包装工程 PACKAGINGENGINEERINGVol.27 No.3 2006.06
现代产品设计中逆向工程技术的应用
蔡克中 ,钟砚涛
(南昌航空工业学院 , 南昌 330063)
摘要:阐述了逆向工程的概念, 论证了逆向工程技术在现代产品设计中应用的意义和模式, 并从 扫描模型的建立、数据采集、数据处理、CAD模型的重建、产品的再设计与快速成型技术等方面, 对逆 向工程的具体运作过程进行了比较详细的分析和研究。 同时也指出了在现代产品设计中应用逆向工 程技术需注意的问题。
关键词:逆向工程;产品设计 ;快速成型;反向设计
中图分类号:TB472 文献标识码 :A 文章编号:1001 -3563(2006)03 -0156 -03
DiscusionontheApplicationofReverse EngineeringTechnologyinModernProductDesign
CAIKe-zhong, ZHONGYan-tao
(NanchangInstituteofaeronauticaltechnology, Nanchang330063, China)
Abstract:Thearticleexpoundedtheconceptofreverseengineering.Itdemonstratedtheapplication
thearticlediscussedindetailop-gath-
significanceofreverseEngineeringtomodernproductdesign.Inaddition,
erationalprocessconcretelyofreverseengineeringfromfollowingsixaspects:establishingscanmodel, ing.Atthesametime,
eringdata, disposalofdata, reconstructingCADmodel, productredesignandtechnologyofceleritymold-itpointedoutsomequestionsneededtopaymoreatentiontoinapplicationofreverse
engineeringtoproductdesign.
Keywords:reverseengineering;productdesign;celeritymolding;reversedesign
并在此基础上进行改进设计及生产的全过程, 它在产品设计中 的应用具有非常重要的意义。 1.1 拓展设计师的设计思维
思维是人脑对客观事物间接和概括的反映, 也是人类智力 活
逆向工程是 20世纪 90年代才发展起来的, 一种以先进产 品设备的实物、样件、软件(包括图样、程序、技术文件等)或影 像作为研究对象, 应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和 有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握关键技术, 进而 开发出同类的更为先进的产品技术 。 并已在制造、医学、考 古与军事等领域获得非常广泛的应用。 而产品设计则是现代 文明不可或缺的一种社会活动, 它的诞生对改善人类生活的品 质, 提高人们生活的水平起到了非常重要的作用。 为了能更好 地为现代社会服务, 产品设计一直都紧密地联系各种最新的科 学技术, 并给予兼揉并济。 因此, 当面对逆向工程技术的大潮 时, 现代产品设计必然非常有必要加以充分吸收和利用, 以促 进产品设计的进一步发展和完善, 更好地推动人类文明的进 步。
[1]
动的一种外在表现形式, 更是产品设计师进行一切设计活动 的前提和基础。 一个设计师创造性思维的活跃程度决定着产 品最终设计的好坏与成败。 一般说来, 当然希望设计师的思维 越活跃、思维方式越独特越好, 只有出众的设计思维才能获得 优秀的设计方案。但对于产品设计来说, 以往很多时候某些优 秀的设计方案并不一定确实可行。 其原因是多方面的, 其中一 个比较重要的可能就是因产品设计方案的曲面过于丰富, 造型 过于复杂而无法在计算机建立三维 CAD模型, 并迫使设计师 放弃最优方案。 然而, 随着逆向工程技术的诞生, 只要是好的 设计方案, 即使曲面再丰富, 造型再复杂, 都可以通过先做实物 草模, 然后用三维扫描仪扫描的方式来自动生成三维 CAD模 型。 也就是说, 逆向工程技术
1 逆向工程应用于现代产品设计的意义
逆向工程是先用一定的测量手段对实物或模型进行测量, 而后把测量数据通过三维几何建模方法重构实物 CAD模型,
在产品设计中应用可以完全消除 设计师的后顾之忧, 大大了产品设计师的自由度, 拓展了 设计师的思维。 并把设计师从费事费力且又千篇一律的计算
收稿日期:2005-09-18;修订日期:2006-02-28
作者简介:蔡克中(1977 -), 男, 江西玉山人, 南昌航空工业学院讲师, 主要研究方向为工业设计理论和方法, 发表论文 10余
篇。
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蔡克中等 现代产品设计中逆向工程技术的应用
