（设计艺术学专业论文）逆向工程技术与虚拟现实技术在产品设计中的综合运用研究.pdf

蝴明技术与虚拟现实技术在产品设计椭综健删究一般 摘要 随着现代制造业的飞速发展 各种新技术 新方法不断出现 融入到现代j 品设计中 为现代产品设计t 作注入了新的活力 同时 新的方法和技术对设计 师的传统思维 特别是对设计流程 设计技术的观念形成了新的挑战 当然 更 确切地说 是机遇 逆向工程技术虚拟现实设计技术是当今设计领域的两门重要技术 分别运用 于不同的领域 但是 这两门技术还处于发展过程中 实际操作中 由于相对过 高的使用成本和使用技术 除了在如汽车设计等特殊的设计领域 在大多数的产 品设计过程中都难以运用 通过研究 我们发现 现阶段 逆向工程技术巾的模 型数字化技术和虚拟现实设计技术中的与概念一体化的模型创造和修改技术是 其中对产品设计工作而言有现实意义的部分 而且具有一定的互补性 我们详细 分析了这两种技术的特点 并通过实际的设计操作 论证了逆向工程技术和虚拟 现实设计技术在现代产品设计流程中可以进行综合的应用 并起到实际的优化设 计流程 提高设计质量的作用 关键词 产品设计 设计流程 逆向工程技术 虚拟现实设计技术 模型数字化 再设计 综合运用 逆向1 程技术与虚拟现实技术在产品设计中的综合运用研咒 摘要 a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n g m o r ea n dm o r en e w t e c h n o l o g yb e g i n st ob eu s e di nt h ea r e ao f m o d e m p r o d u c td e s i g na n dg i v e sm o d e m d e s i g nm o r ee n e r g y o nt h es a m et i m e n e wt e c h n o l o g yi sak i n do fb r a n dc h a n g e a s w e l la sa t y p eo f n e w c h a n c e t ot h et r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e s s r e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dv i r t u a lr e a l i t ya r eb o t hv e r yi m p o r t a n tn e wt e c h n o l o g y a n du s e di nd i f f e r e n t p a r t si nt h e a r e ao fm o d e md e s i g n a l t h o u g h e x c e p ts o m e s p e c i a ld e s i g na r e as u c ha sa u t od e s i g n t h e ya r es t i l ld e v e l o p i n ga n ds t r i c t l yu s e df o r t h e i rh i 幽c o s ta n d c o m p l i c a t e do p e r a t i n gp r o c e s s b yo u rr e s e a r c h w ef o u n d t h a tt h e d i g i t a lm o d e l i n g s k i l lo fr e a n dt h ev i r t u a lm o d e l i n gs k i l lo fv r a r ep o s s i b l et ob e u s e di nr e a l d e s i g np r o c e s sn o wa n dc o u l dr e i n f o r c ee a c ho t h e r d u r i n gt h er e a l o p e r a t i o n w ea p p r o v e dt h a tt h e s et w op a r t sc o u l db ec o m p o s i t i v e l yu s e di nm o d e m p r o d u c td e s i g np r o c e s s a n d o p t i m i z e t h ew h o l e d e s i g ns y s t e m k e yw o r d s p r o d u c t d e s i g n d e s i g np r o c e s s r e v e r s ee n g i n e e r i n g v i r t u a lr e a l i t y c o m p o s i t i v eu s e d i g i t a lm o d e l i n g r e d e s i g n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如卜各 项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论 