工業設計產品逆向設計探析

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摘要：結合工業產品本身的結構特點，運用三維激光掃描儀獲取模型數據，配合GeomagicStudio的數據處理功能以及坐標系對齊功能，將處理后的數據導入到CATIA中，開展基于曲線的曲面重建以及基于數據點的曲面最佳擬合造型，通過對曲面及曲線構建原理的分析和研究，生成全新的數字化模型，實現了對于重構曲面擬合精度的分析。實踐證明，提出的逆向設計方法在工業產品設計中有著良好的實用性。

關鍵詞：工業設計；逆向設計；數據處理

0前言

在產品設計中，常見的設計方法是通過論證分析，得到產品的初步形態和參數，然后通過大量的實驗進行性能測試，對產品進行逐步完善，是一種從無到有的過程。不過，這種設計方法的產品設計周期較長，而且成本偏高。最近幾年，工業產品設計中提出了一種相對于傳統正向設計的逆向設計，即從實物樣本到數字模型的再設計和重構優化的過程，在提升產品外觀質量，加快產品研發速度等方面有著良好的推動作用。

1逆向設計的具體流程

以某跑車油泥模型為例，對工業產品的逆向設計進行分析。模型參數為270mm×140mm，形狀相對復雜，以油泥為主要材料，在外部噴涂有顯像劑。GeomagicStudio軟件支持曲面重構功能，軟件本身在于其他三位軟件進行數據的交互時，有著非常嚴格的要求，如果輸出曲面無法滿足設計需要，則需要在兩個軟件平臺之間進行來回切換，而且無法實現實體及裝配操作。與之相比，CATIA軟件可以同時支持曲線以及曲面的逆向重構，本身多工作臺混合式的建模環境決定了其不需要與其他軟件進行數據信息的交換，逆向設計的基本流程為：在逆向設計中，首先需要利用三維激光掃描儀，對實物模型進行掃描，得到產品的各項參數，構建數字化模型，然后運用GeomagicStudio，對得到的數據進行預處理，向CATIA輸送stl文件，開展曲線和曲面的重新構筑，生成CAD模型，為產品的優化設計和改進創新提供必要的支撐。

2模型數據獲取及處理

在對實物模型進行掃描時，一般都會用到掃描儀，常用的包括激光掃描儀和光學掃描儀，這里選擇ZS－canner600型三維激光掃描儀進行模型數據的獲取。在實際操作環節，需要首先為模型貼上相應的標記點，其位置可以隨意選擇，不過必須確保以此掃描能夠掃到至少4個標記點，可以通過制作輔助板的方式來配合標記點的粘貼。標記點粘貼完成后，在設置界面將掃描儀的掃描方式選擇為“ScanPositioningTar－gets”，確保一次掃描能夠將輔助板和模型上盡可能多的標記點掃描到，模型與輔助板的相對位置不變，根據掃描到的最初4個定位點，確定相應的坐標系。之后，將掃描方式更換為“ScanSurface”，在距離模型20－30cm左右的位置，確保可以清楚的看到激光線，然后保持掃描頭勻速移動，使得其可以掃描到至少4個點。掃描過程中對于模型的放置并沒有明確的要求，可以隨意放置，通過調整視圖來對掃描的結果進行觀察，待模型全部掃描結束后，將數據進行歸集，以stl格式的文件進行輸出。這種掃描方式的操作相對簡單，可以得到相對完整的模型數據，不需要進行數據的拼接，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“斷開組件連接”，可以從所有點中選擇與多數點云存在一定距離的點；而選擇“減少噪聲”，則可以減少掃描環節的噪聲點，使得點的排列更加平滑。在數據預處理環節，GeomagicStudio還可以對模型的坐標系進行對其操作，為后續的模型重構奠定良好的基礎。具體來講，應該首先構建兩個相互垂直的平面，將平面與全局模型的某個面進行對應，然后點擊菜單中的“對齊到全局”，選擇XY平面，然后浮動選擇某個平面，通過“創建對”選項來創建匹配對。在顯示中打開“全局坐標軸”，結合不同視圖，能夠對物體的位置進行查看，從而對坐標系擺正的準確性進行判斷。

3基于CATIA平臺的產品逆向設計

3．1數據輸出與處理

以GeomagicStudio進行預處理后，可以得到模型的點云數據，利用CATIAV5的逆向點群編輯模塊，可以對點云進行分析和處理，實現過濾與降噪。考慮模型本身的對稱性，可以截取一般的網格面進行數據后處理。

3．2曲線構建

從跑車曲面的整體走勢出發，配合曲率分析等相關工具，可以將模型分割成若干大的曲面，為后續的優化設計提供便利。曲線的構建保羅了特征線創建、點云截面線創建以及邊界線創建三部分，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曲線來對模型外表面的線架進行創設。在進行曲線的構建時，對于不同的區域，應該采用不同的方法，創建不同的特征線，如果曲線較為復雜，則應該適當增加特征線提取的密度。

3．3曲線分析

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

3．4曲面重構

對于一個工業產品，其外形非常重要，影響著消費者消費體驗。產品外觀數字模型的構建通常是利用多個曲面，經延伸、過渡以及裁剪、合并后形成的，在這種情況下，每一個曲面的構建在逆向設計中都發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現平滑連接，減少突兀性。事實上，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，想要實現對模型的重構是不可能的。因此，在曲線創建環節，需要將收集到的點云分割成若干份，根據每一份的特點，選擇恰當的曲面生成方法，才能構建出滿足相關要求的曲面。如果曲面的曲率變化較為均勻，可以利用CATIA軟件中的四點綴面進行曲面的構建；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模塊，選擇其中的最佳擬合曲面功能，進行曲面的構建。

3．5質量評價

對曲面的精度進行檢驗，所得結果如圖2所示。結合圖2分析，本文構建的曲面與網格面之間的距離在0．001mm到0．986mm之間，誤差值存在于允許范圍內，表明重構曲面能夠滿足工業設計的要求。在對曲面的質量進行評價時，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，其分布狀況見圖3。從圖中可以明確，在面積較大的區域，斑馬線的分布相對均勻，這也表明曲面光滑性良好，而在連接過渡區域，斑馬線整體呈S型分布，可以滿足G2連續的要求，因此從整體分析，重構得到的曲

3．6優化設計

在進行逆向設計的過程中，最為關鍵的環節，是曲線曲面的構建以及質量分析，一旦產品的曲線和曲面完成了重構，也就標志著可以以此為依據，針對工業產品進行重新設計，設計的對象不僅包括了產品的外形，還包括了整體的功能創新，以本文提到的跑車為例，基于重構模型，可以對車輪、標識、車窗、后視鏡等細節進行優化設計。例如，跑車模型原本的車輪是對柱體進行簡化后形成的，整體缺乏真實性，從強化跑車整體效果的角度，可以利用CATIA裝配設計工作平臺，對跑車的四個車輪進行優化設計，提升模型的真實性。

4結語

逆向設計是相對于正向設計而言，可以參照實物模型，通過數據采集和曲面重構，得到全新的數字化模型，從而對產品進行改進以及優化設計。本文提出了一種有效的模型點云數據獲取及處理的方法，配合GeomagicStudio和CATIA，針對某跑車進行了逆向設計，結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果，實踐證明，本文提出的工業設計產品逆向設計方法有著良好的實用性，值得進行推廣。

參考文獻

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作者:韓春雨 單位:天津市雄獅工量具有限公司