逆向工程在产品形态改良设计中的应用研究

1、逆向工程在产品形态改良设计中的应用研究郭南初作者简介：郭南初(1964-)，男，湖南岳阳人，副教授，主要研究方向：计算机图形学、计算机辅助教学、逆向工程技术。摘 要：产品形态的改良设计涉及到自由曲面处理，但利用产品形态点云数据获得满意的曲面重构是困难的。利用NURBS曲面拟合技术，将产品外观按形态先进行分类，再据此对产品外形进行重构，就容易得多。事实证明，在不需要较高精度的条件下，利用NURBS曲面拟合技术对自由曲面进行重构，能够获得令人满意的产品形态。这一技术对产品形态的改良设计具有良好的实用性。关键词：逆向工程；产品形态；改良设计；NURBS1 引言所谓逆向工程，就是将实物转变为CAD模型

2、相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称。其逆向过程是根据产品进行三维测量，利用测量数据生成数字化产品。产品形态改良设计就是对原有产品形态的缺陷与不足进行进行创新或局部修改，增加产品美感，提升产品档次1。改良性产品开发设计是基于现有产品基础上的整体优化和局部改进设计，使产品更趋完善，更适合于人与市场的需求，以及环境的需求，或者更适应新的制造工艺和新的材料。利用逆向工程技术对产品形态进行改良设计是一种高效而可行的设计方法。改良性产品开发设计,首先要分析产品的“不良”之处，即存在的缺点，通常是有针对性的作部位部件的效果分析，在材料、工艺、结构上加以改进，但这些不是本文研究的重点，本文

3、研究重点是基于特征的几何模型重建技术。在进行产品形态的设计研究中，对产品的精度要求不高，因此在产品逆向建模的过程中对误差没有太多的要求。在我国，目前主要的产品形态改良设计还是处于传统的手工状态，基于逆向工程的产品形态改良设计还处于起步阶段。其实形态改良是最适合采用逆向工程技术的。逆向工程的出现极大地缩短了产品的开发周期，当今，世界各国在其经济技术发展领域中，大量应用逆向工程消化吸收先进技术经验，并提出一定的创新思想。逆向工程技术现已广泛地应用于产品改进、创新设计，特别是具有复杂曲面外形的产品，它极大地缩短了产品的开发周期，提高了产品精度，是消化、吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段。

4、2 产品模型曲面重构产品形态，这里指形状信息，其核心问题是计算机表示，即解决适合计算机处理，且有效地满足形状表示与几何设计的要求，又便于形状信息传递的数学方法。在逆向工程中，产品CAD模型的重构是利用产品表面的散乱点数据，通过对这些数据进行拟合，生成曲面或曲面片，最后通过曲面片的拼接和裁剪等曲面编辑操作，完成曲面模型的构建。这里最重要的是自由曲面的特征重建。由点云拟合成曲面的算法目前总共有三类：四边域的参数曲面拟合、三边域的曲面拟合方法、基于多面体的曲面拟合技术。以NURBS曲面为代表的四边域参数曲面拟合具有数据通用性好、算法稳定、曲面编修能力强、曲面质量好的特点，已经成为曲面拟合方式的主流。

5、对于自由曲面的描述，目前国际上多采用NURBS方法，为统一数学描述方法。其数学表达式为2：为呈拓扑矩形阵列的控制顶点网格是双变量有理基函数(C2连续)：是与顶点联系的权重因子，初始状态取1；在调整阶段适当选取值，越大，曲面越靠近控制顶点。四角顶点处权重因子为非负；曲面拟合的第一步是确定插值曲面的节点矢量。设两向量分别获得个数据点，则曲面上应有个控制顶点。故： 为u向l次规范样条基。一般l3；为v向l次规范样条基。一般l3；取重复度为r=4；即，；用积累弦长参数法求内的节点值，得切点矢量值则可根据方程求得控制顶点非均匀有理B样条(NURBS)既可用于表示解析几何形状(如圆锥曲线)，也可用于表示自

