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内容简介：

收稿日期： ! # $ # %&作者简介： 姜楠 （%(! # ） ， 女， 扬州人， 现为东南大学硕士研究生， 扬州大学工学院讲师。主要研究方向为： 计算机辅助工业设计、 )*+,)-。产品的逆向设计法研究姜楠（扬州大学工学院， 江苏 扬州!.）摘要 对产品的逆向设计法的流程、 关键技术与应用作了研究， 指出现代工业设计师进行产品造型设计时采用逆向设计法将有起点高、 成本低、 周期短、 易改型、 易创新的特色。关键词： 产品设计； 逆向设计中图分类号： /0$1!文献标识码： 0文章编号： % # 2.(2 （!） 2 # %22 # !#$%& () *)+%#,)- .#,-) /(% 0%(12&3#!#$% $&（ 3456789: ;5?AB，3456789: !.， )8 C?9D，EB AD85 45G 4CCHD4A95 9I ? GG 5 A8?K L9G?5 5G:A? M4B G 4CC?94D8 A84A 8? 5 A4?A56 C9? ? ?4NH 4 OHH 4 559=4A9?B 5 4K67 8(%1#： P?9G:DA G?65工业设计师在进行产品的造型设计时， 所采用的方法一种是正向设计法， 这是一个从概念设计起步到 )*+ 建模、 数控编程、 数控加工的过程， 如图 %所示。这一设计过程难度系数大、 周期较长、 成本高、 不利于产品的研制开发。图 %产品造型设计的正向设计流程%产品逆向设计的产生与应用在飞机、 汽车、 工艺美术品和模具等行业的设计和制造中， 通常是由复杂的自由曲面拼接而成， 因此在概念设计阶段难以用严密、 统一的数学语言来描述， 这些产品的初始模型是通过对事先制造出的木制或泥制模型来实现数字化产生的。近年来在产品造型设计中逐渐走向成熟形成逆向设计法。由于产品造型的逆向设计有起点高、 成本低、 周期短、 易改型、 易创新的特性， 自出现以来便受到了现代工业设计师的关注。目前该技术在下面几方面得到了广泛应用： $9用于汽车、 摩托车等具有较复杂曲面外型产品的修复与改型设计中； 59用于设计与制造个性化的产品， 如人体拟合、 太空服装设计、 假肢设计等； &9根据客户样件进行模具设计时， 该项技术可使自动化程度大大提高； 19在样件缺少图形文件时， 可用逆向设计来生成图形文件； 9在快速原形制造中逆向设计可实现原形产品的快速准确建模，并进行重新设计。!产品逆向设计的过程及其关键问题产品的逆向设计是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理 （数据采集、 数据处理） ， 并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的)*+ 模型 （曲面模型重构） ， 并进一步用 )*+R)*SR)*L 系统实现分析、 再设计、 数控编程、 数控加工的过程。图 ! 为逆向设计的流程图。图 !产品造型设计的逆向设计流程在逆向设计中数据采集、 数据处理、 模型重构是产品造型设计逆向设计的三大关键环节。数据采集 （样件的表面数字化） 是进行产品逆向设计的第一步。一般而言， 数据采集可由接触式与(2%包装工程! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !P*)T*-QU- SU-QUSSVQU- W9HK!2 U9K2 !万方数据非接触式两种来实现。接触式方法由于对物体的表面的颜色和光照没有要求， 因此物体边界的测量相对精确， 但对软质材料适应差且速度慢；而非接触式方式 （以激光为媒介的非接触三维表面数据采集法） 在采集实物模型的表面资料时， 采集速度快， 可形成 “点云” 资料， 缺点是精度较低而且对样件表面和光照有较高的要求。数据处理的结果将影响模型重构的质量。