新产品开发中的顺、逆向设计

郝恬

(武汉理工大学艺术与设计学院,湖北武汉 430070)

新产品开发中的顺、逆向设计

郝恬

(武汉理工大学艺术与设计学院,湖北武汉 430070)

在当今激烈的市场竞争中,产品的质量就是企业的生命。产品设计已经开始导入顺、逆向设计,这种技术实现了从“感性认识”到“理性认识”上的转变,同时解决了人机工学、空气动力学等方面的问题,也是现代新产品开发的重要手段。

产品开发 顺、逆向设计 三维扫描 数模重建

1 传统的顺向设计

通常来说，一般意义上理解的传统设计均指顺向设计。设计师依据产品企划时所制定的规划，绘制草图及效果图，并且依据效果图建构CAD几何模型，进行CNC加工完成模型制作，然后讨论修改，最后制造模具实现产品批量化生产。传统的顺向设计开发流程是一个成熟的、被广泛应用的开发模式。在这种开发流程中，设计思维收放自如，限定相对较少，并能集合企业整体力量，进行主动的原创性设计，是一个从无到有的创造性过程。(如图1）

图1顺向设计基本流程

具体来说，设计师进行草图绘制、概念筛选，一旦选定合适的概念后，就会利用Adobe Photoshop、Illustrator或CorelDraw等二维绘图软件将创意呈现在计算机上，此阶段称为2D图面阶段。以2D图面的形式给客户提供初始方案，当然有时也会直接用手绘草图来说明问题，这要根据各公司内部的设计流程和现场的具体情况而定。

当提案获得客户认同后，将进入三维数模绘制阶段。通常运用Alias、Rhino等软件;也有公司在此阶段运用Pro/E、CATIA、UG等参数化软件。此阶段称为3D图面阶段。实践证明，Alias、Rhino软件上手快，在输出逼真的三维效果图和浏览动画时特别见长，这往往是设计师的首选;而Pro/E、CATIA、UG等参数化软件，严格准确，方便修改的特点又往往受到工程师的青睐。

经过此阶段之后，通常要进行模型(手板)制作，来验证结构的准确性和装配步骤的流畅性。设计师可能要反复修改3D图面，以确保模具制作时的成本控制。最后是模具制作和批量化生产。

2 基于高技术下的逆向工程

高技术(High Technology，简称Hi-tech)的概念源于美国，是一个历史的、动态的、发展的概念，是建立在现代自然科学理论和最新的工艺技术基础上，处于当代科学技术前沿，能够为当代社会带来巨大经济、社会和环境效益的知识密集、技术密集技术。

逆向工程(Reverse Engineering)又称反求工程或逆向设计，就是近年发展起来的基于高技术背景的快速引进、消化、吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它把已有的产品或技术作为研究对象，用现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学、计算机技术及计算机图形学和有关专业知识为基础，运用设计人员的工程设计经验和创新思维，以解剖、掌握对象的关键技术为目的，最终实现对研究对象的认识、再现及创造性地开发。其中，点云采集设备和数模重建软件是逆向工程的核心。

2.1 点云采集设备

点云采集也叫三维扫描（如图2）。

图2

2.2 数模重建软件

(1)Imageware。Imageware由美国EDS公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。该软件拥有广大的用户群，国外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Raytheon、Toyota等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海 DELPHI、成都飞机制造公司等大企业。

(2)Geomagic Studio。由美国Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。该软件也是除了Imageware以外应用最为广泛的逆向工程软件。

Geomagic Studio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture五个模块。其主要功能包括：

自动将点云数据转换为多边形(Polygons);

快速减少多边形数目(Decimate);

把多边形转换为NURBS曲面;

曲面分析(公差分析等);

输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等)。

(3)CopyCAD。CopyCAD是由英国DELCAM公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。该软件为来自数字化数据的CAD曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。

(4)RapidForm。RapidForm是韩国INUS公司出品的，RapidForm 提供了新一代运算模式，可以实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为3D扫描后处理之最佳化的接口。RapidForm 也将使工作效率提升，使3D扫描设备的运用范围扩大，从而改善扫描品质。此软件的优势是：多点云处理技术、快速点云转换成多边形曲面的计算法、彩色点云数据处理、点云合并功能。

