本文針對武漢產(chǎn)品外觀設(shè)計過程中逆向工程技術(shù)的應用進行了探討，重點討論了與外觀設(shè)計緊密聯(lián)系的反求技術(shù)的運用及最新發(fā)展動向，并就相關(guān)問題提出了自己的看法。通過進一步的研究尋找快速、準確、高效的武漢產(chǎn)品外觀設(shè)計方法是這篇文章的宗旨.
1、引言
作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進技術(shù)的重要手段, 逆向工程和快速原型技術(shù)可以勝任消化外來技術(shù)成果的要求。它們的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)模式, 大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。
當今，各個行業(yè)越來越注重產(chǎn)品的外觀設(shè)計，以此來吸引顧客，最終在商業(yè)上取得成功。這點在消費產(chǎn)品的設(shè)計中體現(xiàn)的尤為突出。特別是手機、數(shù)碼相機、汽車等行業(yè)。
1.1 逆向工程及其應用范圍
在工業(yè)領(lǐng)域，往往會碰到根據(jù)模型或?qū)嵨飦順?gòu)建其三維數(shù)字模型的需求。這就用到了逆向工程技術(shù)，逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量即數(shù)字化采樣，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重建實物的CAD數(shù)字模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造的過程。
逆向工程在工業(yè)制造領(lǐng)域的實際應用主要包括以下幾個方面：
a)新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品改型或仿型設(shè)計；
b)已有零件的復制和仿制，再現(xiàn)原產(chǎn)品設(shè)計．復雜產(chǎn)品仿制等；
c)損壞或磨損零件的還原，以便修復或重制；www.dolcn.com
d)產(chǎn)品的檢測，例如檢測分析產(chǎn)品的變形，檢測焊接質(zhì)量等，以急對加工產(chǎn)品與三維數(shù)字化模型之間的誤差進行分析。
在制造業(yè)中，逆向工程已成為消化吸收新技術(shù)和二次開發(fā)的重要建徑之一。作為改進設(shè)計的一種重要手段，它有效地加快了新產(chǎn)品響應市場的速度。同時，逆向工程也為快速原型提供了很好的技術(shù)支持．成為制造業(yè)信息傳遞重要而簡沽的途徑之一。
另外．逆向工程在文化藝術(shù)、醫(yī)學領(lǐng)域也有較好的應用，包括根據(jù)木制或泥塑模型進行藝術(shù)美學設(shè)計，數(shù)字文物和數(shù)字博物館，虛擬手術(shù)等。
2、逆向工程的結(jié)構(gòu)體系
逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成: 產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD 模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。
(1) 數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步,其方法的得當直接影響到是否能準確、快速、完整地獲取實物的二維、三維幾何數(shù)據(jù), 影響到重構(gòu)的CAD 實體模型的質(zhì)量, 并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
(2) 數(shù)據(jù)處理
對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進行CAD 模型重建前, 必須進行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。
(3) 模型重建
將處理過的測量數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng), 依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建出原型的CAD 模型。
