1 逆向工程原理及方法

　　1.1逆向工程概念

　　逆向工程可以把真實(shí)的零件或模型轉(zhuǎn)化為工程概念和數(shù)字模型，這種以實(shí)物模型為基礎(chǔ)的產(chǎn)品建模方法已經(jīng)成為CAD/CAM中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的方法和技術(shù)。逆向工程可以定義為“針對(duì)消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。它是以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物、軟件(包括圖紙、程序、技術(shù)文件等)或影像(圖像、照片等)作為研究的對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)原理、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)深入地分析和研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出同類(lèi)的更為先進(jìn)的產(chǎn)品。從定義上，我們不能僅僅把逆向工程看成是產(chǎn)品的復(fù)制、產(chǎn)品的簡(jiǎn)單再現(xiàn)，而是對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)和創(chuàng)新。這一點(diǎn)和工業(yè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新相吻合。圖1為基于逆向工程的再設(shè)計(jì)流程圖。從中可以看出三維數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和三維重構(gòu)是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)。

　　圖1逆向工程流程圖

　　1.2逆向工程的作用特點(diǎn)

　　逆向工程被廣泛地應(yīng)用到新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析檢測(cè)等領(lǐng)域，它的特點(diǎn)是：

　　1)縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度;

　　2)降低企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn);

　　3)加快產(chǎn)品的造型和系列化的設(shè)計(jì);

　　4)適合單件、小批量的零件制造，特別是模具的制造，可分為直接制模與間接制模法。直接制模法：基于RP技術(shù)的快速直接制模法是將模具CAD的結(jié)果由RP系統(tǒng)直接制造成型。該法既不需用RP系統(tǒng)制作樣件，也不依賴(lài)傳統(tǒng)的模具制造工藝，對(duì)金屬模具制造而言尤為快捷，是一種極具開(kāi)發(fā)前景的制模方法;間接制模法：間接制模法是利用RP技術(shù)制造產(chǎn)品零件原型，以原型作為母模、模芯或制模工具(研磨模)，再與傳統(tǒng)的制模工藝相結(jié)合，制造出所需模具。

　　1.3逆向工程實(shí)現(xiàn)的方法

　　在逆向工程中，準(zhǔn)確、快速和全面獲取實(shí)物原型的三維數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的一步。數(shù)據(jù)的好壞直接影響到逆向工程后期的成敗。數(shù)據(jù)的采集是指采用某種測(cè)量方法和設(shè)備測(cè)出實(shí)物表面的若干組點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)的方法有多種。按照與被測(cè)實(shí)體對(duì)象表面是否接觸，可以分為2類(lèi)：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。

　　傳統(tǒng)的方式是以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為代表的接觸式，精度相對(duì)精確，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造、電子、汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，除不適用軟物體之外，對(duì)所測(cè)物體的材質(zhì)和表面色澤無(wú)特殊要求;精度高，可與數(shù)控機(jī)床或加工中心配套使用，建立柔性制造系統(tǒng)。缺點(diǎn)是易于損傷測(cè)頭和劃傷對(duì)測(cè)零件的表面，同時(shí)價(jià)格昂貴，速度較慢，對(duì)環(huán)境要求高。

　　非接觸式主要是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取實(shí)體的三維信息。利用光學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代三維形狀測(cè)量方法應(yīng)用最為廣泛，如激光線(xiàn)結(jié)構(gòu)光掃描、投影光柵法、數(shù)字照相系統(tǒng)等方法。以及新出現(xiàn)的切層法、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)法，這2種方法可以對(duì)孔及內(nèi)部空腔的實(shí)體進(jìn)行測(cè)量。非接觸式測(cè)量由于受到測(cè)量介質(zhì)和控制的影響，測(cè)量精度沒(méi)有接觸式高，但具有測(cè)量速度快以及不用和實(shí)物接觸等優(yōu)點(diǎn)，在一些領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。

