逆向工程下的產(chǎn)品設(shè)計探究范文

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摘要：工程生產(chǎn)中的產(chǎn)品設(shè)計一般采用正向工程設(shè)計，主要根據(jù)產(chǎn)品的功能與用途提出構(gòu)想思路，借助計算機三維軟件建模，最后通過技術(shù)手段加工成型。針對其設(shè)計方法存在的設(shè)計周期較長問題，提出一種逆向工程設(shè)計思維并通過鞋底的逆向工程設(shè)計實驗進行驗證。首先針對鞋底的結(jié)構(gòu)進行研究分析，并用三維掃描設(shè)備獲取實物模型表面的點云數(shù)據(jù)，并在geomagicstudio軟件平臺上處理點云數(shù)據(jù)得到目標曲面的NURBS曲面數(shù)據(jù)，然后利用geomagicstudio軟件與UG軟件的交互功能將數(shù)據(jù)導入到UG中進行正向建模工作，在正向建模過程中借助軟件對其結(jié)構(gòu)進行分析并對存在的問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，實現(xiàn)逆向工程設(shè)計模仿之外的再創(chuàng)新意圖，最終利用3D打印技術(shù)得到升級產(chǎn)品的實物模型。通過實例的結(jié)果證明，混合建模的設(shè)計方法能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的條件下可盡量縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計；逆向工程；geomagicstudio；NURBS；曲面；正向建模

1引言

現(xiàn)如今，新產(chǎn)品的開發(fā)對一個公司的發(fā)展影響越來越大，傳統(tǒng)的設(shè)計思路是基于產(chǎn)品的功能和外形，由設(shè)計師在CAD軟件上完成[1]，這種設(shè)計方法周期長，效率低，經(jīng)常不能滿足市場的需求，由此，新的設(shè)計思路應運而生，首先運用現(xiàn)代測量手段獲取同類產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)，處理點云得到可用結(jié)構(gòu)部分的三維模型并加以優(yōu)化，然后導入CAD軟件進行二次建模，完成設(shè)計意圖，得到預期的產(chǎn)品模型，最后利用先進制造技術(shù)制作模型樣品，測試模型的可用性。目前，這種基于逆向工程技術(shù)的設(shè)計應用已經(jīng)越來越廣泛[2]。文獻[3]中利用逆向工程技術(shù)完成了汽車后翼子板的模型重建；文獻[4]中借助逆向工程技術(shù)完成了對模具的修復再制造工作；文獻[5]中利用逆向工程技術(shù)進行擺線齒輪的磨損檢測與修復；文獻[6]中利用逆向工程技術(shù)與快速成形技術(shù)為患者制作矯形器。由此可見，這種集逆向工程、正向建模、現(xiàn)代制造于一體的設(shè)計思路必將成為設(shè)計領(lǐng)域不可或缺的一部分。

2基本流程

如圖1所示，這種新的設(shè)計思路既包含了逆向工程與正向建模的混合建模過程，又囊括了現(xiàn)代制造的模型設(shè)計過程。分為三個環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)獲取與處理環(huán)節(jié)、正向建模環(huán)節(jié)、模型制造環(huán)節(jié)，基本的設(shè)計流程為預先確定需要研發(fā)的產(chǎn)品實物模型，通過三維掃描設(shè)備獲取產(chǎn)品表面的點云數(shù)據(jù)完成初步的數(shù)據(jù)采集，再利用軟件對所采集的數(shù)據(jù)庫進行點處理擬合，包括刪除、簡化點數(shù)據(jù)與點云數(shù)據(jù)的封裝等，得到目標曲面的NURBS曲面數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導入到三維軟件當中形成所需產(chǎn)品的原始三維框架，通過實際需求對其結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行參數(shù)優(yōu)化處理，得到合適的產(chǎn)品模型，并保存為STL格式文件，最后通過切片軟件，將標有STL格式的產(chǎn)品模型保存為G代碼形式，通過3D打印機讀取G代碼獲取指令完成實物模型建立。

3.NURBS曲面重構(gòu)

如圖2所示，為鞋底的大致外形，分為大底與中底，中底是直接與腳底接觸的部分，不僅起到減震，穩(wěn)定，提高鞋子的抗壓縮能力等作用，而且中底表面的曲面很大程度上決定著鞋子的舒適度，影響著鞋子的質(zhì)量。此次以鞋底中底曲面模型的提取為實例，以geomagic軟件作為平臺，介紹NURBS曲面創(chuàng)建的整個流程。作為Raindropgeomagic公司的一款逆向工程軟件，其可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，是一款功能非常強的逆向軟件。如圖3所示，為geomagic軟件生成NURBS曲面的流程圖。 