在此阶段一般应进行数据预处理、 数据分块、 数据光顺、三角化、 数据优化、 多视拼合、 噪声滤波、 拓扑建立、特征提取等工作。模型重构方案目前主要有三种： !） 以 #$%&()或 *+,$ 曲面为基础的曲面构造法； -） 以三角 ).#)/ 曲面片为基础的曲面构造法； 0） 以多面体面片为基础的曲面构造法。0几种用于逆向设计的应用软件目前， 在国际市场上已出现了一些用于产品逆向设计的应用软件， 如美国 1234)53/) 公司的 $6/738#)/9:!，英国 ,)(;?， 英国 AB=C 公司的 $=,1A 3(D $6/738) ,)8E(;F/68FE( 等， 英国 B)&#?A公司产品 ?E%G?B； 此外， 一些 ?BH?A 系统， 如美国 I=? 公司的 I/EH(4()/ -JJJ、 美国 +K$公司的 +(4/3%=1 等在其系统中也集成了可实现逆向三维造型设计的模块， 但与专业的逆向工程软件比较在功能上有较大局限性。例如： $6/738)/9:! 逆向设计软件可方便的实现下面几项功能： !） 接受不同来源的扫描资料点的分析与处理。如 ?AA，L3;)/，;)(;E/;，+&F/3;E6(D等； -） 快速、 准确地将扫描点转换成 *+,$ 曲面； 0）对曲面模型的精度、 品质进行评价； M） 对曲线、 曲面的形状实现交互修改。在产品的曲面模型重建时，$6/738)/9:! 不需经过建造曲线来构造曲面而是直接由扫描点来直接产生曲面； 或采用建立周边曲线再用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面； 也可首先在扫描点群中构造 *+,$ 曲线， 再由曲线来产生曲面。M结论展望未来， 伴随着计算机硬件与软件技术条件的发展， 逆向设计法所具备的起点高、 成本低、 周期短、 易改型、 易创新的优势会日渐明显， 该方法必将成为现代工业造型设计师实现产品造型设计的首选方法之一。 参考文献 ! 田晓东等: 复杂曲面实物的逆向工程及其关键技术N : 机械设计与制造，-JJJ， -O （M） :- 齐天鹏等: 基于点云资料的曲面重构方法研究 N : 工程图学学报，-JJ!，- （!）!:（上接第 !0- 页）属于改革开放后成长起来的一族， 敢于挑战陈旧， 敢于实践的新人类或新新人类。这些人， 并非真崇洋媚外， 而是对于任何新鲜事物都感兴趣， 这一点就使我们的设计中多了一种融世间万物于一体的能力，也就是世界潮流。0:0设计中的东方气质其次， 风格问题将是本民族设计走向世界的标志，“只有民族的才是世界的” 。著名的美籍华裔设计师陈秉鹏先生讲：“对西方风格的主流加以挑战和刺激是很必要的， 世界需要来自不同文化的新品位和新理念。中国应当在设计领域继续进行国民文化和本体教育。 ”“虽然工业设计发端于西方， 但中国将会找到自身的美学和文化承传” 。也就是说， 中国应当将东方哲学底蕴应用到现代设计中去。我们知道东方哲学是唯一可以和西方文化相媲美的。中国的设计讲究空灵、 隽永、 富有文化气质，“小桥流水、 诗情画意” ； 同时， 因为有着五千年的历史，故而设计中有着高贵、 典雅、 富丽堂皇、“歌舞升平、光彩照人” 的成分。这些都是文化赋予我们的历史财富。文化是一种活生生的载体， 她不是单纯的对历史的总结和回顾， 其根本是要发展的， 如何将现代设计与文化底蕴有机结合是当代设计者的历史责任。这需要设计者有敏锐的眼光， 创造性的思维， 而故步自封和全盘照搬必将造成设计文化的混乱。在现代产品设计中， 一般情况下， 西方形体表达方法为人性化、 构成化、 抽象化。其实这些与中国的文化是完全可以相容的。例如人性化设计， 我们一般在自然界不是以人为主题， 而是将人与自然融为一体， 这种形势比单纯的人性化显得更高， 设计技法多使用对称、 均衡。同时这些手法对于设计师的要求则更高。对于产品设计的欣赏， 是平淡中见真谛，即某项产品设计不要过分的突出， 否则 “过犹不及” 。