藍牙音箱逆向設計與創新研究

曹素紅 呂肖男

摘 ?要：利用逆向工程技術可借助現有產品造型實現功能改進，幫助設計師提高設計效率，實現設計創新。文章以一款電話造型的藍牙音箱為例，重點介紹了逆向工程技術在產品創新設計中的實現方法，探討了采用逆向設計方法進行創新設計時的技術要點。

關鍵詞：逆向工程技術;創新;Geomagic軟件

中圖分類號：TN912.26 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：2095-2945（2019）35-0031-02

Abstract： The use of reverse engineering technology can use the existing product modeling to achieve functional improvement， help designers to improve design efficiency and achieve design innovation. Taking a Bluetooth speaker modeled by telephone as an example， this paper mainly introduces the realization method of reverse engineering technology in product innovative design， and discusses the technical key points of innovative design by using reverse design method.

Keywords： reverse engineering technology; innovation; Geomagic software

引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE），又稱反求工程，即利用三維掃描儀獲取樣件表面信息，經逆向軟件處理后，再進行數字化模型重構，進而加工出產品的一種先進制造技術。逆向工程技術優勢在于可借助現有產品外觀，實現功能改良，或者造型改進，可節省設計周期，因此在產品創新設計中具有比較大的實用空間。

隨著逆向設計及3D打印技術的發展，個性化定制產品的需求呈現增加的趨勢。本文采用逆向設計手段，對某仿真復古電話儲錢罐進行改進，設計出一款電話造型的藍牙音箱，豐富了一般藍牙音箱的簡單造型，實現了快速設計、個性化設計，進而總結出采用逆向設計手段進行產品創新時需要注意的地方。

1 創新過程分析

愛因斯坦曾指出：“提出（發現）一個問題往往比解決一個問題更為重要……提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，就需要創造性的想象力……”。顏惠庚在《技術創新方法實戰》一書指出，所謂問題，就是系統應該或希望具有的理想狀態與其目前狀態之間的差距。因此，無論采用正向或逆向設計方法，首先務必明確要解決的問題。例如本設計，設計目標圍繞如何改變藍牙音箱的外觀造型。采用逆向設計手段，通過現有產品設計一個新產品，首先應在分析功能和造型結構基礎上，分析兩個產品之間的相似相通之處及改進的可行性。新產品的功能必須穩定、完善，外觀造型應美觀、協調，改進設計不應牽強生硬，且符合一定的人機工程學設計原理。其次，分析功能硬件結構，確定硬件構成、尺寸規格及安裝固定方式。第三，采集樣件外觀數據，處理后重新構建CAD數字模型，再根據裝配需求進行結構設計。大部分新產品除外觀有所變更外，由于添加了硬件，結構上都需要有改進，而此時設計者必須從材料、生產工藝、經濟成本等多個方面進行考慮，科學設計。最后，利用3D打印技術快速制造樣機，檢驗功能硬件與殼體的裝配關系，找出問題，完善數字模型。反復修改，最終完成新產品的創新設計。

2 硬件結構分析

藍牙音箱一般由外殼、芯片、揚聲器、電池及USB接口組成。硬件結構是外殼尺寸和固定結構設計的依據，設計前須反復試驗，以期硬件達到十分穩定的功能，確定硬件結構。本設計采用某類型藍牙芯片，尺寸不足30×15mm，體積小，且自帶USB接口，可直接通過數據線供電，也可選擇電池供電，功能比較穩定。

3 逆向設計過程

3.1 外殼數據采集

三維掃描儀包括光柵三維掃描儀（也稱拍照式三維掃描儀）和激光掃描儀。光柵三維掃描包括白光掃描或藍光掃描等，激光掃描儀可分為點激光、線激光、面激光。光柵三維（白光掃描）掃描儀工作原理是首先將白光投射到被測物體上，使用兩個有夾角的攝像頭對物體進行同步取像，之后對所取圖像進行解碼、相位操作等計算，最終對物體各像素點的三維坐標進行計算。而激光掃描儀采用的是激光測距的方式，即通過對被測物體表面大量點的三維坐標、紋理、反射率等信息的采集，來對其線面體和三維模型等數據進行重建。

