逆向工程产品设计管理论文

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本文导读目录：

1、逆向工程产品设计管理论文

2、逆向工程在汽车设计中可以有哪些应用？

3、逆向工程下的产品设计

　　1逆向工程的内容及其应用范围 　　随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程(ReverseEngineering).所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。 　　逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。而逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。 　　一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容: 　　(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或仿型设计。 　　(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。 　　(3)损坏或磨损零件的还原。 　　(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。 　　逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。 　　而传统的产品造型设计，一般是在市场调研，制定需求表之后，先展开平面简图的构思，形成稍微完整的方案之后，开始绘制三维简图，完全定型后再根据需要绘制效果图、三视图或制作简易的模型。在造型设计的过程中，需要工程技术人员、产品造型人员与工人的通力合作，用样品实物模型来表达设计者的构思，但对每一种方案都制作实物样品，要付出大量的劳动，还存在着精度低、修改调整困难、设计周期长及成本费用高等问题。 　　2CAD技术应用于产品设计 　　计算机技术的发展，带来第三次技术革命浪潮，计算机辅助设计(computeraideddesign,简称CAD)技术则是计算机在工业领域应用中最为活跃的一支。它集数值计算、仿真模拟、几何模型处理、图形学、数据库管理系统等方面的技术为一体，把抽象的、平面的、分离的设计对象具体化、形象化，它能够通过“虚拟现实”技术把产品的形状、材质、色彩，甚至加工过程淋漓尽致地表现出来，并能把产品的设计过程，通过数据管理，实现系统化、规范化，这正是工业设计与CAD技术必然结合的基础所在。 　　逆向工程技术实施的软件条件 　　目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer,Delcam.Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个:Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统;Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统:H.H.DanzdeCNCCMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEMSurf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。而这些软件相对与尽管目前一些高端的设计软件，已经具备了产品复杂造型的设计与渲染功能，但要艺术类的设计师掌握并运用这类软件，至今还不是一件容易的事。所以从事结构设计的设计师们大都是机械工程师出身，设计的思维与方式完全不同于造型设计师，他们思维是一种完全符合机械设计标准的设计思维方式。 　　那么，两种设计将如何在产品的设计中得到结合，且得到较好的结合，并且更好地完成从设计到加工程序的转换成为我们进行产品设计所要考虑的问题。 　　3产品设计一逆向工程CAD技术 　　(1)Pro/E参数化设计在工程中的应用 　　参数化设计(Parametric)(也叫尺寸驱动Dimension-Driven)是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构造。