设计是经济基础， 是以人为核心的服务。同时，也是哲学理念的现实化的反映。90! 姜楠产品的逆向设计法研究万方数据产品的逆向设计法研究产品的逆向设计法研究作者：姜楠作者单位：扬州大学工学院,江苏,扬州,225009刊名：包装工程英文刊名：PACKAGING ENGINEERING年，卷(期)：2002，23(3)被引用次数：7次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.田晓东 复杂曲面实物的逆向工程及其关键技术期刊论文-机械设计与制造 2000(04)2.齐天鹏 基于点云数据的曲面重构方法研究期刊论文-工程图学学报 2001(01) 相似文献(10条)相似文献(10条)1.学位论文 鹿素芬 概念设计自动化软件DARFAD与其它系统的集成技术研究 2007 概念设计自动化软件ACIS-DARFAD借助于生物生长的机理，提供产品设计从无到有、零件从少到多、表面从初级到高级、结构从简单到复杂的进化模式。生长型设计模式的出发点是已有产品的需求原型。本文从已有产品出发，以STEP中性文件为交换机制，从中性文件中提取3-D产品模型的数据信息，应用ACIS API函数重建，并转化成基于功能表面的产品装配模型，进而通过逆向设计得到产品的需求原型，实现了ACIS-DARFAD软件与其他系统的信息集成。 本文建立了基于STEP的面向对象的产品装配模型。首先将STEP中性文件的实体数据信息映射为一系列的C+类结构，保存在一个链表中。然后根据面向对象的思想采用C+语言建立基于边界表示法(B_rep)的产品信息模型的类结构，将中间文件的几何和拓扑关系信息读入到相应的类结构中，建立了几何和拓扑关系信息的关联。最后采用ACIS API绘图函数实现三维产品模型的重建，在ACIS环境下进行产品几何模型的显示。 实现了ACIS几何模型向ACIS-DARFAD的基于功能表面的产品装配模型的转化。首先在ACIS数据信息的基础上，采用宽度优先算法实现装配关系的查找，根据装配体的几何信息自动识别装配关系。然后对识别出的装配关系进行存储，将ACIS中的零件类、表面类转化成基于功能表面产品装配模型中的零件类和功能表面类，向PartNet网络结构中添加零件与零件、表面与表面之间的关系。然后，对生长型设计过程进行回溯，通过功能模式之间的耦合作用实现对需求原型的反求。提供了一条从已有产品到创新产品的实用设计技术途径。 最后，阐述了系统的功能、模块设置、系统开发技术和运行环境。并以机械带传动结构为例进行STEP后置处理器功能的验证；以活塞半精镗工序夹具为例，详细介绍了产品装配模型的转化和产品原型的反求过程，验证了本文理论研究与技术实施的正确性和实用性。2.期刊论文 姜斌.魏琳.JIANG Bin.WEI Lin 基于逆向工程的工业设计研究 -轻工机械2005,23(2) 为有效运用逆向设计工具及方法,体现计算机辅助设计中逆向环节对产品设计的重要作用;以及企业如何运用逆向设计进行产品的创新设计研究,本文对信息时代产品设计的竞争力,逆向设计的技术,特别是逆向创新设计进行分析,以建构起适合信息时代的创新设计方法.3.学位论文 林通 基于逆向设计的摩托车造型设计方法研究 2008 随着人们需求的变化，产品造型设计在机电产品设计中的地位越来越重要。而在产品造型设计中产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造都非常需要逆向工程的支持。 文中在对产品的逆向工程技术进行系统研究的基础上，以两轮骑式摩托车造型设计为例总结出了产品短周期逆向设计程式。首先根据产品程式化与系统化设计方法，在对现有摩托车的造型进行市场调研与分析的基础上，确定设计方向和目标人群，并进行初始方案设计与方案优选。其次应用逆向设计方法，对优选的设计方案制作油泥模型，并对其进行数据采集，应用拼接软件制成数模，在空间点云数据模型基础上快速重建了CAD模型。