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的零件或模型轉化為工程概念和數字模型，這種以實物模型為基礎的產品建模方法已經成為CAD/CAM中的一個相對獨立的方法和技術。逆向工程可以定義為“針對消化吸收先進技術的一系列分析方法和應用技術的結合。它是以先進產品設備的實物、軟件(包括圖紙、程序、技術文件等)或影像(圖像、照片等)作為研究的對象，應用現代設計方法學原理、生產工程學、材料學和有關專業知識進行系統深入地分析和研究，探索掌握其關鍵技術，進而開發出同類的更為先進的產品。從定義上，我們不能僅僅把逆向工程看成是產品的復制、產品的簡單再現，而是對產品改進和創新。這一點和工業設計的創新相吻合。圖1為基于逆向工程的再設計流程圖。從中可以看出三維數據測量、數據處理和三維重構是逆向工程的關鍵技術。

　　圖1逆向工程流程圖

　　1.2逆向工程的作用特點

　　逆向工程被廣泛地應用到新產品開發和產品改型設計、產品仿制、質量分析檢測等領域，它的特點是：

　　1)縮短產品的設計、開發周期，加快產品的更新換代速度;

　　2)降低企業開發新產品的成本與風險;

　　3)加快產品的造型和系列化的設計;

　　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技術的快速直接制模法是將模具CAD的結果由RP系統直接制造成型。該法既不需用RP系統制作樣件，也不依賴傳統的模具制造工藝，對金屬模具制造而言尤為快捷，是一種極具開發前景的制模方法;間接制模法：間接制模法是利用RP技術制造產品零件原型，以原型作為母模、模芯或制模工具(研磨模)，再與傳統的制模工藝相結合，制造出所需模具。

　　1.3逆向工程實現的方法

　　在逆向工程中，準確、快速和全面獲取實物原型的三維數據是關鍵的一步。數據的好壞直接影響到逆向工程后期的成敗。數據的采集是指采用某種測量方法和設備測出實物表面的若干組點的幾何坐標，實現的方法有多種。按照與被測實體對象表面是否接觸，可以分為2類：接觸式測量和非接觸式測量。

　　傳統的方式是以三坐標測量機為代表的接觸式，精度相對精確，已經廣泛應用到機械制造、電子、汽車和航空航天等領域。優點是通用性強，除不適用軟物體之外，對所測物體的材質和表面色澤無特殊要求;精度高，可與數控機床或加工中心配套使用，建立柔性制造系統。缺點是易于損傷測頭和劃傷對測零件的表面，同時價格昂貴，速度較慢，對環境要求高。

　　非接觸式主要是利用某種與物體表面發生相互作用的物理現象來獲取實體的三維信息。利用光學原理發展起來的現代三維形狀測量方法應用最為廣泛，如激光線結構光掃描、投影光柵法、數字照相系統等方法。以及新出現的切層法、計算機斷層掃描(CT)法，這2種方法可以對孔及內部空腔的實體進行測量。非接觸式測量由于受到測量介質和控制的影響，測量精度沒有接觸式高，但具有測量速度快以及不用和實物接觸等優點，在一些領域越來越受到重視。

　　2適合工業設計領域的數據采集設備

　　工業設計是現代產業革命的產物，是隨著市場經濟發展而孕育出來的，它以科學技術與文化藝術相結合為手段，以滿足市場需要和社會效益為目的，以創造更為合理的生活方式為原則，通過人性化的造型設計，推出具有全新的產品，在滿足消費者的前提下，獲得良好的市場地位和經濟效益。楊振寧博士也曾預言：“21世紀將是工業設計的世紀，一個不重視工業設計的國家將成為明日的落伍者。”可見工業設計在中國從一個制造強國到設計強國轉變過程中將會起到不可替代的作用。

　　2.1 工業設計領域的特點

　　工業設計圍繞產品創新展開，在對產品創意前期，為了輔助設計的實現，會制作相關的模型或不夠精細的數字原型來分析產品的造型、特點，用于產品的修改和方案的評價。因此模型在工業設計流程中起著很重要的作用，第1能夠感受產品概念的三維空間;第2可以分析產品結構的合理性。工業設計中實物模型在不同的設計階段又分為草模、精細模型、結構模型等。設計方案確定以后工程師還要制作出高精度的CAD數字模型，從設計師到機械工程師之間的過渡，常常因為2者知識結構不同，導致產品造型脫離最初的創意構思，同時現代產品越來越圓潤、人性化，復雜的曲面對工程師更是一個挑戰，怎么能保證設計師設計的高質量曲面延續下來，怎么能保證創意的最大化保留是一個很大的問題。而逆向工程方法在工業設計中的介入，可以作為產品設計師和機械設計師之間一個橋梁，從而保證了產品質量，加速了產品設計的開發周期。

　　但工業設計領域又不同與機械零件的加工制造。首先設計前期模型的加工制作精度沒有傳統制造領域高，主要用來產品的分析制造;其次，目前國內工業設計公司規模普遍較小，高等院校的工業設計專業發展歷史較短，在對逆向工程方面投入的資本有一定的受限;第3，工業設計開發流程較短，時間成為一個競爭的方面。因此在選取測量設備時價格低、速度快、有一定精度的將為首選。高等院校工業設計專業逆向工程實驗室的建立，主要是為工業設計提供快速精致模型制作，輔助產品設計開發，加強高校的設計實踐能力。同時也為科研和教學提供了一個平臺。本校逆向工程實驗室在建立的過程中，考慮了上面幾個因素，最后選取了非接觸式測量設備3DSS(Three Dimentional Sensing System)。

