逆向設(shè)計產(chǎn)生與應(yīng)用

在飛機、汽車、工藝美術(shù)品和模具等行業(yè)的設(shè)計和制造中，通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設(shè)計階段難以用嚴密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語言來描述。這些產(chǎn)品的初始模型是通過對事先制造出的木制或泥制模型來實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)生的。近年來，逆向設(shè)計法在產(chǎn)品造型設(shè)計中形成并逐漸走向成熟。

由于產(chǎn)品造型的逆向設(shè)計有起點低、成本低、周期短、易改型、易創(chuàng)新等特性，自出現(xiàn)以來便受到了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計師的關(guān)注。該技術(shù)在下面幾方面得到了廣泛應(yīng)用：

a．用于汽車、摩托車等具有較復(fù)雜曲面外型產(chǎn)品的修復(fù)與改型設(shè)計中；

b．用于設(shè)計與制造個性化的產(chǎn)品，如人體擬合、太空服裝設(shè)計、假肢設(shè)計等；

c．根據(jù)客戶樣件進行模具設(shè)計時，該項技術(shù)可使自動化程度大大提高；

d．在樣件缺少圖形文件時，可用逆向設(shè)計來生成圖形文件：

e．在快速原形制造中逆向設(shè)計可實現(xiàn)原形產(chǎn)品的快速準確建模并進行重新設(shè)計。

f．用于對產(chǎn)品模型進行運動模擬和仿真,代表軟件：cmosmotion works；

h. 對產(chǎn)品模型的受力情況進行仿真,代表軟件:cmosxpress；

g. 對注塑件進行注塑分析，代表軟件：Mouldflow Plastics Insight、Solidworks moldflow xpress;

逆向設(shè)計的一般流程：

產(chǎn)品樣件 →數(shù)據(jù)采集→ 數(shù)據(jù)處理CAD/CAE/CAM系統(tǒng) → 模型重構(gòu) →制造系統(tǒng)→ 新產(chǎn)品。

在逆向設(shè)計的這些環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)是產(chǎn)品逆向設(shè)計的三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

逆向設(shè)計數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集(樣件的表面數(shù)字化)是進行產(chǎn)品逆向設(shè)計的第一步。一般而言，數(shù)據(jù)采集有接觸式與非接觸式兩種測量方式。

接觸式測量根據(jù)測頭的不同，可分為觸發(fā)式和連續(xù)式。應(yīng)用最廣泛的接觸式測量儀器是20世紀60年代發(fā)展起來的高效精密的三坐標測量機，它是有很強柔性的大型測量設(shè)備。接觸式測量對物體的表面的顏色和光照沒有要求，因此物體邊界的測量相對精確，但對軟質(zhì)材料適應(yīng)差且速度慢。

非接觸式測量根據(jù)原理的不同，可以分為三角形法、結(jié)構(gòu)光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MR測量法、超聲波法和層析法。通常使用非接觸式測量在采集實物模型的表面資料時，采集速度快，可形成“點云”資料，缺點是精度較低而且對樣件表面和光照有較高的要求。

逆向設(shè)計數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的結(jié)果將影響模型重構(gòu)的質(zhì)量。在此階段一般應(yīng)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分塊、數(shù)據(jù)光順、三角化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、多視拼合、噪聲濾波、拓撲建立、特征提取等工作。

逆向設(shè)計模型重構(gòu)

模型的重構(gòu)也就是通常所說的逆向造型過程，重構(gòu)的方案主要有三種，每一種都有不同的適用場合：

1)以B-Spline或NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造法，

2)以三角Bezier曲面片為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造法；

3)以多面體面片為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造法。

早期設(shè)計師在進行產(chǎn)品的造型設(shè)計時，主要采用正向設(shè)計的方法；這是一個從概念設(shè)計起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。

產(chǎn)品造型設(shè)計的正向設(shè)計一般流程： 概念設(shè)計 →CAD/CAM系統(tǒng) →制造系統(tǒng)→ 新產(chǎn)品。

但對于復(fù)雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計的方法顯示出了它的不足，設(shè)計過程難度系數(shù)大、周期較長、成本高、產(chǎn)品研制開發(fā)難。由于設(shè)計師無法完全預(yù)估產(chǎn)品在設(shè)計過程中會出現(xiàn)什么樣的狀況，如果每次因為一些局部的問題而推倒整個產(chǎn)品重來，不管從時間上還是從成本上都是不可接受的。如果有方法能改正在正向設(shè)計過程中所產(chǎn)生的局部問題自然是好的，正是在這樣的背景下，自然發(fā)展并形成了逆向設(shè)計的方法。

