逆向設計方法在家具建模中的應用

王琛?陸雪億?王希鈺?吳越

摘 要：逆向設計作為一種先進的設計方法，已經廣泛應用于工業產品的開發中。本文將逆向設計方法應用到家具產品的建模中，反向得到家具三維模型并進行二次創新，為家具產品的快速開發提供了一種新途徑。

關鍵詞：逆向設計;家具建模

當今是數字化設計時代，產品更新速度不斷加快。小批量、個性化是產品設計的主流。逆向設計技術改變了傳統從圖紙到實物的設計模式，按照產品引進、消化與創新的思路，根據已有產品模型反向推出產品的設計數據、三維模型和創新設計的過程，為產品的快速開發提供了一種新途徑，是一種產品再設計并超越現有產品的過程。

家具模型大都通過正向設計的方法創建。正向設計是由概念到三維模型再到實物模型的開發過程，通過各類三維建模軟件便可實現。然而，復雜模型的正向建模是正向設計的難點，如流線型產品、異形曲面組成的構件等。因此，將正逆向建模結合，通過逆向設計進行輔助模型開發，便可解決家具建模過程中出現的難題。同時，逆向設計不是簡單地把物體還原，其重要意義在于對重構模型進行研究分析，同時進行二次創新。因此，逆向設計作為一種先進的設計方法，可以廣泛應用于家具產品的開發中。

1 逆向設計方法

1.1 基于實體特征的逆向設計

基于實體特征的逆向設計是最簡單的逆向設計方法。需要將封裝好的點云文件導入逆向設計軟件中，新建參考平面，利用提取截面輪廓的功能，獲得模型在該平面下的二維曲線輪廓，再使用軟件中的正向建模工具，創建模型的實體特征，創建好的各實體特征使用布爾運算進行編輯，使模型變為一個整體。基于實體特征逆向設計得到的模型精度高、還原度高，可以直接用于生產制造。

1.2 基于曲面特征的逆向設計

基于曲面特征的逆向設計，通常用于復雜形體曲面模型的創建。利用軟件中的曲面擬合工具或手動方式創建曲面。面片擬合是將曲面擬合到單元面或領域上，從而可以得到與原曲面高度吻合的曲面，也可以通過手動方式，使用放樣、拉伸、回轉等命令生成模型的擬合輪廓曲面。基于曲面特征的逆向設計，重構得到的曲面模型大部分曲面偏差符合精度要求，對于不符合精度要求的模型，可以導入其他建模軟件，在其基礎上進行改進設計。

1.3 混合特征的逆向設計

混合特征的逆向設計是應用多種建模方法來完成模型的重構，包含基于實體特征的逆向設計方法和基于曲面特征的逆向設計方法，多用于實體特征和曲面特征并存的模型。一般設計思路為：先設計主要特征，再設計次要特征;先設計復雜特征，再設計簡單特征。混合特征的逆向設計模型往往存在一些誤差，但相對于正向模型重建過程，混合特征的逆向設計過程在對原始測量數據的處理和NURBS曲面重構方面具有無可比擬的優勢。

2 逆向設計實例

以明式圈椅模型的椅圈為例，傳統正向建模方式通過實地測繪或二維圖紙創建，但由于椅圈各截面形狀和尺寸是變化的，正向建模的方法較為復雜。因此，通過逆向設計方法可以輔助椅圈建模，建模方法如下：

首先，通過三維掃描儀將實物模型的椅圈掃描成點云數據，將三維掃描儀掃描的點云數據asc文件導入Geomagic Wrap軟件進行點云處理，去除體外孤點和雜點，表面光順后封裝，保存為stl文件。隨后，將封裝好的椅圈stl文件導入Geoagic Design X軟件進行逆向設計，主要逆向設計圈椅各零部件的外觀造型。創建坐標軸和基準平面，選擇基準平面繼續創建多個參照平面，對每個參照平面繪制面片草圖，在面片草圖與參考平面相交形成的輪廓線上進行圓擬合。擬合好一系列圓后，使用模型命令下的放樣功能，對封閉輪廓新建放樣實體，最終完成椅圈的逆向設計。最后，將逆向設計好的文件同步至UG軟件里進行榫卯結構設計，主要應用UG軟件的實體建模和裝配設計模塊。通過草圖、拉伸實體和布爾操作等命令，完成榫卯結構的制作。

3 結語

正向設計方法在家具建模中已經有廣泛的應用。逆向設計方法由于可以快速反求家具原型，具有高效性和實用性價值，適用于復雜家具模型的建模。因此，將逆向設計方法應用到家具產品的建模中，反向得到家具三維模型并進行二次創新，為家具產品的快速開發提供了一種新途徑。

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作者簡介：王琛，男，南京林業大學家居與工業設計學院實驗師，主要研究方向：工業設計工程。