文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权 按有关规定向园家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为 目的的前提 f 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 汐d r 年 月 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 离裴秒千 学位论文作者签名 i 砷 5 年 月f 7 日72 棚睥 月 臼 龟 岛垆 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 签名 南跹 伊r 年 月i7 日 捻 拶黼工程技术与虚拟现实技术在产品设计中的综合刚 研究一绪论 绪论 逆向工程技术 虚拟现实技术都诞生十匕世纪中叶 随着9 0 年代计算机技 术和互联网技术的飞速发展 这两种技术在现代设计中的应用都体现出旺盛的生 命力 逆向工程 r e v e r s ee n g i n e e r i n g r e 技术 诞生于2 0 世纪9 0 年代 是一 种将已有的产品样本或产品模型 通过数字化技术转化为数字概念模型或工程设 计模型 并在此基础上进行解剖分析 优化调整 深化设计或再设计的一系列技 术流程的组合 其相关领域包括现代几何测量技术 数字化技术 图形图像处理 技术 计算机图形学技术 几何模型技术和现代加工制造技术等 由于这一技术 对现有技术成果的消化和吸收速度快 效率高 除现代产品开发领域之外 逆向 工程技术还被广泛的应用于机械设计制造 测量学 医学 地理学 考古学等多 种领域 虚拟现实 v i r t u a lr e a l i t y v r 技术 是通过现代数字化技术 图形处理技 术和信息技术 高度逼真的模拟人在现实环境或特殊 特定环境中视觉 听觉 触觉 甚至操作 运动等切身交互感受 运用于设计领域的虚拟现实技术并不只 是对设计或开发的结果的一种表现 而是可以并行于整个设计过程 辅助设计师 进行实际调研 人机分析 界面设计 形态和结构设计 色彩和材质表现等一系 列的工作 产品设计已有很长的历史 现代产品设计从1 9 世纪中叶产生萌芽开始至今 已取得了飞速的发展 在传统的设计流程中 设计师们不停地在构思一草图一表 现图 模型一结构中打转转 尽管这是一种饱经考验的常规流程 但是 其节奏 缓慢 与现代加工生产技术的接口不规范 设计信息量损失大等大量的问题也随 着市场发展而日益浮出水面 2 0 世纪8 0 年代以来 随着计算机软硬件技术的快 速发展和互联网技术的迅速普及 人类社会进入了一个信息爆炸的新时代 信息 街删嗍一 绪论 技术不仅直接使人与人之问的交流变得方便而快捷 i 刊时 它也带动了人类社会 各种部门 职能 技术等等的交流和换位 高产出 高效率的生产制造目标使设 计师开始尝试并逐渐掌握使用 甚至开发出一系列更适合产品丌发流程的方法和 技术 设计的方法 流程和技术不再仅仅局限于传统 对于个公司的产品研发 部门而占 根据自身的实际情况 合理的选择设计方法和技术往往对产品研发的 整个过程的成功超到决定性的作用 甚至对产品的生产制造 销售服务也有不可 低估的影响 逆向工程技术的思想最初来源于从油泥模型到产品实物的设计过程 特别是 在汽车设计领域 是一个从概念直接到油泥模型 在油泥模型上完成主要的设计 工作 然后再数字化 调整加工的过程 同时 现在加工制造工业迫切的需要 抄 袭 生产对象是已有的现实产品或由于种种原因不存在制造参数的模型样件 目标是仿制或者是在此基础之上的修改和生产 需要促使发展 作为一种吸收和 消化先有先进成果的手段 白2 0 世纪9 0 年代起 逆向工程技术开始受到世界各 国生产制造业和学术研究界受到了高度的重视 特别是随着现代计算机技术 测 量技术和n c 加工技术的发展 逆向工程技术在设计制造领域的应用日益广泛 但是 在产品设计领域 逆向工程技术在成功的解决了初期基础数据建立问题 使 用现成的产品或产品的样本模型 的同时 也产生了新的问题 由于数据测量技 术和形态识别技术的局限和不够完善 使设计过程中从实物或实物模型到数据模 型的合理转化出现了困难 逆向工程技术对控制形态的整体感觉和尺度很适合 但是它对细节的缺省的处理方式与其它关键形态的处理是一样的 特别是一些无 关紧要的细节和制造工艺产生的细节 这就使设计师刚刚从复杂而又缺乏实际感 受的初期建模行为中解脱出来 又陷入了一个更加无味的数据模型优化和重建的 泥淖中 而且 设计师需要把模型和数据模型都整理得相当完善 这样使整体的 工作进度异常缓慢和复杂 特别是针对为数众多的中小型产品的设计 这样复杂 的工序和漫长的设计流程是很难适合现代快节奏的市场需求的 但如果把虚拟现实技术的优势特点结台到上述的设计过程中 确实能解决相 当一部分逆向工程设计中出现的问题 虚拟现实技术可以根据设计师的需要 方 一一 一僦一绪论 便的介入到任何一个数字化的设计过程中 同时 虚拟设计技术可以使设计师随 心所欲的感受整体设计 控制每一个细节设计 过程就像以往的设计草图那样方 便 像实物模型一样直观 理论卜说 随着虚拟现实技术的不断发展 整个产品 开发流程 