工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)探析

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摘要：結(jié)合工業(yè)產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用三維激光掃描儀獲取模型數(shù)據(jù)，配合GeomagicStudio的數(shù)據(jù)處理功能以及坐標(biāo)系對(duì)齊功能，將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA中，開(kāi)展基于曲線的曲面重建以及基于數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面最佳擬合造型，通過(guò)對(duì)曲面及曲線構(gòu)建原理的分析和研究，生成全新的數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于重構(gòu)曲面擬合精度的分析。實(shí)踐證明，提出的逆向設(shè)計(jì)方法在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有著良好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；逆向設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)處理

0前言

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法是通過(guò)論證分析，得到產(chǎn)品的初步形態(tài)和參數(shù)，然后通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逐步完善，是一種從無(wú)到有的過(guò)程。不過(guò)，這種設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，而且成本偏高。最近幾年，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提出了一種相對(duì)于傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)的逆向設(shè)計(jì)，即從實(shí)物樣本到數(shù)字模型的再設(shè)計(jì)和重構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程，在提升產(chǎn)品外觀質(zhì)量，加快產(chǎn)品研發(fā)速度等方面有著良好的推動(dòng)作用。

1逆向設(shè)計(jì)的具體流程

以某跑車油泥模型為例，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。模型參數(shù)為270mm×140mm，形狀相對(duì)復(fù)雜，以油泥為主要材料，在外部噴涂有顯像劑。GeomagicStudio軟件支持曲面重構(gòu)功能，軟件本身在于其他三位軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互時(shí)，有著非常嚴(yán)格的要求，如果輸出曲面無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需要，則需要在兩個(gè)軟件平臺(tái)之間進(jìn)行來(lái)回切換，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)體及裝配操作。與之相比，CATIA軟件可以同時(shí)支持曲線以及曲面的逆向重構(gòu)，本身多工作臺(tái)混合式的建模環(huán)境決定了其不需要與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換，逆向設(shè)計(jì)的基本流程為：在逆向設(shè)計(jì)中，首先需要利用三維激光掃描儀，對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行掃描，得到產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)，構(gòu)建數(shù)字化模型，然后運(yùn)用GeomagicStudio，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，向CATIA輸送stl文件，開(kāi)展曲線和曲面的重新構(gòu)筑，生成CAD模型，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)創(chuàng)新提供必要的支撐。

2模型數(shù)據(jù)獲取及處理

在對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行掃描時(shí)，一般都會(huì)用到掃描儀，常用的包括激光掃描儀和光學(xué)掃描儀，這里選擇ZS－canner600型三維激光掃描儀進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的獲取。在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，需要首先為模型貼上相應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)，其位置可以隨意選擇，不過(guò)必須確保以此掃描能夠掃到至少4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，可以通過(guò)制作輔助板的方式來(lái)配合標(biāo)記點(diǎn)的粘貼。標(biāo)記點(diǎn)粘貼完成后，在設(shè)置界面將掃描儀的掃描方式選擇為“ScanPositioningTar－gets”，確保一次掃描能夠?qū)⑤o助板和模型上盡可能多的標(biāo)記點(diǎn)掃描到，模型與輔助板的相對(duì)位置不變，根據(jù)掃描到的最初4個(gè)定位點(diǎn)，確定相應(yīng)的坐標(biāo)系。之后，將掃描方式更換為“ScanSurface”，在距離模型20－30cm左右的位置，確?？梢郧宄目吹郊す饩€，然后保持掃描頭勻速移動(dòng)，使得其可以掃描到至少4個(gè)點(diǎn)。掃描過(guò)程中對(duì)于模型的放置并沒(méi)有明確的要求，可以隨意放置，通過(guò)調(diào)整視圖來(lái)對(duì)掃描的結(jié)果進(jìn)行觀察，待模型全部掃描結(jié)束后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集，以stl格式的文件進(jìn)行輸出。這種掃描方式的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可以得到相對(duì)完整的模型數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接，掃描效率可以保證。將掃描得到的stl文件輸出到GeomagicStudio軟件中，在菜單中選擇“斷開(kāi)組件連接”，可以從所有點(diǎn)中選擇與多數(shù)點(diǎn)云存在一定距離的點(diǎn)；而選擇“減少噪聲”，則可以減少掃描環(huán)節(jié)的噪聲點(diǎn)，使得點(diǎn)的排列更加平滑。在數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，GeomagicStudio還可以對(duì)模型的坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)其操作，為后續(xù)的模型重構(gòu)奠定良好的基礎(chǔ)。具體來(lái)講，應(yīng)該首先構(gòu)建兩個(gè)相互垂直的平面，將平面與全局模型的某個(gè)面進(jìn)行對(duì)應(yīng)，然后點(diǎn)擊菜單中的“對(duì)齊到全局”，選擇XY平面，然后浮動(dòng)選擇某個(gè)平面，通過(guò)“創(chuàng)建對(duì)”選項(xiàng)來(lái)創(chuàng)建匹配對(duì)。在顯示中打開(kāi)“全局坐標(biāo)軸”，結(jié)合不同視圖，能夠?qū)ξ矬w的位置進(jìn)行查看，從而對(duì)坐標(biāo)系擺正的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷。

3基于CATIA平臺(tái)的產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)

3．1數(shù)據(jù)輸出與處理

以GeomagicStudio進(jìn)行預(yù)處理后，可以得到模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIAV5的逆向點(diǎn)群編輯模塊，可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾與降噪?？紤]模型本身的對(duì)稱性，可以截取一般的網(wǎng)格面進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

