逆向工程下的產品設計探究范文
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摘要：工程生產中的產品設計一般采用正向工程設計，主要根據產品的功能與用途提出構想思路，借助計算機三維軟件建模，最后通過技術手段加工成型。針對其設計方法存在的設計周期較長問題，提出一種逆向工程設計思維并通過鞋底的逆向工程設計實驗進行驗證。首先針對鞋底的結構進行研究分析，并用三維掃描設備獲取實物模型表面的點云數據，并在geomagicstudio軟件平臺上處理點云數據得到目標曲面的NURBS曲面數據，然后利用geomagicstudio軟件與UG軟件的交互功能將數據導入到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構進行分析并對存在的問題進行結構優化處理，實現逆向工程設計模仿之外的再創新意圖，最終利用3D打印技術得到升級產品的實物模型。通過實例的結果證明，混合建模的設計方法能在保證產品質量的條件下可盡量縮短設計周期，降低研發成本。
關鍵詞：產品設計；逆向工程；geomagicstudio；NURBS；曲面；正向建模
1引言
現如今，新產品的開發對一個公司的發展影響越來越大，傳統的設計思路是基于產品的功能和外形，由設計師在CAD軟件上完成[1]，這種設計方法周期長，效率低，經常不能滿足市場的需求，由此，新的設計思路應運而生，首先運用現代測量手段獲取同類產品的點云數據，處理點云得到可用結構部分的三維模型并加以優化，然后導入CAD軟件進行二次建模，完成設計意圖，得到預期的產品模型，最后利用先進制造技術制作模型樣品，測試模型的可用性。目前，這種基于逆向工程技術的設計應用已經越來越廣泛[2]。文獻[3]中利用逆向工程技術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與快速成形技術為患者制作矯形器。由此可見，這種集逆向工程、正向建模、現代制造于一體的設計思路必將成為設計領域不可或缺的一部分。
2基本流程
如圖1所示，這種新的設計思路既包含了逆向工程與正向建模的混合建模過程，又囊括了現代制造的模型設計過程。分為三個環節：數據獲取與處理環節、正向建模環節、模型制造環節，基本的設計流程為預先確定需要研發的產品實物模型，通過三維掃描設備獲取產品表面的點云數據完成初步的數據采集，再利用軟件對所采集的數據庫進行點處理擬合，包括刪除、簡化點數據與點云數據的封裝等，得到目標曲面的NURBS曲面數據，再將數據導入到三維軟件當中形成所需產品的原始三維框架，通過實際需求對其結構數據進行參數優化處理，得到合適的產品模型，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
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據創建出完美的多邊形模型，并可自動轉換為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數據采集
數據采集工作是NURBS曲面重構的基礎，采集數據質量的好壞對后續工作有很大的影響。常用數據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，此次的數據的采集是采用三維掃描儀，為得到中底的曲面數據以便于進行后期的設計過程，在圖2中白色表面部位噴涂顯影劑，經過數據掃描、數據拼接后得到的鞋底點云數據如圖4所示，在經過數據掃描和點云拼接工作后得到的點云數據含有784257個點。
3.2點處理階段
點處理階段就是對點云數據進行優化處理，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、簡化點云數據。首先刪除點云中不必要的、對曲面擬合效果有影響的點，比如偏離主點云數據的非連接項、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量不佳或者掃描設備的振動而產生的噪音點，然后對點云數據進行采樣處理，由于一般掃描產生的點云數據量比較龐大，采樣后可以在不影響曲面質量的情況下減少點的數量，減少計算機的運算量；第二步就是將點云數據封裝得到多邊形數據，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，為得到較好質量的曲面模型，設置極限偏差為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據中的噪音點，并檢測點云數據的誤差，如圖5所示，然后設置絕對值為0.6mm，以統一采樣的方式對點云數據進行采樣操作，減少點云中點的個數，最后進行封裝操作，以多邊形對象表示曲面模型。由圖5可知點云數據中鞋底中底表面上數據點偏離主點云的誤差分布在0.02mm，點云數據邊緣曲率變化較大區域中的數據點誤差也僅僅接近極限值0.1mm，可知點云數據精度較高，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鍵階段，它決定著擬合曲面前數據的準確性及完整性，顯影劑在噴涂的過程中不均勻、掃描設備不穩定等原因都可能導致點云數據的局部缺失、點云數據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、聯合、偏移、邊界、銳化、轉換等命令，由封裝得到的不同效果的多邊形區域可采取相應的操作[7]。本次鞋底中底的曲面模型在經過封裝后的多邊形網格曲面首先進行創建流行操作，刪除非流行、自相交的三角形數據，便于后期曲面片的順利創建；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，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計操作，需要刪除除中底曲面以外的數據，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格模型，再利用表面處理的相關操作，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曲面兩種模式，精確曲面適用于特征曲面中含有比較規整的外形特征，支持探測區域，編輯外形，自主設置參數，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[7]，以此得到整塊的曲面模型。曲面處理的第一階段就是構建曲面片，構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特征；二是手動構建曲面片，人為的構建曲面片，雖然耗時較長，但這種方法更容易得到質量較好的曲面片，此次采用人工的方式構建曲面片，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。曲面片構建完成后進入曲面處理的第二階段，以曲面片為基礎構建格柵，格柵是單個曲面片擬合成曲面的前提，控制著曲面的質量，為保證曲面質量，設置控制點數目為20，構建出如圖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，相對于其他曲面構建方法，NURBS方法以非均勻有理B樣條為基礎，構建曲面過程中速度快、算法穩定、曲面質量好，已成為曲面造型中應用最廣泛的方法[8]，在構建好的格柵模型上，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域外，點云擬合出來的NUBRS曲面相對于點云數據的誤差基本集中在0.6mm附近，說明曲面質量良好，曲面構建比較成功。
4正向建模環節
正向建模環節就是將基礎數據導入到三維軟件中，在NURBS曲面的基礎上進行曲面實體造型，實現設計者的設計意圖。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，在產品設計初期可以將主要精力放在設計思想和設計方案上，可以提高設計效率。本次鞋底中底的二次設計過程，意在中底自由曲面的基礎上設計出中底的三維實體模型，首先利用geomagic軟件的數據轉換功能，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模型制造與測試環節
產品設計的過程中，為保證產品的質量，模型樣品的制作必不可少，傳統的制作方法大多為數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，此次鞋底中底再設計模型的制作，采用3D打印領域中的熔融沉積技術，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，二次設計比較成功。可以看出，逆向工程與正向建模的結合，可以在保證產品設計質量的前提下縮短設計周期[10]。
6結論
面對現代工程實踐中的產品設計問題，將逆向工程技術、三維建模手段、現代制造工程有機的結合在一起，能夠充分的發揮現代技術的長處，不僅可以縮短產品設計的周期，滿足現代市場的快節奏變化，而且可以有效的繼承以往成功設計案例的思想，提高產品設計的可靠性。
作者：王君 李文濤 程群超 馮康瑞 何紅秀 孫金風 單位：湖北工業大學