包括大中型交通工具的设计 化 事实上 如今大型交通工具的设计 甚至足建筑规划设计 都可以实现虚拟 如飞机 直都是虚拟化设计的 虚拟 化的技术也正被日益广泛的引入到包括从规划到产品的各种设计案例中 很重要 的一个原因就是 虚拟设计可以减少设计各环节的数据损失 从而减少价格昂贵 的各设计阶段的模型制作的次数 甚至跳过模型阶段 直接加工生产 但是很显 然 现在的虚拟设计技术不是十全十美的 首先是虚拟设计技术并未发展到以匕 假设的完美境地 其次是 现在的虚拟设计硬件设备 特别是最终的输出成像设 备动辄数千万的售价会大大的增加产品开发预算 现阶段 虚拟设计技术中可以 比较现实的加入到产品设计流程中的是借助现代虚拟设计软件和硬件设备模拟 传统的设计方法 取代比较复杂的形态推敲和模型制作过程 应该说 传统的正向设计方法在今天的产品设计中依然有着不可替代的地 位 思路清晰 流程简单易控制 开发成本较低 但是 传统的设计方法对产晶 最终形态的控制能力不强 而且每一次设计都要从头开始 不适于对人机界面要 求高的产品开发和仿制改进设计 针对特殊的设计对象或在仿制基础上的改进设 计 运用逆向工程技术可以最大量的吸收既有的技术和成果 通过合理的数据整 理 然后运用虚拟设计的方法进行再设计和虚拟输出 这样整合的设计方法与流 程 可以比较合理的运用各种技术现阶段的优势 优化设计流程 使设计师不必 再把精力投入到解决因运用某种技术而产生的弊端中去 同时 通过对具体设计 项目的研究和分析 并结合设计师自身的特点 可以合理的选择多种技术之间切 换的阶段位置 简化设计流程 提高设计质量 这一次的研究 正是希望通过对逆向工程技术 虚拟现实设计技术和现代产 品设计三者自身特性和优劣的研究分析 探索三者整合设计的可行性 并尝试分 析再整合的实际流程中 各种技术的切换点从而指导具体的设计工作 第章 现代产品设计与设计技术 第一章现代产品设计与设计技术 各种新技术 新方法在产品设计过程中的m 现和发展 与现代产品设计的发 展和要求密切相关 而现代产品设计的发展和具体工作流程必须要适应现代牛活 和现代制造业的需要 特别是运用于现代产品设计中的步骤和方法 必须与现代 制造业形成紧密有效的接口 才能使产品设计这个行业更好地为社会服务 因此 研究现代产品设计中的新技术和新方法必须通过研究现代制造业和现代产品设 计的具体技术 特点 流程 并把新技术新方法的优缺点与之相比较 从而探讨 新技术新方法的可行性和实际使用价值 1 产品设计概论 1 1 现代制造业 从1 9 世纪2 0 年代起 以福特的机械自动流水线为代表的大批量生产方式一 直占据着制造业的主流方式 为人类社会提供了大量的经济产品 大大推动了人 类社会的发展和进步 这样的生产制造方式的主要特征是 少品种 大批量的生 产 由于早期的商品市场是卖方的市场 企业不必考虑产品是否卖得掉 只是一 门心思的扩大生产 提高生产率 尽管这样的方式有效的降低了生产成本 但是 却是以损失产品的多样性为代价的 随着社会经济的发展 人们也开始认识到随着这样的生产制造方式产生的单 调的 少品种的产品很难适应现代人的生活需要 更难适应多变的市场需要 日益舒适的生活需要丰富多彩的产品 同益成熟的买方市场使厂家之间的竞争加 剧 厂家不得不调整自己的产品去迎合市场的需求 尽快地适应市场的需求和变 化 尽可能的降低产品研发制造成本 提高效率 创造全新的产品适应买方要求 成为制造业新的诉求 近3 0 年以来 以现代信息技术为先导的 智能化的 快 速反应的中小批量的生产制造方式正在为世界各国的企业集团所接受 全新的现 代制造业正在成长 第 章 现代产品设计与设 技术 l 2 现代产品设训 这里并1 i 想对现代设计多加敷述 但之所以要对 产品设计 进行讨论 是 凶为对一种方法和技术进行研究 必须先明确这种方法和技术的适用对象 传统 的 工q k 设计 的概念是宽泛的 广义的 几乎包括所有的对实用品进行的创造 活动 甚至可以包括部分倾向于艺术品的设计 但是 运用于这样的工业设计的 方法很难用统一的标准来衡量 既然在研究运用新的方法为现代制造业服务 我 们就有必要界定出特殊的一部分 与现代制造业密切相关 可以用现代制造业的 衡量标准来评价的设计领域 产品设计 就是这样的 种领域的符号 这里指的产品设计 其设计对象 至少具有两个特征 批量生产和大机器生产 针对这样的产品 设计的过程必须 要为后期的生产负责 很多新的技术和方法也正是为这样的生产而创造的 本着 利用资源的心态 设计师必须与尝试和利用这些新的技术和方法 同时 只有在 对这样的产品进行设计的过程中 先进的计算机辅助设计技术和更新的方法才会 有合理的流程借口 才能体现其优越性 1 3 现代制造业的特点及对现代产品设计工作的要求 自上世纪5 0 年代以来 人们开始适应少品种 大批量的生产方式 以适应 对效益和利润的追求 同时 人们也开始反思 对利润的追求并不能完全掩盖人 们对更加人性化 更加高质量的生活的追求 具体体现在人们的生产制造过程中 就是尽可能的提高效率和质量 并逐步体现人性 环保的要求 所以 现代制造 业的特点也反映了以上要求 以下现代制造业的特点与现代产品设计工作是休戚 相关的 1 3 1 产品开发周期缩短 产品上市时间快 产品生命周期缩短 更新速度快 竞争激烈的市场环境和日益挑剔的用户的消费观念迫使生产者不断地将产 品推陈出新 快速更新 