3．2曲線構(gòu)建

從跑車曲面的整體走勢(shì)出發(fā)，配合曲率分析等相關(guān)工具，可以將模型分割成若干大的曲面，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供便利。曲線的構(gòu)建保羅了特征線創(chuàng)建、點(diǎn)云截面線創(chuàng)建以及邊界線創(chuàng)建三部分，在CATIAV5中，特征線的提取方法多種多樣，比較常用的包括3D曲線、平面交線、曲線投影、交線曲線等，這里主要選擇曲線投影和3D曲線來(lái)對(duì)模型外表面的線架進(jìn)行創(chuàng)設(shè)。在進(jìn)行曲線的構(gòu)建時(shí)，對(duì)于不同的區(qū)域，應(yīng)該采用不同的方法，創(chuàng)建不同的特征線，如果曲線較為復(fù)雜，則應(yīng)該適當(dāng)增加特征線提取的密度。

3．3曲線分析

在完成線架構(gòu)的創(chuàng)建后，需要做好相應(yīng)的光順性檢查，其主要目的是找出其中存在的壞點(diǎn)，在去除壞點(diǎn)的同時(shí)，也可以對(duì)曲線中的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修改和調(diào)整。可以打開(kāi)CATIA自由曲面模塊，選擇其中的曲率分析工具，對(duì)曲線的曲率分布情況進(jìn)行檢查，利用長(zhǎng)度不同的線段對(duì)曲線上的曲率分布狀況進(jìn)行表示，并以此確定曲線的光順性。對(duì)照曲線曲率分布可以看出，構(gòu)建完成的曲線在曲率上的變化相對(duì)均勻，不存在明顯的拐點(diǎn)，符合光順性的要求。而在充分保證曲線光順性的前提下，還需要針對(duì)曲線的精度進(jìn)行研究和分析。利用軟件中附帶的距離分析工具，可以對(duì)跑車模型中線的精度進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示，曲線的足最大誤差為0．87mm，可以滿足模型重構(gòu)對(duì)于精度的要求。

3．4曲面重構(gòu)

對(duì)于一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品，其外形非常重要，影響著消費(fèi)者消費(fèi)體驗(yàn)。產(chǎn)品外觀數(shù)字模型的構(gòu)建通常是利用多個(gè)曲面，經(jīng)延伸、過(guò)渡以及裁剪、合并后形成的，在這種情況下，每一個(gè)曲面的構(gòu)建在逆向設(shè)計(jì)中都發(fā)揮著不容忽視的作用，其不僅需要能夠滿足光順性以及精度方面的要求，還必須可以與相鄰的曲面實(shí)現(xiàn)平滑連接，減少突兀性。事實(shí)上，不同的平面有著不同的特性，其生成方式也各不相同，如果單純的采用某一種曲面的生成方法，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的重構(gòu)是不可能的。因此，在曲線創(chuàng)建環(huán)節(jié)，需要將收集到的點(diǎn)云分割成若干份，根據(jù)每一份的特點(diǎn)，選擇恰當(dāng)?shù)那嫔煞椒?，才能?gòu)建出滿足相關(guān)要求的曲面。如果曲面的曲率變化較為均勻，可以利用CATIA軟件中的四點(diǎn)綴面進(jìn)行曲面的構(gòu)建；反之，如果曲面的曲率變化不均勻，可以利用CATIA軟件中的逆向曲面重構(gòu)模塊，選擇其中的最佳擬合曲面功能，進(jìn)行曲面的構(gòu)建。

3．5質(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)曲面的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，所得結(jié)果如圖2所示。結(jié)合圖2分析，本文構(gòu)建的曲面與網(wǎng)格面之間的距離在0．001mm到0．986mm之間，誤差值存在于允許范圍內(nèi)，表明重構(gòu)曲面能夠滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求。在對(duì)曲面的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，比較常用的方法包括曲率梳、斑馬線、反射線、高光線等，以斑馬線為例，其分布狀況見(jiàn)圖3。從圖中可以明確，在面積較大的區(qū)域，斑馬線的分布相對(duì)均勻，這也表明曲面光滑性良好，而在連接過(guò)渡區(qū)域，斑馬線整體呈S型分布，可以滿足G2連續(xù)的要求，因此從整體分析，重構(gòu)得到的曲

3．6優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是曲線曲面的構(gòu)建以及質(zhì)量分析，一旦產(chǎn)品的曲線和曲面完成了重構(gòu)，也就標(biāo)志著可以以此為依據(jù)，針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的對(duì)象不僅包括了產(chǎn)品的外形，還包括了整體的功能創(chuàng)新，以本文提到的跑車為例，基于重構(gòu)模型，可以對(duì)車輪、標(biāo)識(shí)、車窗、后視鏡等細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，跑車模型原本的車輪是對(duì)柱體進(jìn)行簡(jiǎn)化后形成的，整體缺乏真實(shí)性，從強(qiáng)化跑車整體效果的角度，可以利用CATIA裝配設(shè)計(jì)工作平臺(tái)，對(duì)跑車的四個(gè)車輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升模型的真實(shí)性。

4結(jié)語(yǔ)

逆向設(shè)計(jì)是相對(duì)于正向設(shè)計(jì)而言，可以參照實(shí)物模型，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和曲面重構(gòu)，得到全新的數(shù)字化模型，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文提出了一種有效的模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理的方法，配合GeomagicStudio和CATIA，針對(duì)某跑車進(jìn)行了逆向設(shè)計(jì)，結(jié)合曲線的光順性檢查和精度檢查，以及曲面的精度與斑馬線分析，得到了有效的分析結(jié)果，實(shí)踐證明，本文提出的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)方法有著良好的實(shí)用性，值得進(jìn)行推廣。

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作者:韓春雨 單位:天津市雄獅工量具有限公司