机建模中解脱出来, 让设计师有更多的时间用在设计思维上, 以创造出更多更好的设计方案。 1.2 缩短了设计周期, 降低了设计成本
在经济高度发达的今天, 生产任何一种商品的企业都很
多, 产品的市场竞争也相当激烈。 企业为了增强产品的市场竞 争力, 必然会采取许多措施, 其中缩短产品的设计周期是一个 极其重要的方法。 我们知道, 产品的设计周期是指从提出产品 设计的概念到产品被正式推向市场这么一系列过程的时间总 和。 在这个周期中, 任何一个现代产品设计都需要建立计算机 的三维模型。 以往, 设计师只能依据设计草图在计算机里用三 维软件完全地建立 CAD模型, 且这部分工作所花的时间 在整个设计周期中占据了很大的比例, 尤其是曲面比较复杂的 设计方案。 而从逆向工程技术的核心内容能够看出, 现代产品 设计可以通过三维扫描仪扫描用石膏或油泥制作的草图模型
或产品实物
体的形态、色彩或结构的基础上进行产品设计 。 而根据参
[4]
考的对象, 通常会有 3种参考设计的方式:
1)借鉴手法。 即指企业在产品设计时模仿市场上已经存
在, 且销售情况较好的同种类型产品的造型。 如国内某个生产
吸尘器的制造商 , 把国外(尤其是欧洲、美国或日本)市场上已
经出现的、时尚的且设计理念先进的吸尘器造型借鉴过来, 并
在此基础上进行适当的概括、提炼、简化或变型, 从而开发出仅
在国内销售的吸尘器。
2)移植手法。 即把一种类型的优秀产品形态移植到另外
一种类型的产品造型上。 如在设计一款手机时, 则可借鉴某些
跑车的造型, 来表现手机的时尚感与速度感。 同样的, 也可以
把钢笔套的外观移植到 MP3的造型上来。
3)改良手法。 即指企业对多年前推出的产品进行的一种
并经相应软件的适当处理
,
[2]
,
快速方便地生成产品
、
改进设计。 而之所以要重新设计, 主要是原有产品的形态、色
彩已经过时原来产品的在功能上有一定缺陷原有产品在人
机工程上设计不合理等问题, 并已严重影响到产品的销售。
的 CAD模型, 节约了大量的计算机建模的时间。 同时, 由于快 速成型系统在逆向工程中的使用 , 很多后期的细致模型甚 至是样机都可以利用快速成型系统来完成, 从而又在很大程度 节省了制作实物模型的时间。 由此可知, 逆向工程在现代产品 设计中的应用, 能够大大提高产品设计的效率, 缩短产品设计 的周期, 进而降低产品设计的成本。
上述 3种设计手法, 虽然过程不仅相同, 但有一些共同的
特点。 即都是以某个已经存在的产品为参照物, 且都要求在原
有产品造型的基础上, 通过分析、消化、吸收和改进来创造一个
全新的产品。 然而, 以往设计师必须先测量被参考产品或零部
件的各种尺寸, 然后才能够在计算机里建立产品的三维模型。
但逆向工程技术的出现, 则可用三维扫描仪直接扫描被参考产
2 逆向工程应用于现代产品设计的模式
根据三维扫描仪扫描的对象, 可以把逆向工程技术应用于 产品设计的模式分为 2种。
品或零部件的形态, 并通过相应的软件, 就能非常迅速地生成
产品的 CAD模型, 以便于产品设计的后续工作。 这实际上也 是逆向工程技术应用于现代产品设计中的一种常见的模式。
2.1 扫描实物模型, 有利于建立复杂的产品 CAD模型
由于数字技术的飞速发展, 在现代产品设计与开发的过程 中, 充分利用计算机便成为了一种必然的趋势, 其目的有 2点:
(1)通过计算机来绘制产品的预想效果图;(2)利用计算机来 辅助产品的加工制造 (如力学分析、结构设计、模具设计与加 工工艺设计等)。 而要实现上述 2 个目的, 传统上, 设计师必 须利用一些三维软件 (如 3DSMAX、RHINO、PRO/E、UG等 )在 电脑里凭空建立一个三维的数字模型。 通常情况下, 设计师建 立一个造型不太复杂的三维数字模型也很方便。 但有些产品 很可能被设计的曲面丰富、造型复杂, 如汽车、吸尘器等。 这 时, 如果要在电脑里直接建立符合要求的三维数字模型就会非 常困难, 甚至是最熟练的造型师利用最先进的三维软件都不可 能建立。 但逆向工程技术的出现, 则可轻松地解决这个问题, 即设计师可先用石膏、油泥、泡沫塑料等材料迅速地做出一个 产品的实物模型 , 然后利用三维扫描仪把实物模型转化为 一个符合要求的、可以编辑的产品 CAD模型。 由此可知, 逆向 工程技术有利于产品 CAD模型的建立, 尤其是曲面复杂的产 品。
[3]
3 逆向工程在产品设计中应用的过程
由上文可知 , 在现代产品设计中融入逆向工程技术具有非
常重要的现实意义, 但具体的实施过程中到底是如何进行的
呢? 根据逆向工程技术的原理并结合产品设计的特点, 经过比
较系统的研究认为, 在实际的产品设计中利用逆向工程技术应
遵循以下系列步骤:扫描模型的建立、数据的采集、数据的处
理、CAD模型的重建、产品的再设计和快速成型。 3.1 扫描模型的建立
逆向工程是通过三维扫描技术把实物模型转变为 CAD模
型的, 因此, 在扫描之前必须建立或确定被扫描的对象, 这实际
上也是逆向工程应用于产品设计的前期准备工作。 一般情况
下, 建立被扫描的对象的方式有 2种。 如果是创新产品设计方
式, 则设计师需要用石膏、油泥或泡沫塑料, 把设计方案快速地
制作出来, 以获得被扫描的对象。 如果是改良设计或借鉴设计
模式, 则设计师只需根据设计目的选定被参考的产品实体或零
部件, 以得到被扫描的对象。 3.2 数据的采集