3.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作是NURBS曲面重構(gòu)的基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞對后續(xù)工作有很大的影響。常用數(shù)據(jù)采集的方法分為兩種：接觸式測量和非接觸式測量，接觸式測量的代表是三坐標測量機，而非接觸式的代表則是三維掃描儀，此次的數(shù)據(jù)的采集是采用三維掃描儀，為得到中底的曲面數(shù)據(jù)以便于進行后期的設(shè)計過程，在圖2中白色表面部位噴涂顯影劑，經(jīng)過數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)拼接后得到的鞋底點云數(shù)據(jù)如圖4所示，在經(jīng)過數(shù)據(jù)掃描和點云拼接工作后得到的點云數(shù)據(jù)含有784257個點。

3.2點處理階段

點處理階段就是對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，如點云的渲染、噪聲點的清除、采樣等。點處理階段大體分為兩步，第一步是刪除、簡化點云數(shù)據(jù)。首先刪除點云中不必要的、對曲面擬合效果有影響的點，比如偏離主點云數(shù)據(jù)的非連接項、零件外部的離群點，或稱之為體外孤點，以及由于模型表面質(zhì)量不佳或者掃描設(shè)備的振動而產(chǎn)生的噪音點，然后對點云數(shù)據(jù)進行采樣處理，由于一般掃描產(chǎn)生的點云數(shù)據(jù)量比較龐大，采樣后可以在不影響曲面質(zhì)量的情況下減少點的數(shù)量，減少計算機的運算量；第二步就是將點云數(shù)據(jù)封裝得到多邊形數(shù)據(jù)，以便于進行下一步的點處理操作。本次對中底點云的處理首先采用“修補”命令刪除體外孤點、非連接項點，為得到較好質(zhì)量的曲面模型，設(shè)置極限偏差為0.1mm，以積極棱柱形作為擬合曲面形狀的方式，采用二次迭代的算法清除點云數(shù)據(jù)中的噪音點，并檢測點云數(shù)據(jù)的誤差，如圖5所示，然后設(shè)置絕對值為0.6mm，以統(tǒng)一采樣的方式對點云數(shù)據(jù)進行采樣操作，減少點云中點的個數(shù)，最后進行封裝操作，以多邊形對象表示曲面模型。由圖5可知點云數(shù)據(jù)中鞋底中底表面上數(shù)據(jù)點偏離主點云的誤差分布在0.02mm，點云數(shù)據(jù)邊緣曲率變化較大區(qū)域中的數(shù)據(jù)點誤差也僅僅接近極限值0.1mm，可知點云數(shù)據(jù)精度較高，誤差符合要求。

3.3多邊形階段

多邊形階段是擬合曲面前的關(guān)鍵階段，它決定著擬合曲面前數(shù)據(jù)的準確性及完整性，顯影劑在噴涂的過程中不均勻、掃描設(shè)備不穩(wěn)定等原因都可能導致點云數(shù)據(jù)的局部缺失、點云數(shù)據(jù)在空間分布上的波動等缺點。針對多邊形處理階段，geomagic軟件提供了修補、平滑、填充孔、聯(lián)合、偏移、邊界、銳化、轉(zhuǎn)換等命令，由封裝得到的不同效果的多邊形區(qū)域可采取相應的操作[7]。本次鞋底中底的曲面模型在經(jīng)過封裝后的多邊形網(wǎng)格曲面首先進行創(chuàng)建流行操作，刪除非流行、自相交的三角形數(shù)據(jù)，便于后期曲面片的順利創(chuàng)建；然后采用填充孔里的橋接命令，以局部填充的方式，保持填充面與原始曲面之間的G1連續(xù)，保證曲面模型的光滑度。最后考慮到此次是針對鞋底中底曲面的二次設(shè)計操作，需要刪除除中底曲面以外的數(shù)據(jù)，首先抽取中底邊緣輪廓線，然后采用通過輪廓線裁剪操作得到中底曲面的多邊形網(wǎng)格模型，再利用表面處理的相關(guān)操作，比如去除特征，砂紙打磨等，去除鞋底中底上的孔特征，光順曲面，擬合形成整個中底的曲面模型，最后簡化多邊形，得到如圖6所示的中底曲面模型。由圖6可以看出，模型包含102744三角形，曲面模型光順，曲面還原度較高，可以進行曲面處理階段。