3、逆向工程研究及應用現(xiàn)狀
3.1基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀
在逆向工程的基礎(chǔ)研究方面，國內(nèi)外已做了大量的工作，主要集中在CAGD領(lǐng)域的曲面重構(gòu)和實體重構(gòu)算法研究。國際市場目前已出現(xiàn)了不少商用的逆向工程軟件系統(tǒng)。國內(nèi)有關(guān)逆向工程的基礎(chǔ)研究也在不少單位內(nèi)展開，如浙江大學、華中理工大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學等，并取得了一定成果。
由于曲面重構(gòu)的復雜性，逆向工程領(lǐng)域還有很多問題值得研究，包括曲面重建和體視化技術(shù)、曲面造型方法、特征檢測等。
3.2應用研究現(xiàn)狀
作為先進制造技術(shù)的重要組成部分，逆向工程的應用研究已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點之一。
逆向工程廣泛應用于產(chǎn)品改型或仿型設(shè)計。西門子電氣的逆向工程小組通過對渦輪葉片進行逆向設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計方案，在不到12天的時間內(nèi)就開發(fā)出了用于其它方面的新型渦輪，目前該套系統(tǒng)已開始對外提供逆向工程應用服務。采用光學掃描儀對水泵葉輪進行數(shù)據(jù)采集，通過逆向設(shè)計完成水泵葉輪的三維造型。另外，在汽車的改型設(shè)計中奇瑞和通用都無一例外的應用了逆向工程技術(shù)。
在破舊零件的復原設(shè)計方面，2000年，波音公司應用逆向工程技術(shù)對波音747的尾翼進行了復原設(shè)計，并在一個工作日內(nèi)制造出了零件，為老式飛機的維修和零件更換提供了快捷途徑。
逆向工程在產(chǎn)品檢測和誤差分析方面也有較好的應用。早在90年代初．NASA就應用逆向工程技術(shù)開展了一項重要研究，就是研究X-38飛行器與其CAD設(shè)計模型之間的匹配精度和誤差，以分析和驗證CFD(計算流體力學)模擬的準確度。最近，AMT公司借助非接觸的撒光掃描儀和CAI（計算機輔助檢測)技術(shù)來提高零件檢驗的速度。掃描數(shù)據(jù)輸入CAI軟件，與CAD設(shè)計模型進行比較和誤差分析并自動生成檢驗報告。之前，AMT檢驗一個零件需要半天時間設(shè)置和數(shù)小時運行；現(xiàn)在只需半小時設(shè)置，實際檢測只要幾分鐘即可。
在醫(yī)學領(lǐng)域的應用中，采用CT斷層掃描技術(shù)獲得二維圖像，通過專用軟件進行圖像處理和模型重建．獲得人體股骨的數(shù)字模型，用于人工關(guān)節(jié)定做式置換。國內(nèi)外有人把逆向工程用于矯正牙套的設(shè)計中，通過對牙齒石膏模型進行掃描測量和三維重建，獲得牙齒三維數(shù)字模型．然后基于該模型進行修改和矯正，制造出一系列矯正牙套。目前，該技術(shù)在國外已投入商用．在國內(nèi)上海交通大學也開發(fā)出基于逆向工程的快速牙套設(shè)計和制造系統(tǒng)，并開始初步應用。
總的來說，國外在逆向工程研究和應用方面起步較早：國內(nèi)逆向工程應用主要集中在復雜曲面零件的開發(fā)和模具設(shè)計上。在汽車、航空、玩具等行業(yè)應用比較廣泛。
4、逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 實物數(shù)字化技術(shù) www.dolcn.com
即實物掃描的區(qū)域規(guī)劃及精度保證技術(shù), 研究在掃描時影響測量精度的各種因素, 保證精度而采用的方法和措施, 檢查和驗證精度的方法;在進行掃描區(qū)域劃時如何綜合考慮掃描精度、掃描效率和曲面擬合重構(gòu)時的擬合精度、曲面拼接光順性問題; 零件基準測量的精度保證問題。德立科技有限公司新推出的基于美國星科和普賽技術(shù)的柔性三坐標測量及激光掃描檢測系統(tǒng)FlexME 代表著新一代逆向工程(ReverseEngineering,RE) 和計算機輔助檢測(ComputerAided Inspection, CAI) 系統(tǒng)已經(jīng)開始進入中國。與傳統(tǒng)的三坐標測量或激光掃描系統(tǒng)不同, 星科的柔性三坐標測量關(guān)節(jié)臂, 以及基于該關(guān)節(jié)臂和普賽公司的激光掃描測頭的FlexME 系統(tǒng)不僅測量精度高、速度快、柔性好、范圍大, 而且輕巧易搬、對使用環(huán)境無特殊要求, 可以用于機械產(chǎn)品的逆向工程、模具制造的計算機輔助檢測、產(chǎn)品加工裝配的在線或離線檢測。
