工程技術，對原有的產品CAD模型進行修改和重構，這樣使得改良升級周期更短，開發風險更小，設計成本更少，并使新設計的動車座椅產品在原來的基礎上，造型設計更具精度，設計方案更加至臻完美，更加符合市場需求。

4 結語

逆向工程技術是一種進行工業設計的新型模式，它的誕生、發展和普及，有效地縮短了產品的開發周期，減少了產品開發中存在的風險，同時還減少了開發產品所需的成本。利用逆向工程技術對已有的產品進行快速獲取三維數據,通過對三維數據的處理,可以對產品模型進行重構,并進行優化設計、分析、驗證、修復等操作,是一種對產品進行快速設計的有效方法，可以說是一種能讓產品開發過程變得事倍功半的先進模式。目前，我國對于逆向工程技術的研發還處于起步階段，逆向工程技術在我國有著廣闊的發展空間和巨大的應用前景。

[1]孫文濤，董斌.產品設計中逆向工程技術應用研究[J].包裝工程，2014,5(20):121～124.

[2]葉德輝.基于逆向工程技術的改良性產品設計[J].制造業自動化，2011,11(25):66～69.

[3]趙少君，韓利紅.基于逆向工程技術在工業設計中的應用[J].湖南農機，2013,11(15):155～158.

TB472

A

1671-0711（2017）04（下）-0140-02