1988年，美国参数技术公司首先推出参数化设计CAD系统Pro/Engineer(简称Pro/E)，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。它的主要特点就是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修 　　改。 　　这样我们可以采用PTC公司的工业设计软件Pro/Designer(简称Pro/D)进行曲面设计，由于Pro/D与Pro/E采用的是同一数据库，两者之间是 　　无缝连接的，因而在设计中造型设计师和结构工程师可以更好的协作 　　(2)Pro/D的曲面设计能力 　　对于工业设计人员和那些想构建曲面模型的工程人员来说，Pro/D正是他们需要的工具，Pro/D可以构建高质量的自由曲面模型，并且可以很容易的转换到其它基于制造工程的CAD系统中。Pro/D能够创建真实而精确的几何体，利用它可以更加容易的创建模型，缩短设计周期。利用Pro/D可以把视觉上的美学要求和模具制造过程中的工程要求很好的结合起来，这一点在创建自由曲面模型的过程中现得尤其显着 　　(3)Pro/D与Pro/E之间的致据传抽 　　Pro/Designer与Pro/Engineer之间交换数据有两种方式:一种是与Pro/Engineer直接交换数据，另外还有一种就是以文件的方式与Pro/Engineer交换数据。 　　(4)造型复杂产品三维设计的CAD应用 　　对于造型装饰性强，特别是包含复杂曲面的产品，可以使用Pro/D与Pro/E组合起来进行，造型设计师在Pro/D里面做ID、做曲面建模，直接从Pro/D里启动Pro/E，把数据导到Pro/E由结构设计师进行结构设计，在整个设计过程中甚至结构设计全部做完了，由于客户的要求或设计师对方案的局部要进行更改，这时只须在Pro/D里面改动，改好后存好再原名称送给Pro/E，那么Pro/E里也得到改变，而结构不用重做(当然修改要使结构有存在的条件，即它的父特征不会有问题)。 　　4结语 　　逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术己经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。这对于CAD技术的产品设计，不仅意味着设计手段的改变，同时改变了工业设计的思维方式。推动着制造业从产品设计、制造到技术管理一系列深刻、全面、具有深远意义的变革，这是产品设计、产品制造业的一场技术革命，实现产品设计的系统化，缩短产品开发周期，从而创造出实用、经济、美观宜人的产品。　　在之前的文章中，华锐欣程给大家介绍过逆向工程的具体操作流程（详见：逆向工程是什么意思?逆向工程具体怎么操作?），但是这一技术在汽车设计的过程中，又能运用到哪些方面呢?今天就给大家讲一讲这个问题。 　　一般来说，在汽车设计制造过程中，逆向工程技术可以应用于以下几个点： 　　1，可以用于对已有零件进行复制。 　　我国的汽车产业相对落后，在拥有完全自主研发的能力之前，引进、消化、吸收国外先进设备是很长一段时间内汽车产业发展的主旋律，在这一过程中，当设备中型面为自由曲面，特别复杂的零件，难以用测绘的方法得到其结构和尺寸时，就可以采用逆向工程把原零件实物进行复制。 　　2，用于复杂外型设计。 　　汽车设计与制造过程中，由于产品的设计日新月异，导致目前许多产品造型设计外形相当复杂，而以前常用的设计软件CAD等多不能完美呈现，于是多用粘土、石膏或泡沫塑料来造型。对于汽车这样的大型物体，设计师必须先做出按比例缩小的木模或石膏模，模型符合要求后，在用逆向工程方法从物理模型构造出实体 CAD 模型。 　　3，修复损毁或磨损的零件。 　　逆向工程系统具有一定的推理和判断能力，对损毁造成的表面缺陷或磨损造成的表面测量误差进行还原和修补，重构出完好的 CAD 模型。 　　4，数字化模型检测。 　　对加工的零件进行扫描测量，利用逆向工程的方法构造出 CAD 模型，与初始的 CAD 模型进行数据比较，对测量误差进行修正，这样可以提高产品的检测精度。 　　5，快速原形( RP )零件制造。 　　逆向工程技术是快速原形零件制造的关键技术。