4.2 測量數(shù)據(jù)的預處理
即云狀數(shù)據(jù)處理技術(shù): 研究高密度、大容量的點云數(shù)據(jù)的處理技術(shù), 包括多次掃描點云的拼接問題,掃描點云的數(shù)據(jù)簡化問題、云狀數(shù)據(jù)的特征提取問題等。
4.3 曲面重建技術(shù)
研究如何選擇合適的數(shù)學表示方法、擬合修改算法、控制參數(shù)及曲面重構(gòu)方法。以得到高質(zhì)量、高精度的曲面模型�；谏窠�(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究最近報道較多, 曾建江等采用了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和相應的快速學習算法應用于曲面重建。該模型可以有效地逼近曲面并剔除輸入數(shù)據(jù)點中的“壞”點。張偉等提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三角網(wǎng)格方法可在有效保持原數(shù)據(jù)點集的拓撲特征的同時實現(xiàn)期望規(guī)模和精度的三角網(wǎng)格剖逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)及其研究。
4.4 重構(gòu)曲面的評價和檢驗問題
研究對曲面的評價指標、檢驗方法以及修正工具。在SURFACER 和很多CAD 軟件中, 都采用NURBS 來表示曲面。它可以表示非常復雜形狀的曲面, 但曲面的表示、顯示、操作都不能用很直觀的方式進行, 很難對曲面進行評價、檢驗和修改。利用圖形的質(zhì)心和最小慣性主軸作為定位基準,可實現(xiàn)被測自由曲面與標準CAD 模型的自動對齊,為實現(xiàn)已知CAD 模型的自由曲面的在線檢測提供了理論依據(jù)。但這種方法實現(xiàn)自由曲面的在線檢測還需克服一些因素的影響, 如CMM實際測量系統(tǒng)的速度、實際測量路徑的轉(zhuǎn)換精度以及由于工件自身高度在工件處于視場中心以外的區(qū)域時給定位及測量精度帶來的影響。
5、逆向工程中相關(guān)技術(shù)的研究重點
5.1 三維數(shù)字化技術(shù)
目前大多數(shù)測量系統(tǒng)是針對具體的應用而開發(fā), 數(shù)據(jù)處理往往針對特定的測量設(shè)備、測量對象,通用性差。需發(fā)展面向逆向工程的通用測量系統(tǒng), 高速、高精度地實現(xiàn)三維物體表面的數(shù)字化, 并能根據(jù)幾何外形和后續(xù)應用選擇測量方式及路徑,能進行路徑規(guī)劃和自動測量。
5.2 數(shù)據(jù)預處理
研究熱點還將集中于掃描點云的數(shù)據(jù)簡化問題云狀數(shù)據(jù)的特征提取問題。
5.3 曲面重建技術(shù)
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的曲面重建技術(shù)的研究將會有很大前途, 研究的重點是復雜的特征約束重建以及如何快速、準確地識別和還原出點云數(shù)據(jù)中的特征及約束, 并且在保證有效約束的前提下如何提高特征模型重建的速度。
5.4 重構(gòu)曲面的評價和檢驗問題
這方面的研究還較少, 相信隨著逆向工程在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越大的作用, 在線檢測的使用和重構(gòu)曲面的評價會引起大家足夠的重視的.
6、結(jié)論
產(chǎn)品的外觀設(shè)計越來越復雜化、多元化，使得逆向工程技術(shù)在武漢產(chǎn)品外觀設(shè)計中的地位顯得尤為重要。產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD 模型重建、產(chǎn)品或模具制造都非常需要逆向工程技術(shù)的支持。
隨著科學技術(shù)的不斷進步和研究工作的不斷深入，逆向工程中技術(shù)中現(xiàn)有的瓶頸將會被一一解除，武漢產(chǎn)品外觀設(shè)計也會取得長足的發(fā)展.
