产品设计中的逆向工程技术应用研究

胡萍，干静

（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

产品设计中的逆向工程技术应用研究

胡萍，干静

（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

伴随着人们生活水平的不断提高，对产品的设计在注重实用性的同时还对产品外形提出了一定的要求。这意味着产品设计的难度比以前增加了许多，传统的设计和加工模式已经不能满足需求。为了满足新形势下对产品设计的需求，使产品既具备优良的性能又具有美观的造型，就要大胆探索，充分引进逆向工程技术。

产品设计；逆向工程；应用

随着数字技术不断发展，以往工艺产品设计所用的计算机辅助正向开发设计模式已经有局限性，难以满足产品设计中逆向工程的需要，这就要求对设计技术进行升级换代，使逆向工程技术能够顺利得到实施。

1 逆向工程的概念与主要技术

1.1 逆向工程的概念

逆向工程，亦称逆向技术。它是基于产品设计技术再现原理的一种设计理念。通过对一项目标产品进行逆向分析及研究，对其处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素进行还原出基本的模型，并根据这个模型为框架，设计出具有相近功能，但又不完全一样的产品。利用逆向工程技术,可以让产品开发更有目的性，达到节省时间、节省成本、提高效率等目的。

逆向工程的思路，最初是来自于商业及军事领域中的硬件分析的。当时，在难以直接获取产品信息的前提下，人们不得不直接根据产品的相关参数来对相关数据进行逆推。最终使逆向工程被提炼和升级为一门具有高度实用价值的应用科学。

1.2 逆向工程的主要技术

1.2.1 数字化测量

数字化测量是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以它们来建立起适当的数字化模型，把它们转化为一系列二进制代码，再通过计算机将这些二进制代码进行统一处理的过程。

1.2.2 测量数据预处理

在进行逆向工程的主要工作之前，对相关数据首先进行一些分析处理。它可以说是逆向工程的预备工作。

1.2.3 三点云重建

三点云重建是指对三维物体建立起适合计算机表示和处理的数学模型，为后面运用计算机技术对其进行处理、操作和分析其性质打下铺垫，它是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。

1.2.4 点云配准

通过扫描采样，获得两组有重复区域的点云数据，并选择一个恰当的合适坐标，把两组数据点云对齐及合并，统一在同一个坐标系下，来获取被测物体的完整数据。其配准手段可以依靠手动，自动和仪器来完成。目前最常用的就是仪器配准。

1.2.5 误差分析

对产品的理论数值和实际采测的数据进行比对，统计其误差，并分析出产生误差的原因，并通过采取相应的手段来尽可能地减少误差。

1.3 逆向工程的国内外研究现状

目前，关于逆向工程的研究已经在国外广泛开展。我国虽然起步较晚，但也进展较快。

1.3.1 国外研究现状

国外对于逆向工程的研究，起始于20世纪80年代，最初由日本名古屋工业研究所和美国UYP公司、美国3M公司开始这方面的试点，并开始逐渐受到学术界的重视。现在，对于逆向工程的研究已成为国外学术界的重要课题。目前国外不少高校和科研领域专门成立了大批关于逆向工程的研发部门，还诞生了一大批相应的制造公司及代工厂，并专门成立了这方面的基金会予以经济上的赞助。

目前，国外在测量设备、数据处理软件方面，都已经达到了相当高的水准，在CAD及CYM软件开发上，开始集成逆向工程模块。这方面有代表性的如UG NX5中的PointCloud等。现在，国外不少企业都把逆向工程大量运用于产品研发当中，有效地缩短了产品的研发周期，减少了企业的研发成本，使企业的市场竞争力进一步得到提高。

1.3.2 国内研究现状

在过去，受限于我国的技术条件，对逆向工程方面的研究开展的比较少。自1995年左右起，逆向工程方面的研究受到扶持，各项研究成果不断诞生。现在，我国在逆向工程方面的研究已经接近世界水平。在北京、宁波等地已经有了从事测量机研发的企业。