　　2適合工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集設(shè)備

　　工業(yè)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)革命的產(chǎn)物，是隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而孕育出來(lái)的，它以科學(xué)技術(shù)與文化藝術(shù)相結(jié)合為手段，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需要和社會(huì)效益為目的，以創(chuàng)造更為合理的生活方式為原則，通過(guò)人性化的造型設(shè)計(jì)，推出具有全新的產(chǎn)品，在滿(mǎn)足消費(fèi)者的前提下，獲得良好的市場(chǎng)地位和經(jīng)濟(jì)效益。楊振寧博士也曾預(yù)言：“21世紀(jì)將是工業(yè)設(shè)計(jì)的世紀(jì)，一個(gè)不重視工業(yè)設(shè)計(jì)的國(guó)家將成為明日的落伍者。”可見(jiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)在中國(guó)從一個(gè)制造強(qiáng)國(guó)到設(shè)計(jì)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變過(guò)程中將會(huì)起到不可替代的作用。

　　2.1 工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的特點(diǎn)

　　工業(yè)設(shè)計(jì)圍繞產(chǎn)品創(chuàng)新展開(kāi)，在對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)意前期，為了輔助設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，會(huì)制作相關(guān)的模型或不夠精細(xì)的數(shù)字原型來(lái)分析產(chǎn)品的造型、特點(diǎn)，用于產(chǎn)品的修改和方案的評(píng)價(jià)。因此模型在工業(yè)設(shè)計(jì)流程中起著很重要的作用，第1能夠感受產(chǎn)品概念的三維空間;第2可以分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。工業(yè)設(shè)計(jì)中實(shí)物模型在不同的設(shè)計(jì)階段又分為草模、精細(xì)模型、結(jié)構(gòu)模型等。設(shè)計(jì)方案確定以后工程師還要制作出高精度的CAD數(shù)字模型，從設(shè)計(jì)師到機(jī)械工程師之間的過(guò)渡，常常因?yàn)?者知識(shí)結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致產(chǎn)品造型脫離最初的創(chuàng)意構(gòu)思，同時(shí)現(xiàn)代產(chǎn)品越來(lái)越圓潤(rùn)、人性化，復(fù)雜的曲面對(duì)工程師更是一個(gè)挑戰(zhàn)，怎么能保證設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的高質(zhì)量曲面延續(xù)下來(lái)，怎么能保證創(chuàng)意的最大化保留是一個(gè)很大的問(wèn)題。而逆向工程方法在工業(yè)設(shè)計(jì)中的介入，可以作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和機(jī)械設(shè)計(jì)師之間一個(gè)橋梁，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量，加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)周期。

　　但工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域又不同與機(jī)械零件的加工制造。首先設(shè)計(jì)前期模型的加工制作精度沒(méi)有傳統(tǒng)制造領(lǐng)域高，主要用來(lái)產(chǎn)品的分析制造;其次，目前國(guó)內(nèi)工業(yè)設(shè)計(jì)公司規(guī)模普遍較小，高等院校的工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)發(fā)展歷史較短，在對(duì)逆向工程方面投入的資本有一定的受限;第3，工業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程較短，時(shí)間成為一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的方面。因此在選取測(cè)量設(shè)備時(shí)價(jià)格低、速度快、有一定精度的將為首選。高等院校工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)逆向工程實(shí)驗(yàn)室的建立，主要是為工業(yè)設(shè)計(jì)提供快速精致模型制作，輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)高校的設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。同時(shí)也為科研和教學(xué)提供了一個(gè)平臺(tái)。本校逆向工程實(shí)驗(yàn)室在建立的過(guò)程中，考慮了上面幾個(gè)因素，最后選取了非接觸式測(cè)量設(shè)備3DSS(Three Dimentional Sensing System)。

　　2.2非接觸式3DSS設(shè)備

　　3DSS是一種非接觸測(cè)量設(shè)備，能對(duì)任何材料的物體表面進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，如工件、模型、模具、雕塑、人體等。3DSS一次對(duì)一個(gè)面進(jìn)行投影照相測(cè)量。

　　3DSS的基本原理：測(cè)量時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測(cè)物體上，成一定夾角的2個(gè)攝像頭同步采得相應(yīng)圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測(cè)量原理，解算出2個(gè)攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。該方法測(cè)量速度快，精度較高，并且測(cè)量范圍大，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