利用逆向工程技术，在现有实体的某些测量数据的墓础上，重构起三维 CAD 信息模型，然后把改模型进行数据转换，使其成为可以直接被快速原形零件制造系统接收的数据格式，加工出快速原形。 　　由此可见，在汽车设计制造过程中，对于提高生产效率、精度，缩短设计生产时间，逆向工程技术都有广泛的应用。　　现如今，新产品的开发对一个产品设计公司的发展影响越来越大，传统的设计思路是基于产品的功能和外形，由设计师在CAD软件上完成，这种设计方法周期长，效率低，经常不能满足市场的需求，由此，新的设计思路应运而生，首先运用现代测量手段获取同类产品的点云数据，处理点云得到可用结构部分的三维模型并加以优化，然后导入CAD软件进行二次建模，完成设计意图，得到预期的产品模型，最后利用先进制造技术制作模型样品，测试模型的可用性。目前，这种基于逆向工程技术的设计应用已经越来越广泛。这种新的设计思路既包含了逆向工程与正向建模的混合建模过程，又囊括了现代制造的模型设计过程。分为三个环节：数据获取与处理环节、正向建模环节、模型制造环节，基本的设计流程为预先确定需要研发的产品实物模型，通过三维扫描设备获取产品表面的点云数据完成初步的数据采集，再利用软件对所采集的数据库进行点处理拟合，包括删除、简化点数据与点云数据的封装等，得到目标曲面的NURBS曲面数据，再将数据导入到三维软件当中形成所需产品的原始三维框架，通过实际需求对其结构数据进行参数优化处理，得到合适的产品模型，并保存为STL格式文件，最后通过切片软件，将标有STL格式的产品模型保存为G代码形式，通过3D打印机读取G代码获取指令完成实物模型建立。 　　鞋底的大致外形，分为大底与中底，中底是直接与脚底接触的部分，不仅起到减震，稳定，提高鞋子的抗压缩能力等作用，而且中底表面的曲面很大程度上决定着鞋子的舒适度，影响着鞋子的质量。此次以鞋底中底曲面模型的提取为实例，以geomagic软件作为平台，介绍NURBS曲面创建的整个流程。作为Raindropgeomagic公司的一款逆向工程软件，其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，并可自动转换为NURBS曲面，是一款功能非常强的逆向软件。 1.数据采集数据采集工作是NURBS曲面重构的基础，采集数据质量的好坏对后续工作有很大的影响。常用数据采集的方法分为两种：接触式测量和非接触式测量，接触式测量的代表是三坐标测量机，而非接触式的代表则是三维扫描仪，此次的数据的采集是采用三维扫描仪，为得到中底的曲面数据以便于进行后期的设计过程，经过数据扫描、数据拼接后得到的鞋底点云数据，在经过数据扫描和点云拼接工作后得到的点云数据含有784257个点。 2.点处理阶段点处理阶段就是对点云数据进行优化处理，如点云的渲染、噪声点的清除、采样等。点处理阶段大体分为两步，第一步是删除、简化点云数据。首先删除点云中不必要的、对曲面拟合效果有影响的点，比如偏离主点云数据的非连接项、零件外部的离群点，或称之为体外孤点，以及由于模型表面质量不佳或者扫描设备的振动而产生的噪音点，然后对点云数据进行采样处理，由于一般扫描产生的点云数据量比较庞大，采样后可以在不影响曲面质量的情况下减少点的数量，减少计算机的运算量；第二步就是将点云数据封装得到多边形数据，以便于进行下一步的点处理操作。本次对中底点云的处理首先采用“修补”命令删除体外孤点、非连接项点，为得到较好质量的曲面模型，设置极限偏差为0.1mm，以积极棱柱形作为拟合曲面形状的方式，采用二次迭代的算法清除点云数据中的噪音点，并检测点云数据的误差，然后设置绝对值为0.6mm，以统一采样的方式对点云数据进行采样操作，减少点云中点的个数，最后进行封装操作，以多边形对象表示曲面模型。 3.多边形阶段多边形阶段是拟合曲面前的关键阶段，它决定着拟合曲面前数据的准确性及完整性，显影剂在喷涂的过程中不均匀、扫描设备不稳定等原因都可能导致点云数据的局部缺失、点云数据在空间分布上的波动等缺点。针对多边形处理阶段，geomagic软件提供了修补、平滑、填充孔、联合、偏移、边界、锐化、转换等命令，由封装得到的不同效果的多边形区域可采取相应的操作。本次鞋底中底的曲面模型在经过封装后的多边形网格曲面首先进行创建流行操作，删除非流行、自相交的三角形数据，便于后期曲面片的顺利创建；然后采用填充孔里的桥接命令，以局部填充的方式，保持填充面与原始曲面之间的G1连续，保证曲面模型的光滑度。