逆向設(shè)計通常是根據(jù)正向設(shè)計概念所產(chǎn)生的產(chǎn)品原始模型或者已有產(chǎn)品來進行改良，通過對產(chǎn)生問題的模型進行直接的修改、試驗和分析得到相對理想的結(jié)果，然后再根據(jù)修正后的模型或樣件通過掃描和造型等一系列方法得到最終的三維模型。

采用逆向設(shè)計的方法所得到的產(chǎn)品模型，因為是有實際的模型參與各種試驗因此得到的結(jié)果相對于概念化推算和電腦虛擬模擬更接近真實，從而能迅速找到產(chǎn)品的優(yōu)異形態(tài)并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

在新產(chǎn)品開發(fā)中，通常采用正向設(shè)計和逆向設(shè)計結(jié)合使用。

國際市場有很多逆向設(shè)計的應(yīng)用軟件，如美國Imageware公司的imageware、英國Renishaw公司的TRACE、英國MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction、英國DelCAM公司的CopyCAD和美國Rain Drop公司的Geomagic。此外，一些CAD/CAM系統(tǒng)，如美國PTC公司的Pro/Engineer、德國Siemens PLM旗下的NX與法國達索公司的CATIA和Solidworks office premium等在其系統(tǒng)中也集成了可實現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計的模塊，但與專業(yè)的逆向設(shè)計軟件比較，在功能上有較大局限性。例如：imageware逆向設(shè)計軟件可方便的實現(xiàn)下面幾項功能：

1)接受不同來源的掃描資料點的分析與處理。如CMM.Laser，sensors，Ultrasound等；

2)快速、準確地將掃描點轉(zhuǎn)換成NURBS曲面；

3)對曲面模型的精度、品質(zhì)進行評價；

4)對曲線、曲面的形狀實現(xiàn)交互修改。在產(chǎn)品的曲面模型重建時。imageware不需經(jīng)過建造曲線來構(gòu)造曲面而是直接由掃描點來直接產(chǎn)生曲面；或采用建立周邊曲線再用該邊界與其內(nèi)部的掃描點群來產(chǎn)生曲面；也可首先在掃描點群中構(gòu)造NURBS曲線，再由曲線來產(chǎn)生曲面。 顯而易見，逆向設(shè)計和逆向工程是有區(qū)別的。

逆向設(shè)計是設(shè)計的一種高效的方法，在產(chǎn)品未成形之前對它進行模擬、分析，上文已經(jīng)講得很清楚,比如：你要設(shè)計一段橋梁，想知道它的受力情況可以用逆向設(shè)計軟件來分析一下就知道了，這就是逆向設(shè)計。

逆向工程是對某一現(xiàn)有事物進行研究，找到實現(xiàn)它的方法。比如寶馬7系的車子比較好，被外星人拿去研究看看怎么造出來的，這叫逆向工程；

在某些特定的歷史階段，有些國家往往參照其他國家原準機（而非自己國家自身產(chǎn)品）“設(shè)計”的“原準法”進行飛機的研制。這個過程，甚至是一個尺寸都不能改或不敢改的測繪仿制。多數(shù)情況下沒有圖紙、只有實物，由實物反推圖紙、反推設(shè)計、反推需求。

那是一個充滿了執(zhí)果索因的逆行之旅。

基于“原準法”的測繪仿制是典型的逆向設(shè)計活動。特別是在早期武器裝備的測繪仿制過程中，存在大量的相對低水平的逆向設(shè)計活動（如圖1紅色箭頭所示），即僅由實物反推到圖紙、反推到設(shè)計，而無需反求到軍方原始需求。例如，測繪僅能測得零件的實際尺寸，但公差如何給，絕對是個技術(shù)活（公差配合的精度很大程度上決定了零件的可靠性和使用壽命），這一步的逆向，正所謂知其然知其所以然。

盡管這種反推，取得了一些成就。然而，歷史的發(fā)展也證明，這種不需承擔技術(shù)風險的“原準法”并非始終有效的設(shè)計方法，在設(shè)計理論上沒有得到合理闡述，在航空發(fā)展史上僅有非常有限、而非明顯的促進作用，其出現(xiàn)是特定歷史條件的產(chǎn)物，并不是航空航天產(chǎn)品等復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計本身的規(guī)律所決定，已被各國所摒棄。

在經(jīng)濟日益國際化、市場化的今天，復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)的測繪仿制已不可行。而隨著知識產(chǎn)權(quán)保護的理念日益得以鞏固，中國市場正向設(shè)計的主戰(zhàn)場，已經(jīng)拉開。