工業產品逆向設計中光柵三維掃描儀和激光掃描儀都適用，具體采用哪種類型掃描儀需要根據掃描范圍、掃描精度要求、設備成本而定。為了保證逆向設計的精度，保證重構模型對原型的還原度，外觀數據掃描時應保證：（1）數據完整;（2）雜點、噪音點盡量少;（3）點云盡量規整平滑;（4）保留其原始特征。掃描前需要粘貼標記點，粘貼要求如圖1所示。

3.2 點云數據處理

由于受外界光線和被測工件表面質量的影響，采集數據時經常會出現一些異常點，影響曲面重構的精確性。為保證后續曲面重構數據的精確性，需要去除這些異常點，故在進行模型的逆向重構前需要先對掃描所得點云數據進行預處理。目前比較流行的點云處理工具是Geomagic Wrap和Geomagic Studio軟件，利用該軟件可以將三維掃描獲得的.TXT格式的三維點數據轉化為.STL格式的三角面片，最終處理結果如圖2所示。

3.3 逆向建模

逆向設計核心是數字化模型重構，一般來說，要求新模型的精度高，與原型之間偏差小，模型重構時首先要根據產品造型結構特點進行建模分析。以電話機機座逆向設計為例，該機座主要由底座造型、側面曲面構成的基礎主體和上面的電話支架、撥號盤等造型構成。基礎主體為曲面形狀，可以采用領域組擬合方法創建曲面，底座造型和支架部分的造型采用面片草圖的方式，由平面直接截切面片，得到這一特征的斷面輪廓，再根據輪廓曲線繪制圖形，采用拉伸等命令創建實體或者曲面。最后采用曲面切割實體的方式，以及實體合并的方式得到完整的電話機座造型。

需要注意一點，采用逆向工程進行創新設計時，并非所有結構都必須使用逆向軟件來實現，需要保留的外觀造型應進行重構，而其他結構部分采取正向手段也可實現，本例中，撥號盤將被設計成音箱的喇叭，安裝揚聲器，因此撥號盤不需要進行逆向建模，而是在其他建模軟件，如Pro/Engineering軟件中采用正向建模方式進行造型設計，如圖3所示。是否采取逆向或正向建模，需要根據產品中結構的設計要求而定。

同樣道理，開關和USB接口也采用Pro/Engineering軟件進行正向設計，電話機座主要建模過程如圖4所示。

4 創新設計

采用逆向手段對產品外殼進行重構之后，即獲得了基于現有產品的外觀CAD三維數據，在此基礎上設計者需根據裝配要求進行結構完善。本例中，需要將機座底部做成可拆卸結構，以便安裝藍牙電路。因此需要再為其設計個底板。底板建模可在Pro/Engineering軟件中完成。Pro/Engineering軟件是比較常用的工業產品設計軟件，它的裝配模塊可以實現關聯零件之間的尺寸配合設計。通過裝配模型參照電話機座尺寸進行底板的正向建模，這樣設計的優勢是使后者與前者完美吻合，形成一個完整的音箱腔體。同時，在Pro/Engineering軟件中完成電池、芯片和線路的固定結構設計。

此外，利用逆向獲得的CAD三維數據豐富產品功能也十分方便，本例中在音箱殼體內中間偏下方的位置設計一塊隔離儲錢空間，這樣可以在現有產品功能基礎上提升其使用價值。

5 結束語

逆向工程作為產品創新設計方法之一，其優勢在于可借助現有產品外觀造型實現快速設計，并有助設計人員發揮創造力，從功能上進行創新。基于逆向技術進行創新設計時，并非只可以采用逆向建模手段，而是根據結構特點和設計需要，靈活使用正向建模和逆向建模手段。

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