最后应用3Dmax软件完成产品的效果图制作，并进行方案优选。 文中围绕逆向工程的三个核心环节：物理模型的制作、三维数据的采集、CAD模型的重建，通过两轮骑式摩托车造型设计详细地介绍了应用逆向工程技术的产品创新设计方法。通过市场调研与分析，对摩托车的开发进行市场定位，对摩托车的造型进行了概念设计，应用功能分析法进行方案综合与选择，并制作完成了全尺寸物理油泥模型。使用Vivid910三维扫描仪对油泥模型进行了三维数据采集，应用Imageware、Pro/E、3Dmax软件完成了STL文件数据处理与CAD模型的重建。 在产品造型概念设计、物理模型制作、三维CAD模型重构过程中，都能对产品造型进行创新设计，特别是对于复杂的产品造型，使用逆向工程技术更有利于其创新设计。4.期刊论文 庞爱民.生鸿飞.汪小曼.林富生.PANG Aimin.SHENG Hongfei.WANG Xiaoman.LIN Fusheng 基于逆向工程的产品设计研究 -武汉理工大学学报（信息与管理工程版）2007,29(7) 描述了在Pro/E系统里实现逆向设计的关键部分,阐述了逆向设计中的数据处理、三维模型重构等基本概念,介绍了基于逆向设计的产品设计开发过程.并以激光弱视治疗仪眼罩的设计为例,通过选用合适的硬件系统和软件系统,完成了逆向设计全过程.实践证明该方法方便可行,是一种可以推广应用的逆向设计方法.5.学位论文 刘慧 汽车车身正、逆向混合设计技术研究 2009 汽车车身设计过程可分为顺向设计和逆向设计。顺向设计与逆向设计的主要差别在于顺向设计由概念设计、产品设计图到建立三维CAD模型，而逆向设计则是实物或模型经测量得到的数据反求得到三维CAD模型。根据不同的产品开发要求选择不同的产品设计流程，对于开发一个新的车型可采用顺向设计，即由产品设计到车身油泥模型再到测量后数值模型重建最后反复修改的设计流程。逆向设计一般用于产品改型设计，对现有产品的改良创新；或者如汽车等一些带有复杂功能曲面的形体，一般不易建立CAD模型，而是直接使用油泥模型塑造外观形态，即先制作三维模型，再经过逆向设计建立产品三维数字模型。 本文介绍了近年来汽车车身设计方法与流程的发展现状，并分析了车身设计常用的两种方法存在的弊端和优势，将顺向设计和逆向设计方法相结合，取长补短，对车身设计流程进行优化。论文首先从汽车车身设计的国内外发展现状入手，介绍了本课题的开发环境与平台，研究了车身逆向设计过程中的一些关键技术，在掌握了点云去噪、精简、拼合以及调整的基础上，提出了利用最小包容体的思想方法来实现数据融合，并且用Matlab实现了编程计算。改进现有数据融合的处理方法可以方便曲面重构及曲面局部修正且能提高重构曲面的质量，通过最小包容体求出点云重叠区的数据，然后对其做数据融合处理，不仅能够提高计算效率而且极大的方便了曲面的重构以及光顺，在工程上有一定的实际应用价值。本文中还讨论了数据测量、数据处理、曲面重构和光顺评价等技术。 论文最后利用具体案例来说明正逆向相结合的混合型设计方法的可行性和优越性，给出设计流程和方案，在掌握曲线曲面的理论知识的基础上，结合两大流行软件(Imageware和Pro/E)的强大功能，最后分别对车身做了改型设计，并对车身表面进行了光顺性的评价。6.期刊论文 陈雪辉.袁根福.CHEN Xue-hui.YUAN Gen-fu 有限元技术在产品逆向设计中应用研究 -机械工程师2008(10) 逆向工程(RE)和有限元(FEM)技术是近年来较多用于新产品开发过程中的两种现代设计方法,分别在产品的仿制、改型和分析、优化领域获得广泛应用.文中将二者有机结合进行新产品的设计开发,介绍了有限元技术在产品逆向设计中的应用步骤和一般思路,并通过一个具体事例进行了详细说明,同传统的产品设计模式相比,该模式显著地提高了工作效率,缩短了新产品的开发周期.7.