在数据处理软件方面我国相对于世界先进水平来说还比较滞后，目前，我国对数据处理软件的研究多限于一些工科名校如清华大学、上海交通大学、西安交通大学、华中科技大学等，有部分学者参与了对QuickFrom软件的研制。随着我国科技水平的不断提高和生产力的不断发展，我国对数据处理软件的研究一定会取得更进一步的突破，参与研究课题的单位和个人会越来越多。

2 逆向工程技术在产品设计中的作用

2.1 有助于节省成本提高效率

在产品升级换代时，对原有产品进行改良设计，可以使用逆向工程技术，以原有的产品数据为基础，进行CAD数字模型的修改、重构任务，从而缩短产品设计周期，降低产品开发风险，减少产品设计投入。明显的节省了产品设计的成本，提高了产品设计的效率。

2.2 明确产品设计的方向

在进行产品设计时，一开始我们常常会因为缺乏产品尺寸方面的模型，难以测算出产品的大致尺寸，而在产品设计的方向上陷入盲目的状态。此时，采用逆向工程技术，以比例模型为基础设计出产品的CAD数字模型，就可以尽可能地测算出产品真实的尺寸来，进而得出产品的全尺寸模型，这样使产品设计的方向更加清晰明了，设计出的产品模型更加精准，为产品后续的研发工作打下良好的基础。

3 逆向工程技术在产品设计中的运用实例

3.1 实例描述

这里我们以动车座椅的设计实施过程为例，浅谈逆向工程技术在产品设计中的运用。采用逆向工程技术来进行动车座椅设计，一共包括三大环节，分别是：第一，进行动车座椅产品模型的物理数据采集。第二，基于采集了物理数据结果——高密度点云的的产品模型，构建出动车座椅CAD数据模型。第三，通过对数据模型的特征参数不断进行调整和修改，快速制造出动车座椅的数字模型。

运用逆向工程技术设计出的动车座椅，不仅具备可靠的质量，并符合人体工学原理，让旅客乘坐起来安全舒适，而且能让造型更加美观，设计比例更加协调，使旅客看起来感到赏心悦目。

3.2 物理数据采集

在运用逆向工程进行动车座椅设计时，首先我们必须对同动车座椅相关的物理数据进行一系列采集。物理数据采集的方式很多，目前常用的有接触式与非接触式两种。它们可以说是各有千秋。其中，接触式采集法由于采用探头直接采集产品模型的表面数据，可以获得更加精确的获得产品的坐标信息，并且还能迅速而精确地确定产品的基本形状如平面、方形、圆形、椭圆形等。而非接触式采集法则是通过对产品模型表面的反射光或折射光，来测算实物特征数据信息。比起接触式采集法来，非接触式采集法的测量速度更快，但后期需要较大的数据量，且对产品的基本形状的测定精确度要低一些。此外，如果实物表面较为粗糙，那么测算出的数据就会难免出现误差。这里，我们选用非接触式采集法来采集动车座椅模型的物理数据，并形成高密度点云。

3.3 造型改良的设计

在进行动车座椅的改良升级时，我们同样可以采用逆向工程技术，对原有的产品CAD模型进行修改和重构，这样使得改良升级周期更短，开发风险更小，设计成本更少，并使新设计的动车座椅产品在原来的基础上，造型设计更具精度，设计方案更加至臻完美，更加符合市场需求。

4 结语

逆向工程技术是一种进行工业设计的新型模式，它的诞生、发展和普及，有效地缩短了产品的开发周期，减少了产品开发中存在的风险，同时还减少了开发产品所需的成本。利用逆向工程技术对已有的产品进行快速获取三维数据,通过对三维数据的处理,可以对产品模型进行重构,并进行优化设计、分析、验证、修复等操作,是一种对产品进行快速设计的有效方法，可以说是一种能让产品开发过程变得事倍功半的先进模式。目前，我国对于逆向工程技术的研发还处于起步阶段，逆向工程技术在我国有着广阔的发展空间和巨大的应用前景。

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[3]赵少君，韩利红.基于逆向工程技术在工业设计中的应用[J].湖南农机，2013,11(15):155～158.

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1671-0711（2017）04（下）-0140-02