6、由曲线和曲面,它己经成为当前CAD/CAM系统中曲线和曲面表示的标准。NURBS方法最重要的优点是其统一表达自由曲线曲面和解析曲线曲面的能力。因此，当几何形体同时存在自由曲线曲面和解析曲线曲面时，应用NURBS方法最为有效。3 基于特征的产品模型重构方法产品外观大多数都是按一定几何特征进行设计制造的，几何特征是几何造型的关键要素，同时几何特征之间还具有确定的几何关系。因此在产品形态逆向设计的过程中，就是要还原这些特征以及他们之间的约束关系。几何建模提供的是三维形体的几何信息和拓扑信息。一般而言，产品形态的CAD模型是由多张不同几何形状的曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成。因此本文将产品形态按特

7、征分为两类，即基本类和自由曲面。基本类按几何特征又可分为棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和球，自由曲面按CAD软件中曲面的形成过程分为边界混合曲面和可变扫描曲面。自由曲面的这种分类方法是为了更好地和CAD软件接口。图1 产品形态特征分类示意图 这里以伊莱克斯Zoe滚筒洗衣机为例说明产品形态特征的分类情况。首先从扫描的点云开始，如图2所示；图3是通过处理后的该洗衣机的产品外观曲面的分解图；图4说明的是一般的产品形态都可以按图1的方式进行分类。一个形状特征由若干形状元素组成。例如，一个圆台，它由两个圆形端面和一个圆柱面组成。在目前大多数的特征建模系统，它们均基于现有的几何建模技术，如 CSG、BR和扫描变换

8、等方法生成形状特征。 图2 伊莱克斯洗衣机上表面部分点云 图3 产品形态特征分类示意图图 图4 产品形态特征的定义 边界混合曲面在曲面造型中经常用到，它是依据参照曲线来创建的，这些参照曲线在一个或两个方向上定义该曲线。在每个方向上确定的第一个和最后一个曲线来定义曲面的边界，增加更多的参照曲面可以使曲面形状更精确。如图2和图3所示。这里假定，根据点云确定了两条边界曲线和，导引线为。这个曲面可以通过下面的变换方法形成3 4：式中 为一混合函数。“h”表示齐次变换，是齐次变换矩阵，可表示为式中、和分别表示引导线的x，y和z单元。特征线要么位于点云的边缘处，要么位于曲率变化的急剧处，这两类特征线基本上

9、构成曲面模型的“外观骨架”，曲面模型就被划分为一个个几何特征单一曲面片，如图3所示。依靠特征线可以划分原始点云群，划分的区域内点云相对特征单一，曲率变化有规律，而且大致呈四边域分布，这种点云分割保证了单张曲面的拟合质量。4 结论本文以组合曲面为研究对象，而组合曲面中包含了大量的自由曲线曲面，同时也存在着解析曲线曲面。因而，充分利用NURBS方法的优点，使曲线曲面的重建获得良好的效果，图3、图4为利用逆向工程技术和NURBS技术重建的伊莱克斯Zoe滚筒洗衣机实例，并在重构的基础上对该产品进行了改良设计。产品形态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

10、计师的关注。参考文献:1 王效杰主编产品设计M1版北京：高等教育出版社，20032 金涛，童水光等编著逆向工程技术M1版北京：机械工业出版社，20033 学位论文 彭伟逆向工程中的NURBS曲面重构研究D南京理工大学硕士论文20044 赵宇明，张国忠，于哲峰汽车逆向设计中用NURBS曲面拟合点云数据J东北大学学报(自然科学版)，2005，26(7)：680-682Applied Research on the Form of Improved Product Design of Reverse Engineering TechnologyGUO NanchuAbstract: The Form

11、 of Improved Product Design involve to process the free curved surface, But Obtains satisfaction using the product form cloud data to restructure curved surface is difficult. Using the NURBS curved surface fitting technology, carries on the product outward appearance according to the form the classification, according to the above then carries on restructuring to the product contour is much easier. The fact is, In does not need the high precision under the condition, carries on restructuring using the NURBS curved surface fitting technology to the free curved surfac