学位论文 李烈华 逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用 2005 制造业作为整个社会发展的前提和基础，在人类社会中起着至关重要的作用。产品开发是制造业中最为重要的部分，特别是产品开发的早期阶段更是起着决定性作用。模具作为产品成形的重要工具，广泛应用于国民经济各生产领域，模具的设计制造是一个复杂过程，涉及到产品设计、模具设计、电加工、机械加工等方方面面，因此，如何快速、高质量、低成本地设计制造出产品模具，尤为关键的是如何使制造的产品能迅速地满足客户的要求，以最快的速度形成批量就成为在市场竞争中的一个重要因素。 在现在的汽车工业及模具工业中，三维的CAD/CAM软件已得到了普遍的运用，根据产品的实际情况，制造产品的工序流程往往有所不同。即：所谓的正向设计及逆向设计的两种设计思路。因现实中的各种因素并非所有产品都采用正向设计，如需仿制和备份某一非专利产品或是因原数据丢失等情况，这时就要采用逆向设计了。但不论正向还是逆向设计，在产品的开发过程中都不可避免地需要采取一定的手段来验证产品制造的正确性这个工作环节。 如何使产品开发的周期缩短，使产品早日进入批产阶段，这是各企业所关心的问题。验证工作这道工序在整个开发流程中就起到了至关重要的作用！在目前大多数企业中，对产品的验证工作主要都是通过检具来进行的。从模具设计开始，产品工程师就必须充分消化产品图纸，了解产品的装车部位及列出零件重要特性分级表，并与检具设计工程师一起分析、考虑检具的设计工作。然而，现实工作中总是存在着不少的困难，如：检具的费用一般价格不菲；因匹配的关系，即便产品符合数模的要求，因与该产品相匹配的产品又不便更改等情况的出现时，应主机厂的要求而必须更改产品形状。这样一来，产品数模、模具、检具就必须进行一连串的更改。根据实际经验，产品进入批产时，一般情况下，检具往往已改得面目全非，并且与初始的设计数模对不上号了，可以说，这样的流程具有三大缺点： 1 频繁的修改，资金浪费较大，投入的人力、财力消耗较大； 2 频繁的修改，有时数模不能或难以及时地进行相应的更改，致使检具的实际情况与数模有所偏差，不利于检具的复制及存挡数据的正确性的工作的进行； 3 检具的更改不是一天二天的事情，一定程度上延缓了产品开发的进度。 所以该课题研究的是：能否在产品开发的过程中，跃过检具的设计及制作工序？而是利用逆向工程的技术采用更加简洁的方法达到此目的。节约加工成本、加速产品开发的进度。 本课题提出了这样的一个问题：在产品开发的过程中，能否运用现在的逆向手段，另僻渠道，更加快速地验证产品与设计的符合程度，以加速产品开发的速度。当然，在产品经过数据验证及装车认可后，为了便于批量生产过程中的操作便利性，我们仍然可以在后期进行检具的加工工作，但这样就可以消除上述所说的常规流程给我们所带来的缺陷了，本课题结合了企业的多项生产事例，论证了逆向工程技术在产品数字化检验中的研究和运用，表明了本文研究得到的成果和结论是成功而有效的。8.期刊论文 尹青松.YIN Qing-song 基于PRO/E软件的逆向工程产品设计 -机械2008,35(12) 逆向工程产品设计是根据已经存在的产品实物模型,反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程.在逆向工程产品设计过程中,实物的CAD模型重建是逆向工程的关键部分,而PTC公司的Pro/ENGINEER是在机械设计领域被广泛应用的三维自动化模型设计软件,具有强大的数据建模功能.简要介绍了逆向工程技术的概念、系统构成及应用范围,以一款电话听筒的逆向设计为实例,详细介绍了在PRO/E软件中利用实物模型测量数据文件进行逆向设计的方法和步骤.9.学位论文 刘进 后舱门的逆向设计和有限元分析 2007 逆向工程技术是当今先进制造技术热点之一，可以缩短产品设计和制造周期；有限元分析技术可以改善产品质量，降低产品成本。本文应用这两种技术对金龙客车后舱门进行了逆向设计和