流水线式的生产制造方式已经挤净了生产过程中的几乎 每一秒时间 要使产品能尽快的上市 尽快的更新 就势必要缩短原有的开发周 期 同时又要确保开发质量稳步提升 缩短开发周期与提高开发质量看似一对矛 第一章 现代产品设计与设计技术 盾的要求 但事实上 这就是划现代的产品设计t 作提出了更高的要求 设计师 必须适应现代市场的需要 使a 己的设计工作尽可能的少占用研发时间 同时 还要提高设计质量 光靠设计师本身素质的提高是不够的 设计工具 设计方法 和设计流程的更新调整 设计与生产更合理的协调是关键 1 3 2 制造过程需要具备价格方面的竞争能力 现代的制造业缩短开发时间 提高产品质量 同时 价格因素依然左右着产 品的市场 降低制造成本 降低研发成本 才能有效地增强产品的价格竞争力 对于产品设计工作而言 降低成本不仅是指设计师合理的进行材料 工艺 流程 的设计 降低产品的基本成本 更直接的则是设计研发工作本身 可以看到 研 发成本在整个生产制造总成本中的比例越来越高 这就意味着 研发过程成本的 高低直接影响着产品成本的高低 针对产品的切实情况 选择合理的设计开发过 程 方法和工具 通过与市场和生产部门的配合与协调 形成高效率 低成本的 研发流程 都可以有效的使整个研发过程少投入 多产出 1 3 3 制造业的创新能力 制造业的创新能力是决定着企业是否能适应不断变化的市场需求 长久发展 的最重要因素 创新能力指的不只是产品设计 工艺流程方面的创新 还只制造 观念 经营理念 机构组织等等方面的创新 市场在变 要求在变 制造业的创 新其实正是应对一切不断变化的主动策略 产品设计的流程更是如此 设计师不 再局限于传统的设计方法了理念 完全可以根据实际情况 利用一切可用的资源 和条件 创造适合自身和企业的设计流程和方法 从而提高设计效率和质量 1 3 4 高素质的人力资源和智能化的技术 尽管现代的生产分工越来越细 但这并不意味着工作人员只需要越来越深的 掌握本专业的知识 相反 工作人员除了要进行本专业的工作 还需要与其他各 工作流程进行协调和管理 这就要求现代的工作人员具有更高更全面的专业技 术 管理和协作能力 当然 随着生常及时的日益提高 这些高智能化的技术需 第章 现代产品没计与设计技术 要更高级的人员去合理使用 冈为再智能化的技术也不可能自己做完所有的工 作 产品设计和研发方面的技术改进的也很快 设计师如果固步自封 只会使自 己落后 坦然地面对新技术 新工具 新方法 驾驭他们 才有没计师的未来 1 3 5 注熏人性和环境问题 为人服务是制造的根本目的 产品丌发不能一味的追求利益 从使用和使用 者的角度出发考虑问题 创造真正适合需要的产品才能从本质上抓住消费的心 义的来说 环境问题是人性化问题的一个体现 也是目前关系到人类生存的重 大问题 设计师有责任和义务进行尽可能绿色的设计 选择环保的材料 环保的 工艺和流程等等 但这只是一方面的问题 设计研发的流程本身就是体现人性化 和环保的最好场所 节约资源 完善的虚拟设计技术可以大大的减少传统研发 过程中的人力物力资源消耗 特别是对于高研发成本的设计 绿色技术是2 1i u 纪制造业的重要特征 1 3 6 广泛的虚拟的协作 随着信息技术和互联网技术的发展 使设计研发工作利用大量的资源 协同 工作成为可能 同时 这些技术也为具体的设计研发工作带来了新的阳光 比如 说项目评审和设计反馈 2 产品设计与产品开发 产品设计本身是一个感性和理性并存的过程 设计师的想象力可以像天马行 空般自由驰骋 产品开发工作是一个相对理性的过程 产品设计工作对产品开发乃至生产销售等各方面个阶段都有直接或间接的 影响 设计师在产品设计的过程中 除了考虑产品美观的因素之外 还需要决定 产品的主要材料 考虑产品是否是与生产制造或者是如何制造 是否运用特殊的 工艺或材料 产品如何使用 产品寿命中止后如何进行废物处理 是否可以进行 回收再利用等等 产品设计工作实际上对之后的多个过程都有着决定性的作用 一一 讹 术 住产品丌发阶段 产品设计工作是整个过程的先驱甚至是主导 但是 产品 开发的过程却不是由产品设计工作所决定的 而是针对相关的市场销售信息 结 合企 l k 自身的能力和定位 进行统一规划的结果 产品开发的成功与否直接关系 到企业生存和发展 是一个理性的 慎重的过程 因此 产品设计工作的安排并 不是由设计师随心所欲的决定的 而是必须要考虑到产品开发的整体规划 产品 开发成本 产品后期开发力量等等因素 设计师的产品设计工作 除了上述的考虑因素外 更因结合自身的素质和条 件 考虑选择适合产品开发工作的程序和方法 并尝试优化这些方法 实施考虑 产品开发的要求和成本 3 现代产品设计技术 最近的一次工业革命是以计算机技术的反战和广泛运用为标志和基础的 因 此 运用于产品开发和产品设计中的现代设计技术 都多少与这一基础技术有着 关联 3 1c a x 自2 0 世纪5 0 年代开始 各种c a d c a m 工具开始出现并逐步应用到制造 业中 这些工具的应用表明制造业已经开始将利用现代信息技术来改进传统的 产品设计过程 标志着数字化设计的开始 从大设计的观点来说 c a x 就是现代计算机辅助设计的代名词 但是 计 算机辅助设计技术的范围更为宽广 现代主流的设计技术都是及计算机技术为 核心或是以计算机技术为支持的 从这个层面上说 以下大多数现代设计技术 