工业设计产品逆向设计探析

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摘要：结合工业产品本身的结构特点，运用三维激光扫描仪获取模型数据，配合GeomagicStudio的数据处理功能以及坐标系对齐功能，将处理后的数据导入到CATIA中，开展基于曲线的曲面重建以及基于数据点的曲面最佳拟合造型，通过对曲面及曲线构建原理的分析和研究，生成全新的数字化模型，实现了对于重构曲面拟合精度的分析。实践证明，提出的逆向设计方法在工业产品设计中有着良好的实用性。

关键词：工业设计；逆向设计；数据处理

0前言

在产品设计中，常见的设计方法是通过论证分析，得到产品的初步形态和参数，然后通过大量的实验进行性能测试，对产品进行逐步完善，是一种从无到有的过程。不过，这种设计方法的产品设计周期较长，而且成本偏高。最近几年，工业产品设计中提出了一种相对于传统正向设计的逆向设计，即从实物样本到数字模型的再设计和重构优化的过程，在提升产品外观质量，加快产品研发速度等方面有着良好的推动作用。

1逆向设计的具体流程

以某跑车油泥模型为例，对工业产品的逆向设计进行分析。模型参数为270mm×140mm，形状相对复杂，以油泥为主要材料，在外部喷涂有显像剂。GeomagicStudio软件支持曲面重构功能，软件本身在于其他三位软件进行数据的交互时，有着非常严格的要求，如果输出曲面无法满足设计需要，则需要在两个软件平台之间进行来回切换，而且无法实现实体及装配操作。与之相比，CATIA软件可以同时支持曲线以及曲面的逆向重构，本身多工作台混合式的建模环境决定了其不需要与其他软件进行数据信息的交换，逆向设计的基本流程为：在逆向设计中，首先需要利用三维激光扫描仪，对实物模型进行扫描，得到产品的各项参数，构建数字化模型，然后运用GeomagicStudio，对得到的数据进行预处理，向CATIA输送stl文件，开展曲线和曲面的重新构筑，生成CAD模型，为产品的优化设计和改进创新提供必要的支撑。

2模型数据获取及处理

在对实物模型进行扫描时，一般都会用到扫描仪，常用的包括激光扫描仪和光学扫描仪，这里选择ZS－canner600型三维激光扫描仪进行模型数据的获取。在实际操作环节，需要首先为模型贴上相应的标记点，其位置可以随意选择，不过必须确保以此扫描能够扫到至少4个标记点，可以通过制作辅助板的方式来配合标记点的粘贴。标记点粘贴完成后，在设置界面将扫描仪的扫描方式选择为“ScanPositioningTar－gets”，确保一次扫描能够将辅助板和模型上尽可能多的标记点扫描到，模型与辅助板的相对位置不变，根据扫描到的最初4个定位点，确定相应的坐标系。之后，将扫描方式更换为“ScanSurface”，在距离模型20－30cm左右的位置，确保可以清楚的看到激光线，然后保持扫描头匀速移动，使得其可以扫描到至少4个点。扫描过程中对于模型的放置并没有明确的要求，可以随意放置，通过调整视图来对扫描的结果进行观察，待模型全部扫描结束后，将数据进行归集，以stl格式的文件进行输出。这种扫描方式的操作相对简单，可以得到相对完整的模型数据，不需要进行数据的拼接，扫描效率可以保证。将扫描得到的stl文件输出到GeomagicStudio软件中，在菜单中选择“断开组件连接”，可以从所有点中选择与多数点云存在一定距离的点；而选择“减少噪声”，则可以减少扫描环节的噪声点，使得点的排列更加平滑。在数据预处理环节，GeomagicStudio还可以对模型的坐标系进行对其操作，为后续的模型重构奠定良好的基础。具体来讲，应该首先构建两个相互垂直的平面，将平面与全局模型的某个面进行对应，然后点击菜单中的“对齐到全局”，选择XY平面，然后浮动选择某个平面，通过“创建对”选项来创建匹配对。在显示中打开“全局坐标轴”，结合不同视图，能够对物体的位置进行查看，从而对坐标系摆正的准确性进行判断。

3基于CATIA平台的产品逆向设计

3．1数据输出与处理

以GeomagicStudio进行预处理后，可以得到模型的点云数据，利用CATIAV5的逆向点群编辑模块，可以对点云进行分析和处理，实现过滤与降噪。考虑模型本身的对称性，可以截取一般的网格面进行数据后处理。