最后考虑到此次是针对鞋底中底曲面的二次设计操作，需要删除除中底曲面以外的数据，首先抽取中底边缘轮廓线，然后采用通过轮廓线裁剪操作得到中底曲面的多边形网格模型，再利用表面处理的相关操作，比如去除特征，砂纸打磨等，去除鞋底中底上的孔特征，光顺曲面，拟合形成整个中底的曲面模型，最后简化多边形，得到如图6所示的中底曲面模型。由图6可以看出，模型包含102744三角形，曲面模型光顺，曲面还原度较高，可以进行曲面处理阶段。 4.曲面处理阶段曲面处理阶段分为精确曲面和参数曲面两种模式，精确曲面适用于特征曲面中含有比较规整的外形特征，支持探测区域，编辑外形，自主设置参数，所得模型精度高，但应用范围局限，本次鞋底中底为自由曲面，无明显的规则特征，故采用精确曲面模式，精确曲面模式是把整个曲面分割成无数个四边曲面片，然后将每个曲面片拟合成NUBERS曲面，并保证相邻曲面片之间G1连续，以此得到整块的曲面模型。曲面处理的第一阶段就是构建曲面片，构建曲面片分为两种方式，一种方式是自动生成曲面片，这种方法快速高效，但往往容易忽视模型中的细节特征；二是手动构建曲面片，人为的构建曲面片，虽然耗时较长，但这种方法更容易得到质量较好的曲面片，通过采用人工的方式构建曲面片，首先采用探测轮廓线命令，获得鞋底中底曲面轮廓线，然后以轮廓线为边界，四边形为曲面片形状，人工绘制曲面片，最后松弛曲面片。曲面片构建完成后进入曲面处理的第二阶段，以曲面片为基础构建格栅，格栅是单个曲面片拟合成曲面的前提，控制着曲面的质量，为保证曲面质量，设置控制点数目为20，构建出如图7所示的格栅模型。第三阶段是拟合NURBS曲面模型及误差分析，相对于其他曲面构建方法，NURBS方法以非均匀有理B样条为基础，构建曲面过程中速度快、算法稳定、曲面质量好，已成为曲面造型中应用最广泛的方法，在构建好的格栅模型上，点击拟合NURBS曲面命令，得到NURBS曲面模型和误差分析图。 5.正向建模环节正向建模环节就是将基础数据导入到三维软件中，在NURBS曲面的基础上进行曲面实体造型，实现设计者的设计意图。本次使用的三维软件为Unigraphics(UG),是美国EDS公司推出的CAD/CAE/CAM一体化软件，具有独特的复合建模方法，这使它在建模方面更加灵活，在产品设计初期可以将主要精力放在设计思想和设计方案上，可以提高设计效率。本次鞋底中底的二次设计过程，意在中底自由曲面的基础上设计出中底的三维实体模型，首先利用geomagic软件的数据转换功能，得到中底曲面片体的IGES格式文档，并导入到UG软件中；然后考虑到中底的外观特征及与鞋底大底的贴合程度，需要在中底的轮廓边缘进行创建外伸沿的操作，采用轮廓线探测操作获取中底曲面的外沿边线，并根据边线的分布特征，将边线分为四段，分别沿4个方向进行等量偏置操作，并将偏置后的4条曲线以“桥接”的命令封闭形成一条曲线，最后利用生成的新曲线和原曲线拟合生成中底的外伸沿曲面。此时得到的仍是开放的三维曲面，为还原设计意图中的实际形状还需封闭三维曲面，首先建立拉伸方向的基准线，以刚刚生成的曲线为边界创建拉伸片体，然后以拉伸后的边缘为边界，拟合底部曲面，最后，采用“缝合”命令将所有曲面缝合成一体，生成中底的三维实体模型。 6.模型制造与测试环节产品设计的过程中，产品设计公司为保证产品的质量，模型样品的制作必不可少，传统的制作方法大多为数控加工以及模具开模，虽然效果良好，但耗费巨大，一般承受不起失败，此次鞋底中底再设计模型的制作，采用3D打印领域中的熔融沉积技术，简称FDM，是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。首先利用UG软件将二次设计的鞋底中底模型以STL的文件格式导出，然后将此STL文件导入到CURA切片软件中，进行切片分层操作，获取模型每层的界面信息，得到鞋底中底的G代码格式文件，最后利用3D打印机打印。经过测试，此模型中底曲面曲率变化自然，表面平滑，能适应大多数人的脚底，和脚底曲面贴合良好，可以成为鞋底中底模型式样，二次设计比较成功。可以看出，逆向工程与正向建模的结合，可以在保证产品设计质量的前提下缩短设计周期。 科技发展越来越快，产品设计公司随之进步应该跟上其节奏变化，这样才便于产品设计。

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