都可以归入计算机辅助设计技术的范畴 3 2 并行工程技术 2 0 世纪8 0 年代后期提出的并行工程是一种新的指导产品开发的哲理 是 在现代信息技术的支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进 p d m 产 品数据管理 技术及d f x 如d f m d f a 等 技术是并行工程思想在产品设 第一童 现代产品设计与设计技术 计阶段的具体体现 并行工程是对与产品设计相关的过程 包括制造和支持 进行有效的集成 开展并向设计的一种系统化的方法 并行工程技术可以设产品开发从数据共享 开发过程管理 协同工作 应用工具集成等方面作为集成平台进行联合工作 并行工程技术较之其他现代设计技术 更侧重于考虑整个产品的生命周期 避 免产品开发过程造过程中出现不必要的重复 是一种过程优化方法 3 3 虚拟现实设计技术 随着技术的不断进步 仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深 刻 由原先的局部应用 单领域 单点 逐步扩展到系统应用 多领域 全生 命周期 虚拟现实设计技术正是这一发展趋势的典型代表 虚拟现实设计技术是备领域c a x d f x 技术的发展和延伸 同时 也是对传 统设计技术的一种回归和发展 具体的虚拟现实设计技术会在下文进行详细描述 3 4 逆向工程设计技术 逆向工程技术 以设计方法学为指导 以现代设计理论 方法 技术为基础 运用各种专业设计经验 技术 对已有的产品或模型进行解剖 分析 重构和创 新 是一种高度集成的技术组合 与虚拟现实设计技术一样 逆向工程设计技术也是在传统的优秀设计技术的 技术上发展起来的 但是 与其说是对传统设计技术的发展 不如说是对传统设 计技术的补充 通过传统的优良的造型技术进行设计 运用现代优良的数字化技 术是设计成果完整地运用于生产 下文将详细对逆向工程设计技术进行研究和分析 3 5 快速成型技术 快速成型技术是近十年来形成的一种全新的加工技术 本来不应该把它归入 现代设计技术 但它的出现大大影响了现代设计技术 影响和改变了现代设 t j 9 9 一一一黼酬技术 术的发展方向 并成为了现代设计流程中相当重要的一环 因此 也可以把它看 作一种现代的辅助设计技术 它完全摆脱了传统减料的加工方法 而采用全新的 增料加工法 将材料一层一层的叠加成型 他不受传统加l 一崽维和方法的影响 i 需要磨具和机床 可以方便的和计算机模型进行接e l 大大优化了现代设计流 程 1 0 一一一术 第二章逆向工程技术 逆向工程技术 也称反求技术或抄数 是一种重要的设计方法 广泛的运用 于现代设计领域 逆向 i 程的基础是精密测量技术和反向建模技术 因此 随著 上世纪9 0 年代计算机硬件技术技术给予区密切相关的光电测量技术 断面扫描 技术和相关软件技术的发展和完善 人们对逆向工程技术有了非常大的深化 逆向工程技术类似于反向推理 属于逆向思维体系 它以先进的设计方法沦 为指导 运用精密的测量 分析技术 对已有的技术或成果进行复制 解剖 分 析 重构和再创造 从而达到最大量的吸收现有技术和成果 优化设计程序的效 果 逆向工程技术运用于设计领域并不是偶然的 类似的设计方法早已出先在各 种设计领域中 平面设计师常常扫描现有的照片或图形资料 精密测量 用现 代的设计软件进行处理和优化 数字化 然后把它作为素材 进行再创造 再 创造 传统的动画设计师制作角色模型 进行逐帧动作拍摄 精密测量 运用 软件技术使之连贯为动画 数字化 并根据整部影片需要进行建切和特效处理 一一磋技术 创作最终的动画片 再创造 这种逆向思维方法早已在众多领域的工作中取 得了成功 在产品开发领域 从以汽车 摩托牟为代表的交通工具设计 到形态 复杂的家用产品设计 到艺术品复制或再创造等等 具体的设计丁作中 逆向工 程技术都已显示了它特殊的魅力 逆向工程技术不是万能的 设备成本高 对操作者的要求高 软硬件技术尚 未完善等问题都制约着逆向工程技术在产品设计领域应用 设计师或决策者必须 综合考虑各方面的因素 针对合适的设计对象 在合适的设计阶段运用逆向丁程 技术 否则 只会事倍功半 1 正向工程 1 1 正向工程定义 正向工程 f o r w a r de n g i n e e r i n g 技术 又称顺向工程技术 是一种传统的 已发展得较为成熟的工程技术 在产品设计中的正向设计 可以简单的理解为从 设计概念到工程图样 再到生产制造的过程 详细的来说 当今的正向产品设计 流程可以细分为以下步骤 设计概念一一概念数字化模型一 c a e 一模型样机 测试评估 铸模量产 这是一个非常严谨的研究开发流程 一切的设计步骤都是从明确的功能 规 格 成本等目标开始 设计师完整掌握着每一个步骤的技术档案 并且相应的责 能人员对每一个步骤也有着严密的检验程序与手段 正是由于以上优点 正向工 程技术在各种设计流程中依然有着不可替代的地位 1 2 运用于产品设计得 f 向 亡程技术本身存在的问题 尽管对于正向工程设计方法的设定似乎是完美的 但是 事实并不能与设定 无缝的契合 其中 设计中的体验因素和设计步骤转化中的信息损失是正向工程 设计的致命伤 1 2 1 体验因素 随着设计的进步 人们早己不只把设计 局限在 个审美的范畴内 体验成了 第章 逆向工程技术 衡量设计优劣的重要冈素 