　　3DSS便攜式三維照相測(cè)量?jī)x可隨意搬至工件位置做現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并可調(diào)節(jié)成任意角度作全方位測(cè)量，對(duì)大型工件可分塊測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)自動(dòng)拼合，非常適合各種大小和形狀物體(如汽車(chē)，摩托車(chē)外殼及內(nèi)飾，家電，雕塑等)的測(cè)量。

　　3DSS具備自動(dòng)標(biāo)定、參考點(diǎn)識(shí)別與測(cè)量、結(jié)構(gòu)光點(diǎn)云測(cè)量、多幅測(cè)量拼合等功能;系統(tǒng)包含測(cè)量硬件和測(cè)量軟件。硬件包括電腦、兩個(gè)攝像頭、結(jié)構(gòu)光投影裝置、三腳架.對(duì)采集的圖像進(jìn)行軟件處理，生成三維點(diǎn)云。并能進(jìn)行三維顯示。輸出點(diǎn)云文件，可用Surfacer，Ceomagic等軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理。如圖2，為掃描控制軟件主界面。

　　圖2掃描軟件主界面

　　2.3掃描流程及處理

　　設(shè)備在安裝好以后，安裝上掃描軟件。①掃描件的表面處理，對(duì)黑色、透明和反光件表面可適用顯影劑均勻噴涂;②啟動(dòng)，打開(kāi)攝像和投影功能;③調(diào)整掃描頭，調(diào)整攝像頭鏡頭;④采集，輸出.asc格式的點(diǎn)云文件;⑤在點(diǎn)云處理軟件Geomagic中進(jìn)行優(yōu)化處理，如圖3，為點(diǎn)云優(yōu)化前后對(duì)比;⑥根據(jù)點(diǎn)云重構(gòu)數(shù)字模型。

　　圖3點(diǎn)云優(yōu)化對(duì)比

　　掃描過(guò)程中需要主意的問(wèn)題：

　　1)環(huán)境光確保室內(nèi)燈光都關(guān)閉，采用交流電得到光源都使波動(dòng)會(huì)影響到測(cè)量效果;

　　2)表面處理物體的表面質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。物體較理想的表面狀況為亞光白色，通常可以給物體噴上一層白色顯像劑，不需要太厚，否則會(huì)影響到測(cè)量的精度;

　　3)多次測(cè)量若多次測(cè)量一個(gè)大的物體時(shí)，需要設(shè)定參考點(diǎn)，為后來(lái)點(diǎn)云合并提供參考。

　　2.4汽車(chē)模型掃描案例分析

　　在本案例中，通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生制作的實(shí)物模型為基礎(chǔ)，案例分析逆向工程在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程。

　　1)在工業(yè)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師首先根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查和相關(guān)的資料進(jìn)行分析，提出創(chuàng)意方向和設(shè)計(jì)定位。然后進(jìn)行設(shè)計(jì)概念的設(shè)計(jì)、評(píng)審、確定、模型制作等。圖4為設(shè)計(jì)師制作的實(shí)物汽車(chē)模型。

　　圖4汽車(chē)實(shí)物模型

　　2)對(duì)模型進(jìn)行表面處理，然后在在3DSS進(jìn)行掃描，形成多個(gè)不同視角的點(diǎn)云文件。圖5為其中一個(gè)視角的點(diǎn)云截圖。

　　圖5點(diǎn)云圖形

　　3)用Geomagic軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，按照Geomagic逆向造型的一般流程進(jìn)行處理：點(diǎn)處理階段，比如點(diǎn)的對(duì)齊、除噪、采樣補(bǔ)洞、點(diǎn)云合并等，如圖6;多邊形階段;成型階段，主要是提取特征線(xiàn)、邊界構(gòu)建、面片組織、面片光順等。最后比較曲面與點(diǎn)云之間的誤差，滿(mǎn)足精度要求后，輸出.igs文件，并導(dǎo)人CAID軟件Alias中，進(jìn)行曲面質(zhì)量分析、重建高質(zhì)量曲面，縫合曲面后輸出.STL文件，利用快速成型技術(shù)制作精細(xì)車(chē)模。為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)分析、制造提供數(shù)據(jù)。