3．2曲线构建

从跑车曲面的整体走势出发，配合曲率分析等相关工具，可以将模型分割成若干大的曲面，为后续的优化设计提供便利。曲线的构建保罗了特征线创建、点云截面线创建以及边界线创建三部分，在CATIAV5中，特征线的提取方法多种多样，比较常用的包括3D曲线、平面交线、曲线投影、交线曲线等，这里主要选择曲线投影和3D曲线来对模型外表面的线架进行创设。在进行曲线的构建时，对于不同的区域，应该采用不同的方法，创建不同的特征线，如果曲线较为复杂，则应该适当增加特征线提取的密度。

3．3曲线分析

在完成线架构的创建后，需要做好相应的光顺性检查，其主要目的是找出其中存在的坏点，在去除坏点的同时，也可以对曲线中的部分数据点进行修改和调整。可以打开CATIA自由曲面模块，选择其中的曲率分析工具，对曲线的曲率分布情况进行检查，利用长度不同的线段对曲线上的曲率分布状况进行表示，并以此确定曲线的光顺性。对照曲线曲率分布可以看出，构建完成的曲线在曲率上的变化相对均匀，不存在明显的拐点，符合光顺性的要求。而在充分保证曲线光顺性的前提下，还需要针对曲线的精度进行研究和分析。利用软件中附带的距离分析工具，可以对跑车模型中线的精度进行分析，分析结果显示，曲线的足最大误差为0．87mm，可以满足模型重构对于精度的要求。

3．4曲面重构

对于一个工业产品，其外形非常重要，影响着消费者消费体验。产品外观数字模型的构建通常是利用多个曲面，经延伸、过渡以及裁剪、合并后形成的，在这种情况下，每一个曲面的构建在逆向设计中都发挥着不容忽视的作用，其不仅需要能够满足光顺性以及精度方面的要求，还必须可以与相邻的曲面实现平滑连接，减少突兀性。事实上，不同的平面有着不同的特性，其生成方式也各不相同，如果单纯的采用某一种曲面的生成方法，想要实现对模型的重构是不可能的。因此，在曲线创建环节，需要将收集到的点云分割成若干份，根据每一份的特点，选择恰当的曲面生成方法，才能构建出满足相关要求的曲面。如果曲面的曲率变化较为均匀，可以利用CATIA软件中的四点缀面进行曲面的构建；反之，如果曲面的曲率变化不均匀，可以利用CATIA软件中的逆向曲面重构模块，选择其中的最佳拟合曲面功能，进行曲面的构建。

3．5质量评价

对曲面的精度进行检验，所得结果如图2所示。结合图2分析，本文构建的曲面与网格面之间的距离在0．001mm到0．986mm之间，误差值存在于允许范围内，表明重构曲面能够满足工业设计的要求。在对曲面的质量进行评价时，比较常用的方法包括曲率梳、斑马线、反射线、高光线等，以斑马线为例，其分布状况见图3。从图中可以明确，在面积较大的区域，斑马线的分布相对均匀，这也表明曲面光滑性良好，而在连接过渡区域，斑马线整体呈S型分布，可以满足G2连续的要求，因此从整体分析，重构得到的曲

3．6优化设计

在进行逆向设计的过程中，最为关键的环节，是曲线曲面的构建以及质量分析，一旦产品的曲线和曲面完成了重构，也就标志着可以以此为依据，针对工业产品进行重新设计，设计的对象不仅包括了产品的外形，还包括了整体的功能创新，以本文提到的跑车为例，基于重构模型，可以对车轮、标识、车窗、后视镜等细节进行优化设计。例如，跑车模型原本的车轮是对柱体进行简化后形成的，整体缺乏真实性，从强化跑车整体效果的角度，可以利用CATIA装配设计工作平台，对跑车的四个车轮进行优化设计，提升模型的真实性。

4结语

逆向设计是相对于正向设计而言，可以参照实物模型，通过数据采集和曲面重构，得到全新的数字化模型，从而对产品进行改进以及优化设计。本文提出了一种有效的模型点云数据获取及处理的方法，配合GeomagicStudio和CATIA，针对某跑车进行了逆向设计，结合曲线的光顺性检查和精度检查，以及曲面的精度与斑马线分析，得到了有效的分析结果，实践证明，本文提出的工业设计产品逆向设计方法有着良好的实用性，值得进行推广。

参考文献

［1］杨艳红，钟相强．工业设计中产品的逆向设计方法研究［J］．机械设计，2013，30（10）：102－105．

［2］李雄．基于Alias的逆向工业设计实践研究［D］．太原：太原理工大学，2012．

［3］张晓阳．逆向工程技术研究现状及其在工业设计中的应用研究［J］．东方文化周刊，2014，（11）：145－146．

［4］闻建强．工业设计中产品的逆向设计思路初探［J］．科技风，2016，（9）：91．

作者:韩春雨 单位:天津市雄狮工量具有限公司