运用传统的图面设计技术 由于表现幅面有限 效果 的真实性义直接取决于设计师的个人能力 因此在像汽车之类的交通工具设计 中 如果只靠传统的订三向设计技术 一定会遇到图纸上好看而现实与图纸大相径 庭的情况 而且 这类设计埘象 靠传统的正向技术 很难准确的把握怎样的设 计可以使未来的用户使用时很舒适 同样的问题还出现在涉及到人机界面的工具 类和日用家电的设计中 更困难的是 传统的正向设计方法 很难真实的模拟设 计师对质感 特效的设计而产生的触觉甚至听觉效果 如果有l 1 的模型来辅助 情况会好很多 1 2 2 信息损失 完整流程中步骤的转化难免会造成信息和数据的损失 正向设计过程中从概 念到数字化的过程往往会产生大量的信息损 由于从设计草图到概念数字化中需 要运用到现代c a d 技术 缺乏经验的设计师常常会发现自己的数据模型和自己 大脑中的构思完全不是一回事 事实上 即使是设计界的行家里手也很难说自己 的数据接口是完美的 更何况 其实在从大脑中的概念到草图的环节中 也会有 大量的信息损失 设计师必须化大量的精力积累经验 使自己的概念草图尽可能 的如实反映自己的构思 然后再使自己的数据模型如实反映自己的概念草图 每 一次的转换都缺乏一个简单明了的标准和方便易用的转换手法 最好的办法是让设计师能直接看到甚至触摸到自己的概念 1 3 现代的设计要求对正向工程技术的挑战 随着社会文明的发展 产品设计是要面对的设计对象的范围被大大的拓宽 了 很多全新的 复杂的设计对象使设计师非常棘手 同时 设计师的设计元素 也早已不是一个方盒子那么简单了 很多新的设计元素进入设计师的视野 它们 一方面丰富了现代设计 另一方面则给设计师造成了 不小的麻烦 这些方面对传统的设计工作的挑战事实 上源于辅助传统正向设计的软硬件技术的局限 但是 很显然 设计师暂时无法改变这个现状 唯一的方法就是寻找方法上的突破口 饿 链拶第二章一黼上程技术 1 3 1 棘手的新设计对象 拥有复杂的流线型形态的产品 如新的交通上具 生产工具和时尚产品等 对使用体验因素要求高的产品 如交通工具 大型医用设备等 1 3 2 麻烦的新设计元素 带有复杂无序的肌理效果的形态 如表面浮雕 对 自然界动植物随机表面的模拟 极其繁复的曲面或曲面 群 如艺术雕塑等 当以上罗列的设计对象出现时 现代的设计师都头 痛不己 因为 不论是设计师所依赖的c a d 技术还是 加工生产部门所仰仗的c a e 技术 普遍是以经典几何关 系为基础的 而以上形态又大多很难用经典几何关系来 表示 或表达过程极其复杂 不论是计算机硬件还是操 作者本身都很难承受 更何况 随着社会生产节奏的加快 跟没有时间让设计师 空耗在无穷尽的建模工作上 2 逆向思维 有时 反其道而行 反而会得n 4 个更好的开端 心理学研究表明 每一个思维过程都有一个与之相反的思维过程 在这个瓦 逆过程中存在着正逆向思维的联结 所谓逆向思维 是指和正向思维方向相反而 又相互联系的思维过程 即我们通常所说的 倒着想 或 反过来想一想 逆 向思维属于发散性思维的范畴 是一种创造性的求异思维 逆向思维有悖于通常 人们的习惯 而正是这一特点 使得许多靠正常思维不能或是难于解决的问题迎 刃而解 一些正常思维虽能解决的问题 在它的参与下 过程可以大大简化 效 率可以成倍提高 正思与反思就象分析的一对翅膀 不可或缺 在工作与生活中 人们总在自觉不自觉地采用这两种思维方式 两种不同的思维方式导致了行为两 种完全不同的发展状态 传统的顺向思维方向明确 按部就班 行为的发展往往 第章逆向工程技术 会是小步幅 多阶段 渐进式增长 而逆向思维则打破了传统的行为节奏 从结 果或部分结果出发 假设其成立 倒推成因 使用得合适往往会驱动行为发展大 步幅 同步化 跨越式增长 因此 研究作为逆向思维方法的实际应用的逆向工程技术 就必须把传统的 正向工程于逆向工程作为一个互相关联的统一体进行分析 3 逆向工程 3 1 逆向工程技术的定义和基本流程 随着社会发展 市场竞争日益激烈 产品的生命周期缩短 因此 提高研发 和生产的速度 成为企业提高市场竞争力的重要手段 同时 市场对产品的各方 面的质量的要求也越来越高 设计师的工作任务越来越繁重 难度越来越高 逆 向工程技术的发展正是以现代市场要求为背景而迅速发展的 逆性工程技术的方法来源于汽车设计中从油泥模型到产品实物的过程 简单 的说 就是根据产品 或零件 的原型或模型生成加工图样 再进行加工制造的 过程 详细说 就是使用专门的精密测量设备和数据采集 转化设备 获耿现成 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c a d 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 速成型技术制作模型样机 并评估量产 详细分析 可以把产品设计中的逆向工 程流程分为以下步骤 产品原型 或模型 一数字化信息一 优化 重构模型 一数字化调整或再创作 快速成型模型一一测试评估 一c a e 一一铸模量产 逆向工程技术可以最大量的消化和吸收现有的技术和成果 其整体核心在于 一系列的用于吸收现有技术的分析方法和实际应用技术 运用于产品设计流程的 广义的逆向工程技术包括对具体形态的逆向 材料材质的逆向 加工工艺技术的 逆向和对机械结构 运动规则进行的逆向等 第二章 逆向工程技术 3 