2.2 扫描产品实体, 快速建立产品的 CAD模型
许多时候, 企业会在参考现实存在或曾经出现过的原有物
数据采集是通过一定的方法来收集有效数值信息的一项
实用技术, 而对于逆向工程, 则是利用特定的测量设备和测量
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方法来获取实物模型或零部件表面离散点的几何坐标数据。 即是实物模型数字化的过程, 它是逆向工程技术最基本、最重 要的步骤。 因而, 如何高效、高精度地测量并收集模型表面的 数据, 一直是逆向工程的主要研究内容之一。 当前, 测量三维 表面形态的方法可分为接触式测量和非接触式测量 2大类。 接触式有基于力
逆向工程最高的目标
创新。
3.5 快速成型技术的使用
速成型技术来迅速、精确并经济地生成可触摸的物理原型或模 具, 一方面为产品的及时修改和再设计提供实物样品, 另一方 面, 对一些材料制造的零部件, 还可以直接制造出产品的模具。 这样做避免了机械加工的长周期和复杂的工艺设计, 为产品的 快速开发和制造提供了有效的技术支持。 因此, 在产品设计的 逆向工程中快速成型技术则是不可少的。
在完成实物的 CAD模型重建后, 其后续工作就是利用快
变形原理的触发式与连续扫描式测量以
及基于磁场、超声波的数据采集等。 而非接触式主要有激光测 距法、光干涉法、和结构光学法等。 此外, 随着工业 CT技术的 发展, 断层扫描技术也逐渐得到很好的应用。 当然, 由于后一 种扫描技术不接触待测物体的表面, 测量速度快, 并可相当密 集地对产品表面进行测量 , 形成海量的“点云 ”数据, 失真少。 因此, 非接触式测量设备 (如激光三维扫描仪)被应用得更加 普遍。 3.3 数据的处理
4 结 语
逆向工程是把实物模型或产品样件, 通过三维扫描仪和相
关的软件, 转变为可编辑的 CAD数字模型的一种先进的实用
通过三维扫描获得的测量数据, 因存在一些缺陷不能被直 接用来重建产品的 CAD模型, 而必须进行预处理, 而数据处理 的好坏又将直接影响后期建立的计算机模型的质量, 因此, 数 据处理是逆向工程的关键环节。 通常数据处理包括:数据格式 的转化、采取过滤的方法排除噪声和异常数据、压缩和归并冗 余数据以及用平滑填补的方法缺陷数据进行整形处理等内容。 3.4 CAD模型的重建和再设计
技术。 它在许多行业获得了广泛的应用, 并取得了很好的效 果。 因此, 在现代产品设计中应用逆向工程技术具有非常重要 的意义和广阔的空间, 但具体的实施过程应注意以下几个问 题:(1)逆向工程绝对不提倡产品设计上的抄袭, 而是强调在 参考和借鉴的基础上进行创新;(2)逆向工程需要得到三维扫 描、数据处理、和快速成型等先进技术的支持, 且所需的设备也 是非常昂贵;(3)逆向工程技术只适合在造型比较复杂的产品 设计中应用, 而不适合形态比较简洁的产品。
在逆向工程中, 实物的三维 CAD模型重建是整个过程最 关键、最复杂的一环, 因为后续的产品加工制造、快速原型、虚 拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等都需要 CAD数学模 型的支持, 这就要求重建的模型能够准确地还原实物样件。 而 这个工作的进行受 2个因素的影响, 一是设备硬件, 包括数字 化设备和造型软件;二是操作者的经验。 因此, 为能够快速、准
参考文献:
2003, (8):1 -5.
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确地实现模型的重建
,
应根据数据类型 数据来源造型方式和
、
、
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曲面表示等因素来选择不同的重建方法, 如有序点重建、散乱 点重建、激光点云重建、CT数据重建等。 CAD模型重建是产 品创新的基础, 而不是最终的目的。 因此, 设计师非常有必要 在获得的 CAD模型的基础上, 充分激活自身的设计思维, 运用 设计知识并根据以往的工程技术经验进行产品的再设计, 实现
4 -7.
[ 4] 蔡克中, 吴国荣.论模仿造型法在产品设计中应用[ J] .包装工
程, 2005, 26(3):187 -188.
(上接第 150页)
点 。此外, 系列产品的设计, 应以形态统一的基础上进行造型 设计, 使其符合变化统一的美学法则, 具有理性简洁的共同特 点 , 在色彩和表面方面稍作变化, 并考虑不同材料的造型特点。
4 结 语
参考文献:
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本文介绍了产品整合的理论, 并使之结合到系列产品的设 计中来, 开辟了一种适合系列产品开发的新思路, 并通过实例, 详细描述了此种方法的应用, 证明了其在实际操作中的可行 性, 为产品的系列化设计提供了很好的借鉴和指导。 因此可以 说平台整合构造也是最适合系列化产品设计的方法之一。
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4]
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