3.4曲面處理階段

曲面處理階段分為精確曲面和參數(shù)曲面兩種模式，精確曲面適用于特征曲面中含有比較規(guī)整的外形特征，支持探測區(qū)域，編輯外形，自主設(shè)置參數(shù)，所得模型精度高，但應用范圍局限，本次鞋底中底為自由曲面，無明顯的規(guī)則特征，故采用精確曲面模式，精確曲面模式是把整個曲面分割成無數(shù)個四邊曲面片，然后將每個曲面片擬合成NUBERS曲面，并保證相鄰曲面片之間G1連續(xù)[7]，以此得到整塊的曲面模型。曲面處理的第一階段就是構(gòu)建曲面片，構(gòu)建曲面片分為兩種方式，一種方式是自動生成曲面片，這種方法快速高效，但往往容易忽視模型中的細節(jié)特征；二是手動構(gòu)建曲面片，人為的構(gòu)建曲面片，雖然耗時較長，但這種方法更容易得到質(zhì)量較好的曲面片，此次采用人工的方式構(gòu)建曲面片，首先采用探測輪廓線命令，獲得鞋底中底曲面輪廓線，然后以輪廓線為邊界，四邊形為曲面片形狀，人工繪制曲面片，最后松弛曲面片。曲面片構(gòu)建完成后進入曲面處理的第二階段，以曲面片為基礎(chǔ)構(gòu)建格柵，格柵是單個曲面片擬合成曲面的前提，控制著曲面的質(zhì)量，為保證曲面質(zhì)量，設(shè)置控制點數(shù)目為20，構(gòu)建出如圖7所示的格柵模型。第三階段是擬合NURBS曲面模型及誤差分析，相對于其他曲面構(gòu)建方法，NURBS方法以非均勻有理B樣條為基礎(chǔ)，構(gòu)建曲面過程中速度快、算法穩(wěn)定、曲面質(zhì)量好，已成為曲面造型中應用最廣泛的方法[8]，在構(gòu)建好的格柵模型上，點擊擬合NURBS曲面命令，得到如圖8所示的NURBS曲面模型和如圖9所示的誤差分析圖。由圖13可以看出，除去特征孔及易變形的邊緣區(qū)域外，點云擬合出來的NUBRS曲面相對于點云數(shù)據(jù)的誤差基本集中在0.6mm附近，說明曲面質(zhì)量良好，曲面構(gòu)建比較成功。

4正向建模環(huán)節(jié)

正向建模環(huán)節(jié)就是將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導入到三維軟件中，在NURBS曲面的基礎(chǔ)上進行曲面實體造型，實現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計意圖。本次使用的三維軟件為Unigraphics(UG),是美國EDS公司推出的CAD/CAE/CAM一體化軟件，具有獨特的復合建模方法，這使它在建模方面更加靈活，在產(chǎn)品設(shè)計初期可以將主要精力放在設(shè)計思想和設(shè)計方案上，可以提高設(shè)計效率。本次鞋底中底的二次設(shè)計過程，意在中底自由曲面的基礎(chǔ)上設(shè)計出中底的三維實體模型，首先利用geomagic軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，得到中底曲面片體的IGES格式文檔，并導入到UG軟件中；然后考慮到中底的外觀特征及與鞋底大底的貼合程度，需要在中底的輪廓邊緣進行創(chuàng)建外伸沿的操作，采用輪廓線探測操作獲取中底曲面的外沿邊線，并根據(jù)邊線的分布特征，將邊線分為四段，分別沿4個方向進行等量偏置操作，并將偏置后的4條曲線以“橋接”的命令封閉形成一條曲線，最后利用生成的新曲線和原曲線擬合生成中底的外伸沿曲面。此時得到的仍是開放的三維曲面，為還原設(shè)計意圖中的實際形狀還需封閉三維曲面，首先建立拉伸方向的基準線，以剛剛生成的曲線為邊界創(chuàng)建拉伸片體，然后以拉伸后的邊緣為邊界，擬合底部曲面，最后，采用“縫合”命令將所有曲面縫合成一體，生成中底的三維實體模型，如圖11所示。

5模型制造與測試環(huán)節(jié)

產(chǎn)品設(shè)計的過程中，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，模型樣品的制作必不可少，傳統(tǒng)的制作方法大多為數(shù)控加工以及模具開模，雖然效果良好，但耗費巨大，一般承受不起失敗，此次鞋底中底再設(shè)計模型的制作，采用3D打印領(lǐng)域中的熔融沉積技術(shù)，簡稱FDM，是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型[9]。首先利用UG軟件將二次設(shè)計的鞋底中底模型以STL的文件格式導出，然后將此STL文件導入到CURA切片軟件中，進行切片分層操作，獲取模型每層的界面信息，得到鞋底中底的G代碼格式文件，最后利用3D打印機打印出如圖15所示的模型。經(jīng)過測試，此模型中底曲面曲率變化自然，表面平滑，能適應大多數(shù)人的腳底，和腳底曲面貼合良好，可以成為鞋底中底模型式樣，二次設(shè)計比較成功。可以看出，逆向工程與正向建模的結(jié)合，可以在保證產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的前提下縮短設(shè)計周期[10]。

6結(jié)論

面對現(xiàn)代工程實踐中的產(chǎn)品設(shè)計問題，將逆向工程技術(shù)、三維建模手段、現(xiàn)代制造工程有機的結(jié)合在一起，能夠充分的發(fā)揮現(xiàn)代技術(shù)的長處，不僅可以縮短產(chǎn)品設(shè)計的周期，滿足現(xiàn)代市場的快節(jié)奏變化，而且可以有效的繼承以往成功設(shè)計案例的思想，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。

作者：王君 李文濤 程群超 馮康瑞 何紅秀 孫金風 單位：湖北工業(yè)大學