2 逆向工程系统组成 从逆向工程的流程分析中 我们可以看出 逆向工程系统与其它的设汁系统 相似 也是由信息输入 信息处理 一信息输出三人模块组成 更准确的说 是 原型数字化 模型重建 优化 再创作 模型或模具输出三大模块 产品原型 或模型 一数字化信息 一优化 重构模型 数字化调整或再创 作 一快速成型模型 测试评估 一c a e 铸模量产 原型数字化 一 模型重建 优化 再创作 模型或模 具输出 3 2 1 原型数字化 精密测量仪器和测量探头是原型数字化的主要设备 决定测量精度极效果的 主要是测量探头 其中 精密测量仪器有三坐标测量仪 多轴专用机 多轴关节式机械臂等 测量探头主要是接触式探头和非接触式探头两种 c 1 接触式探头 接触式探头最常见的是采用机械式探头的三坐标测量机c m m c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e 和优解初始滑动探头的三坐标测量机 探头一般是非常敏感 的压力感应装置 通过记录受力点的三个坐标轴上相对于既定原点的相对位移的 大小 计算出所测点的x y z 值 第一章 逆向工程技术 此外 还有声波测量 超声波数据采集 和电磁测量 磁场数据采集 等方 式 接触式探头测量精度高 但是速度缓慢 同时 操作者很难对曲率变化很大 的曲面进行准确测量 由于受到测量机手臂的限制 这种探头也不适宜测量如凹 坑 内腔等内凹形态 因为测量点的确定来自于探头受到的压感 所与当被测物 体表面相对比较弱软使会影响测量精度 甚至无法测量 2 非接触式探头 非接触是探头主要是光学 测量 根据使用的光源不同 又 可以分为主动式测量和被动式 测量 主动式光学测量探头 采用特殊的光源 如激光和有特殊波长的可见光 常 见的测量法有结构光式和点距式 结构光式测量使用三角原理来确定点的坐标 因此也叫三角测量 点距式测量的光源和感应元件布置在同一个轴上 通过计 算入射光和反射光的相位差或是检查来确定点的位置 被动式光学测量探头直接使用环境光 又可以分为单视角测量探头和多视角 测量探头 以光学测量为代表的非接触式探头测量 尽管暂时的测量精度还不及传统的 三坐标测量仪 但是其采集数据的速度高 而 且有相应的数据处理软件配合 工作效率非常 高 正被愈来愈广泛的运用 但是 以上技术 还是无法较好的测量产品内腔的形态 除了上述的接触式探头和非接触式探头 第童 逆向工程技术 随着测量技术的进步和学科交流 交叉的发展 用于医学领域的c t 技术和用于 工业领域的c t 断层扫描技术 甚至是用f 工 j k 领域的破坏式的切层扫描技术 c g i 技术 也开始被运用于逆向工程领域 最新诞生的摄影成像技术是运用一种 全新的光学测量仪器 在自然光环境下 利用光学三角定理 由数码相机摄取背 侧物体表面影像 经数码影像处理器处理 从而生成点云数据 这些新的方法对 产品的测量都比较完整 激光扫描和摄影成像的技术是目前运用最为广泛 发展潜力最大的原型数字 化测量技术 3 2 2 模型重构 优化与再创作 这一部分的工作由模型重构 优化和对得到的数据模型进行再创作两个过 程 运用于这些过程的 主要是相关的c a d c a e 软件系统 1 模型重构 优化 上一步骤得到的基本是复杂的点云数据 点云只表示被测量到的相关参数点 的空间位置关系 对设计和加工没有实际意义 在接下来的环节 需要借助相关 的软件 对点云进行优化分割 使之易于处理 然后合理的过滤 抽取点 构建 篇章 逆向工程技术 特征曲线 再对得到的复杂曲线进行优化 并构建曲面 分析得到的曲面群 进 行曲面连续性调整 最后是向辅助设计软件会工程软件输出 用于模型重构和优化的软件 一般有三种选择 a 使用原型数字化设备a 带的软件 这类软件与前面步骤数据衔接好 易 于操作 但是他们的功能一股都集中在数据录入 对于重构曲面方面的功能一般 都比较弱 对于调整修改就更差了 b 基于正向工程技术的c a d c a e c a m 软件 如美国e d s 公司的u g 美 国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 软件的p r o s c a n t o o l s 模块和p r o s u r f a c e 模块 法幽 m a t r a 公司的e u c l i d 美国e d s 公司的l d e a s 等等 这些软件 日 以接受测量得到 的点云 并具有优秀的构建模型和修改加工功能 而且不存在与加工生产工作的 数据接口问题 但是 这类软件再构建模型方面的优势主要体现再正向工程方面 但是对于处理和优化无序的点云数据并重构模型 就显得力不从心了 而且 与 专门的逆向造型软件相比 不但功能大为不足 而且对操作环境的优化不好 要 想顺利的完成逆向工作 对计算机硬件的要求极高 c 专门的逆向造型软件 s d r c 公司的i m a g e w a r es u r f a c e r 软件 r a i n d r o p g e o m a g i c 公司的g e o m a g i c p a r a f o r m 公司的p u r 娟o r m d e l c a m 公司的c o p y c a d 等 由于对相应的工作做了专门的功能设定和系统优化 运用这类软件进 行模型重构的工作速度快 正确性高 操作方便 