浅谈反求设计的建模重构过程和应用

周峰

摘 要：随着科学技术的飞速发展，为了迎合不断变化的市场需求，产品的更新是越来越快。显然，传统的设计方法已不能满足这一发展的需要。在这背景下应运而生的现代设计，对产品设计开发的指导过程中变得越来越来重要。本文通过实例分析反求设计的过程，讲述反求设计对在三维建模重构的应用。

关键词：反求设计；建模重构；UG

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.228

0 引言

随着科学技术快速发展，新的科技成果层见迭出，不断推动着生产力的发展和社会的进步。中国在机械工程领域起步较晚，基础较为薄弱，反求设计的应用对于我国科技进步和发展有着重要的现实意义。

1 现代设计方法的特点

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称[1]。在相关的科学技术基础之上，结合运用计算机技术，进行综合系统的集成设计计算，使机械产品的设计工作跨越了一个新的台阶。

2 现代设计方法国内外发展的现状

中国是一个制造业大国，但还未挤入世界制造业强国之列。与国际设计水平相比，仍差距较大。为更快的缩短差距，我们需要学习引进国际先进的设计方法，消化和吸收，不断创新设计观念，学习并逐步采用先进的设计方法，让中国制造不再是“山寨”的代名词。而反求设计就是针对消化吸收先进技术的系列分析方法、应用技术和创新设计的组合。

3 反求设计在三维建模的应用

3.1 反求设计的内涵

反求设计是指先对产品实物样件进行数字化处理，然后利用逆向工程软件生成CAD数据，并进一步用CAD/CAE/CAM软件实现分析、再设计，并进行自动编程，最后实现数控加工的过程。整个过程有效缩短设计和制造周期，更能够体现现代化设计和加工技术的优越性。其中通过数据的采集和处理重构实物的三维原型是其关键步骤。

3.2 反求设计的步骤

曲线、面的构建是模型重构的基础。其常用的模型重构方法是将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，再利用造型软件完成曲面的造型，最后对曲面进行剪切、过渡和拼合等曲面编辑，进而得到完整的CAD三维模型[2]。以现状较为流行的逆向工程软件 Imageware和建模软件UG的三维模型重构方法为例，反求设计流程图：

3.2.1 数据的采集

目前物体表面几何数据获取方法多种多样，可通过传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术。按其工作原理和结构分类，可分为接触式和非接触式。接触式是指测头与被测物体直接接触获取数据信息，比如三坐标测量机（CMM）。非接触式测量可分为光学测量法、超声波法和磁共振 （MRI） 等[3]。在逆向工程中，通常采用三维光学扫描仪或激光扫描仪等测量装置来进行产品表面点数据的采集。

3.2.2 数据的处理

通过激光三维扫描仪进行数据采集，可以方便地获取物体表面信息，这些信息通过大量点来表达，通常称为点云（Point Cloud）。采集得到的点数据，我们要用逆向设计软件，这里我们采用 Imageware 对点数据进行处理，包括噪声过滤、排序、删减、拼合、分割及特征点的提取等。

（1）去除杂点。受设备和环境因素的影响，扫描会有大量无用点的存在，为方便后续工作的展开，可以进行去除。

（2）数据拼合。受设备的限制，有些产品需多方位扫描进行数据的采集，多次扫描后每块点云的坐标位置发生了变化，利用逆向软件使得坐标重合进行数据的拼合。

（3）数据精简。在不损失模型特征的情况下利用逆向软件对点云进行有效的精简压缩，可以大大的提高工作效率。

3.2.3 模型重构

模型重构可以说是反求设计的一个核心及主要的目的，是依据点云数据恢复曲面形状建立模型并进一步实现分析和再设计的过程。UG NX是当今世界上较为流行的 CAD/CAM/CAE 软件之一。模型曲面重构过程一般是对采集的数据点进行拟合生成出特征线，然后利用特征线拟合生成出曲面，曲面之间还可以进一步缝合、过渡或者加厚，最后分析和优化以得到更合理的实体模型。

例如罩壳曲面重构的基本思路：

4 反求设计的实际应用

随着人们对于反求设计的认识不断深入，以及相关的软硬件逐渐普及的日益完善，其快捷、简便、直观等特点日益凸显，应用领域也越来越广泛。在新产品的外形设计中当设计师难以直接用计算机进行初始外形设计，这就需要通过反求设计将实物模型转化为三维CAD模型。对于某些构造复杂的设备，如航空发动机、汽轮机组等，在实际使用中大部分故障都是由于某一零部件的损坏而引起的。若很难重新加工一个新的零件更换，则需要通过反求设计的技术及再制造技术相结合来还原该部件，这样便可以快速生产这些零部件的替代件。

5 总结

近年来反求设计作为一种与传统生产加工方式有着显著差异的技术迅速发展，这对于我国先进技术的引进有着很大的推动作用。反求设计技术能够更快地应对不断变化的市场需求，達到提高劳动生产率，节约成本的目的，真正实现新产品的并行开发。

参考文献：

[1]许智钦，孙长库.3D 逆向工程技术[M].北京：中国计量出版社，2002.

[2]吴永强.精通UG NX 5+Imageware 逆向工程设计[M].北京：电子工业出版社，2008（01）.

[3]张鄂.现代设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2007.