　　圖6合并的點(diǎn)云圖形

　　3逆向工程對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的作用

　　目前市場(chǎng)上新產(chǎn)品層出不窮，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，產(chǎn)品的生命周期也越來(lái)越短。因此對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，“TQCS”：Time，最短的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期;Quality，最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì);Cost，符合目標(biāo)的設(shè)計(jì)制造成本;Service，最好的技術(shù)支持和售后服務(wù)。通過(guò)這些來(lái)贏得市場(chǎng)和用戶(hù)。因此要想設(shè)計(jì)出用戶(hù)想擁有的產(chǎn)品，就必須利用各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和制造方式，加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。因此工業(yè)設(shè)計(jì)中逆向工程的使用，對(duì)于新產(chǎn)品的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)必是如虎添翼。

　　3.1 快速制作產(chǎn)品設(shè)計(jì)樣品

　　產(chǎn)品模型樣品是產(chǎn)品的實(shí)體要素，也是直接提供給用戶(hù)的實(shí)體，是實(shí)質(zhì)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)形式。逆向工程能夠快速制作CAD模型，方便的輸出STL層文件，到快速成型機(jī)上產(chǎn)生精度較高的三維實(shí)體模型。而且可以應(yīng)用多種材料方便產(chǎn)生具有復(fù)雜曲線(xiàn)曲面的產(chǎn)品，使工業(yè)設(shè)計(jì)師以前所未有的直觀方式體會(huì)設(shè)計(jì)的感覺(jué)，感性而迅速的驗(yàn)證和檢查所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和外觀，從而使設(shè)計(jì)工作進(jìn)入一種全新的境界，改善了設(shè)計(jì)過(guò)程中的人機(jī)交流，可以使產(chǎn)品在造型、材質(zhì)、色彩等方面進(jìn)行創(chuàng)新。通過(guò)上面制作的模型，比傳統(tǒng)方式繪制的手繪圖紙、計(jì)算機(jī)效果圖、石膏和油泥模型更有優(yōu)勢(shì)，它是一個(gè)有質(zhì)感、機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)精細(xì)、有觸摸感的實(shí)物原型。能夠在短時(shí)間內(nèi)給設(shè)計(jì)師和工程師更多的信息，包括產(chǎn)品的外觀造型、尺寸大小、具體結(jié)構(gòu)和工作性能等詳細(xì)參數(shù)，為設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)和優(yōu)化提供了實(shí)用的參考。

　　3.2解決了工業(yè)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)之間的鴻溝

　　傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中，從設(shè)計(jì)到工程之間有著鴻溝。由于工業(yè)設(shè)計(jì)師對(duì)工程知識(shí)的相對(duì)缺乏，設(shè)計(jì)的很多造型工程師無(wú)法完成或?qū)崿F(xiàn)，工程師抱怨設(shè)計(jì)師太復(fù)雜、沒(méi)有考慮工程因素等等;相反的方面是工程師不能夠充分了解工業(yè)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，對(duì)一些曲面造型理解有所偏差，最后出來(lái)的產(chǎn)品失去了最初設(shè)計(jì)的感覺(jué)，甚至不停的修改使得工業(yè)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意面目全非，工業(yè)設(shè)計(jì)師又開(kāi)始抱怨工程師沒(méi)有按照他的創(chuàng)意來(lái)設(shè)計(jì)。因此2者怎樣協(xié)調(diào)工作，怎樣把創(chuàng)意延續(xù)是關(guān)鍵。逆向工程和快速成型技術(shù)搭配，從而有利于從實(shí)物模型到物理模型之間的轉(zhuǎn)換，減少返工，使設(shè)計(jì)師和工程師都滿(mǎn)意。基于以上分析，筆者通過(guò)圖示對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了改進(jìn)，如圖7。

　　圖7 逆向工程下的設(shè)計(jì)流程

　　4結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)踐證明，工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合逆向工程技術(shù)能優(yōu)化工業(yè)設(shè)計(jì)流程，加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力。