但是由于是相对于正向设计软 件不同的软件系统 而加工生产则必须使用传统的正向设计软件 所以 二者之 间存在数据接口的问题 而且这样的工作要求设计师要在掌握一套工作软件 这 就大大的增加了对设计师的要求 以上的三种方式都各有优劣 但从长远发展的角度来看 数据接口的统一 设计师操作的连贯性是发展的趋势 因此由用于加工生产的传统软件 开发出与 该软件由良好承按关系 并且功能强大的逆向模块 是应该着力研究的 很多传 统的大公司已经开始了这方面的工作 并取得了相当大的进展 u g 的q u i c k s h a p e p t c 的i c e ms u r f a l i a s w a v e f r o n t 的s u r f a c e s t u d i o 等 都是这方面研究 的成果 第二章 逆向工程技术 2 数据模型再创作 主要是利用传统的正向设计软件进行深入设计或是修改 3 2 3 模型或模具输出 这里主要是指三维实体模型的构建和现代快速成型技术 1 二 三维实体模型的构建 快速成型是按材料叠加的原理进行制造的 只能接受计算机构造的三维实体 模型 因此 在进行快速成型之前必须把数据模型转化为三维实体模型 在常用 的c a e 软件中都集成了相应的功能 美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 和美困e d s 公司的u g 等c a e 软件还具有很强大的直接生成三维实体模型的能力 对快速 成型的支持比较好 2 快速成型技术 r p 快速成型技术是近十年来形成的一种全新的加工技术 它完全摆脱了传统模 型制作过程中 去料 的思维方法 而是采用 添料 法 是在高性能的计算机 上 依靠c a e 软件将产品的三维实体模型分层切片成二维轮廓图 将材料按这 些二维图用刀具或激光束现则星的切割成一层一层 再将这一层一层的原料叠加 在一起形成最终的产品模型 一一一酗 比较典型的快速成型技术有 光固化立体造型 s l as t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s 选择性激光烧结 s l ss e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g 熔融沉积造型 f d mf u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g 叠层制造 l o ml a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g 4 逆向工程的关键技术 对设计师而言 逆向工程中 产品原型的数字化技术和计算机辅助模型重构 技术是最关键的两项技术 4 1 产品原型数字化技术 产品原型的数字化是通过精密的测量设备和测量方法或曲原型表面离散点 的几何坐标数据的过程 提高测量精度是这个过程的关键 实际测量中会影n o j 钡 0 量精度的因素很多 比如说光学测量系统本身的测量误差 原型表面材质 色彩 对扫描结果的干扰 工作环境对测量过程的干扰等等 处理好这个过程 一方面 取决于所采用的测量系统本身的技术性能 另一方面取决于操作者的实际操作经 验 根据被测量的原型 选择合适的设备 合适的工作环境 合适的操作方法和 步骤 细致的操作都会影响最终的测量结果 4 2 计算机辅助模型重构技术 计算机辅助模型重构技术对设计师而言 是整个逆向工程过程中的技术重 点 其重点在于深入了解现代c a d 技术对几何模型的定义和特性 并同步了解 现代的c a d 建模造型技术和逆向c a d 造型技术 根据实际的需要和条件 选 择合适的造型方法构建模型 再对得到的模型进行合理评价和调整 因此 在这 个过程中 现代几何模型特性 现代c a d 造型技术 逆向c a d 造型技术和模 型检验评价技术是四个重要技术点 4 2 1 现代几何模型特性 谂 巡掣第二审一逆向工程技术 现代几何模型根据其几何信息和拓扑结构关系 一般可以分为线框模型 w i r e f r a m e m o d e l 曲面模型 s u r f a c e m o d e l 和实体模型 s o l i dm o d e l 某 些软件还根据实际需要开发出了基丁现况模型的面片模型 p a t c hm o d e l 本质 与线框模型是一致的 1 线框模型 线框模型是现代c a d 技术发展过程中最早出现的一种模型 这种模式是靠 系列空间直线 圆弧和点构成 一般用来描述模型的几何轮廓 这种模型定义 简单 数据结构清晰 因此一般模型的数据量小 但是正是由于其定义简单 它无法表达很多现代设计首先的复杂曲线 只能靠模拟的方式来表达 因此会造 成大量的设计数据损失 这种模型的最大缺点还在于它无法真正识别和表达模型 中面和体的概念 就无法进行模型的几何特性及物理特性分析 不能判断零件之 间的联系及干扰关系 它对产品形态的描述在于构建空间曲线群 再借助设计师 的视觉想象力整合成空间形态 因此就无法辅助加工和制造 2 曲面模型 一一鳓米 我们可以把线框模型中线框包围成的部分定义为曲面 曲面群连接而成的模 型就是曲面模型 当然 现代的曲面模型的定义远不止这么简单 首先 基本元 素点除了由空间位詈的定义 还定义了空间方向 曲线也是用现代是量函数的方 法来定义 1