然而花了真金白銀買了國外產(chǎn)品的圖紙和專利技術(shù)等知識產(chǎn)權(quán)的引進消化吸收，不能簡單地認為是逆向設(shè)計或逆向工程，而需要具體情況具體分析。

消化吸收再創(chuàng)新，和逃避技術(shù)風險的“原準法”目的不同，這里一定包含了反推到需求的高水平的逆向設(shè)計活動（如圖1綠色箭頭所示），特別是在消化吸收階段；而到了再創(chuàng)新階段，則是再次進入了完整的正向設(shè)計過程。

中國航空行業(yè)有兩個非常典型的引進消化吸收的例子，一是上世紀七十年代引進英國斯貝航空發(fā)動機，歷時30年到2003年完成國產(chǎn)化；一是上世紀九十年代從俄羅斯引進蘇-27SK，歷時20年衍生出性能全新的殲-11B，兩者的差別十分鮮明。其他行業(yè)，高鐵是走引進消化吸收再創(chuàng)新之路比較成功的案例。

與此形成鮮明對照的是，各種汽車生產(chǎn)線的引進基本上是失敗案例。

本書從逆向設(shè)計及其質(zhì)量檢測技術(shù)應(yīng)用需求出發(fā)，以焊槍、板類零件、自行車車燈、箱體類零件等典型產(chǎn)品的逆向設(shè)計為項目載體，依據(jù)產(chǎn)品的逆向設(shè)計和質(zhì)量檢測流程安排任務(wù)，在流程中體現(xiàn)設(shè)計任務(wù)，在任務(wù)中深化流程，結(jié)構(gòu)體系清晰，便于學(xué)習(xí)和理解。 本書包括六個項目，每個項目由若干個任務(wù)構(gòu)成。項目一介紹了逆向工程的概念、工藝路線、工作流程及逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域；項目二介紹了數(shù)據(jù)采集的方法、三維掃描流程及HandySCAN 3D手持式三維激光掃描儀的使用，以焊槍為載體，進行外形三維掃描，并進行焊槍外形三角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理；項目三介紹了使用Geomagic Design X逆向設(shè)計軟件進行坐標對齊與CAD數(shù)模重構(gòu)的方法，并進行焊槍外形數(shù)模重構(gòu)；項目四應(yīng)用Geomagic Control軟件進行板類零件的數(shù)據(jù)分析與檢測，并創(chuàng)建檢測報告；項目五應(yīng)用VXinspect軟件進行板類零件的數(shù)據(jù)分析與檢測，并創(chuàng)建檢測報告；項目六是綜合訓(xùn)練，包含自行車車燈的三維掃描和CAD數(shù)模重構(gòu)，以及箱體類零件的三維掃描和分析檢測兩個綜合案例。同時，為增強表達效果，本書雙色印刷，并設(shè)置彩色插頁和二維碼，輔助展示彩色圖像和學(xué)習(xí)理解。 本書可作為應(yīng)用型本科、高職高專等院校模具設(shè)計與制造、機械設(shè)計與制造、機械制造與自動化、工業(yè)設(shè)計等專業(yè)的教材，也可以作為從事逆向設(shè)計及質(zhì)量檢測技術(shù)工作人員的培訓(xùn)教材或參考用書。

計算機輔助幾何設(shè)計(CAGD)在服務(wù)對象、數(shù)據(jù)量度、表現(xiàn)手段、理論支撐上不同于計算機圖形學(xué)(CG), 然而其數(shù)學(xué)沉淀更為深厚, 可給CG以更多影響與支持. 本申請旨在建立一條從CAGD到CG的理論通道, 把本研究團隊近年CAGD重要成果移植到CG, 以網(wǎng)格的曲面束、測地距離場、調(diào)和算子、曲率線和梯度界等為突破口，進行網(wǎng)格的3項逆向設(shè)計與3項特征計算研究. 具體來說就是: 具有公共離散測地線的網(wǎng)格曲面束設(shè)計, 以空間閉多邊形為邊界的調(diào)和網(wǎng)格曲面設(shè)計,保離散測地線與(或)保離散曲率線的網(wǎng)格曲面簡化, 網(wǎng)格曲面的離散曲率線計算, 離散測地環(huán)高精度計算, 以及1,2階梯度界估計. 本項目的獨創(chuàng)新穎性在于,它與以往已知網(wǎng)格求離散測地線或離散差分值的操作走向完全相反, 將給用戶提供更廣泛與更合適的網(wǎng)格選擇; 而網(wǎng)格曲面的這些特征計算則前所未有, 將揭示網(wǎng)格嶄新的幾何及代數(shù)特征,顯著地強化軟件系統(tǒng)功能.