　　2.2非接觸式3DSS設備

　　3DSS是一種非接觸測量設備，能對任何材料的物體表面進行數字化測量，如工件、模型、模具、雕塑、人體等。3DSS一次對一個面進行投影照相測量。

　　3DSS的基本原理：測量時光柵投影裝置投影數幅特定編碼的結構光到待測物體上，成一定夾角的2個攝像頭同步采得相應圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，解算出2個攝像機公共視區內像素點的三維坐標。該方法測量速度快，精度較高，并且測量范圍大，成本低，易于實現。

　　3DSS便攜式三維照相測量儀可隨意搬至工件位置做現場測量，并可調節成任意角度作全方位測量，對大型工件可分塊測量，測量數據可實時自動拼合，非常適合各種大小和形狀物體(如汽車，摩托車外殼及內飾，家電，雕塑等)的測量。

　　3DSS具備自動標定、參考點識別與測量、結構光點云測量、多幅測量拼合等功能;系統包含測量硬件和測量軟件。硬件包括電腦、兩個攝像頭、結構光投影裝置、三腳架.對采集的圖像進行軟件處理，生成三維點云。并能進行三維顯示。輸出點云文件，可用Surfacer，Ceomagic等軟件進行進一步處理。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

　　設備在安裝好以后，安裝上掃描軟件。①掃描件的表面處理，對黑色、透明和反光件表面可適用顯影劑均勻噴涂;②啟動，打開攝像和投影功能;③調整掃描頭，調整攝像頭鏡頭;④采集，輸出.asc格式的點云文件;⑤在點云處理軟件Geomagic中進行優化處理，如圖3，為點云優化前后對比;⑥根據點云重構數字模型。

　　圖3點云優化對比

　　掃描過程中需要主意的問題：

　　1)環境光確保室內燈光都關閉，采用交流電得到光源都使波動會影響到測量效果;

　　2)表面處理物體的表面質量對測量結果影響很大。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，否則會影響到測量的精度;

　　3)多次測量若多次測量一個大的物體時，需要設定參考點，為后來點云合并提供參考。

　　2.4汽車模型掃描案例分析

　　在本案例中，通過工業設計專業學生制作的實物模型為基礎，案例分析逆向工程在工業設計中的應用流程。

　　1)在工業設計中，設計師首先根據市場調查和相關的資料進行分析，提出創意方向和設計定位。然后進行設計概念的設計、評審、確定、模型制作等。圖4為設計師制作的實物汽車模型。

　　圖4汽車實物模型

　　2)對模型進行表面處理，然后在在3DSS進行掃描，形成多個不同視角的點云文件。圖5為其中一個視角的點云截圖。

　　圖5點云圖形

　　3)用Geomagic軟件對點云進行處理，按照Geomagic逆向造型的一般流程進行處理：點處理階段，比如點的對齊、除噪、采樣補洞、點云合并等，如圖6;多邊形階段;成型階段，主要是提取特征線、邊界構建、面片組織、面片光順等。最后比較曲面與點云之間的誤差，滿足精度要求后，輸出.igs文件，并導人CAID軟件Alias中，進行曲面質量分析、重建高質量曲面，縫合曲面后輸出.STL文件，利用快速成型技術制作精細車模。為進一步的設計分析、制造提供數據。

　　圖6合并的點云圖形

　　3逆向工程對工業設計的作用

　　目前市場上新產品層出不窮，競爭越來越激烈，產品的生命周期也越來越短。因此對工業設計提出了更高的要求，“TQCS”：Time，最短的產品設計開發周期;Quality，最優的產品質量和品質;Cost，符合目標的設計制造成本;Service，最好的技術支持和售后服務。通過這些來贏得市場和用戶。因此要想設計出用戶想擁有的產品，就必須利用各種先進的設計理念和制造方式，加快產品的開發。因此工業設計中逆向工程的使用，對于新產品的創新開發必是如虎添翼。

　　3.1 快速制作產品設計樣品

　　產品模型樣品是產品的實體要素，也是直接提供給用戶的實體，是實質產品的實現形式。逆向工程能夠快速制作CAD模型，方便的輸出STL層文件，到快速成型機上產生精度較高的三維實體模型。而且可以應用多種材料方便產生具有復雜曲線曲面的產品，使工業設計師以前所未有的直觀方式體會設計的感覺，感性而迅速的驗證和檢查所設計的產品的結構和外觀，從而使設計工作進入一種全新的境界，改善了設計過程中的人機交流，可以使產品在造型、材質、色彩等方面進行創新。通過上面制作的模型，比傳統方式繪制的手繪圖紙、計算機效果圖、石膏和油泥模型更有優勢，它是一個有質感、機械強度、結構精細、有觸摸感的實物原型。能夠在短時間內給設計師和工程師更多的信息，包括產品的外觀造型、尺寸大小、具體結構和工作性能等詳細參數，為設計方案的評價和優化提供了實用的參考。

　　3.2解決了工業設計和工程設計之間的鴻溝

　　傳統的產品開發流程中，從設計到工程之間有著鴻溝。由于工業設計師對工程知識的相對缺乏，設計的很多造型工程師無法完成或實現，工程師抱怨設計師太復雜、沒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設計師的設計意圖，對一些曲面造型理解有所偏差，最后出來的產品失去了最初設計的感覺，甚至不停的修改使得工業設計師的創意面目全非，工業設計師又開始抱怨工程師沒有按照他的創意來設計。因此2者怎樣協調工作，怎樣把創意延續是關鍵。逆向工程和快速成型技術搭配，從而有利于從實物模型到物理模型之間的轉換，減少返工，使設計師和工程師都滿意。基于以上分析，筆者通過圖示對設計流程進行了改進，如圖7。

　　圖7 逆向工程下的設計流程

　　4結語

　　實踐證明，工業設計結合逆向工程技術能優化工業設計流程，加快新產品的開發，提高產品設計的創新能力。