RapidformXO Redesign(缩写XOR)是一个创新的软件方案，它能够帮助工程师利用3D扫描资料和多边形资料创作出参量CAD立体图。XOR使用的是标准立体和平面造型工作流程和工程师所熟悉的用户界面，因而这种软件方案只需要很少的培训，并且还能够降低处理3D扫描资料所需要的时间，它还能制作出使用当今工程软件所无法制作的最高质量的产品。任何人，只要会使用SolidWorks，CATIA，Pro/ENGINEER或Unigraphics都可以开始马上使用XOR进行造型处理。

2.3 逆向设计的基本流程

简单地说，逆向设计就是根据已存在的产品实物或模型反向推出产品的设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。详细地说，就是使用专门的精密测量设备和数据采集、转化设备，获取现成产品或模型的表面形态参数甚至内腔参数，输入专门的信息数据处理软件，或者是带有相应数据处理能力的CAD软件进行优化处理和模型重建，并在此基础之上进行复制或结构设计乃至再创作。这样反复调整之后的模型，可以利用现代快速成形技术制作模型样机，并评估量产。逆向设计的流程分为以下步骤（如图3）：

图3 逆向设计基本流程

可以说，逆向设计是创新的重要手段之一，在运用逆向设计的时候我们应当注重对知识产权的尊重和保护，不能将逆向工程理解成“抄袭工程”。

3 顺、逆向设计是提升产品设计的有效手段

在航空航天、汽车工业中，产品的外形不仅是为了美观，更重要的是合乎空气动力学的要求。在产品开发的初始阶段就要认真考虑空气动力性。常规的设计流程是，首先要根据造型需要来设计出结构，并制作出油泥模型，将其送到风洞实验室，测量空气动力学性能，然后再根据实验结果对模型进行反复修改直到获得满意结果为止。最后将既美观又合理的模型扫描进计算机，根据点云数据重建数字模型。大多企业会再用巨型CNC机床制作1：“1代木模型”，有的企业甚至将“代木模型”再去做风洞试验，再调整，再扫描（如图4）。

图4 顺、逆设计流程模型

在激烈的市场竞争中，产品的质量是企业的生命。小型的产品设计也开始采用顺、逆向设计。就以“门把手”的设计为例，以往从图纸到产品的过程是很难得到完美的产品，因为，没有先做“把握”的实验就生产出来产品。而现在的设计师首先绘制出美观的效果图，再用油泥制作1：1的模型，在这个过程中设计师深刻体会造型与手的接触关系，不断推敲修改，直至满意。然后，就用三维扫描仪将油泥模型录入计算机，以点云数据为参照，进行数模重建。这样有利于修改手工对线条、曲面表现上的瑕疵，得到流畅、完美至极的数模。设计师会用代木或ABS块料通过CNC机床进行切削加工获取模型(手板);当然也会用SLA增材制造的手段进行实体验证。甚至还可以用SLS烧制成蜡膜去铸造合金。至此，就实现了从“感性认识”到“理性认识”上的转变，同时解决了人机工学方面的问题。

在此要强调说明的一点就是“：效果图”“、油泥模型”和“数模重建”最好是由一个人来完成。这样，有利于对设计概念深层次地挖掘，这就要求现在的设计师对审美、手绘、计算机工程能力等知识要全面掌握。而以往那种所谓2D手绘、3D结构，分部门来完成的状态也即将结束。产品设计不仅仅是提供一个漂亮的图样，而是一套系统的基于外观和结构的数据。相比传统的顺向设计流程来说，顺、逆向设计起到了事半功倍的作用。

[1]张三元,孙守迁,潘云鹤.基于产品反求工程的产品创新设计方法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2000,12(11)：851-855.

[2]陈能林.工业设计概论[M].北京：中国机械工业出版社,2011.

郝恬,(1993—),女,山东青岛人,武汉理工大学艺术与设计学院工业设计专业。