逆向工程在工业设计中的应用
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图 1 逆向工程流程图 F igure 1 F low charts of reverse eng ineering 1. 2 逆向工程的作用特点 逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型 设计、产品仿制、质量分析检测等领域, 它的特点是: 1) 缩短产品的设计、开发周期, 加快产品的更新 换代速度; 2) 降低企业开发新产品的成本与风险; 3) 加快产品的造型和系列化的设计; 4) 适合单件、小批量的零件制造, 特别是模具的 制造, 可分为直 接制模与间接 制模法 [ 3-4] 。直 接制模 法: 基于 RP 技术的快速直接制模法是将模具 CAD 的 结果由 RP 系统直接制造成型。该法既不需用 RP 系 统制作样件, 也不依赖传统的模具制造工艺, 对金属模
文献标志码 : A
文章编号: 1005-2895( 2010) 01-0102-05
Application of R everse Engineering to Industrial D esign
L I X iang1, ZHANG H a-im in1, XU R en-ping2, ZHANG Xue-dong1
传统的方式是以三坐标测量机为代表的接触式, 精度相对精确, 已经广泛应用到机械制造、电子、汽车 和航空航天等领域。优点是通用性强, 除不适用软物 体之外, 对所测物体的材质和表面色泽无特殊要求; 精 度高, 可与数控机床或加工中心配套使用, 建立柔性制 造系统。缺点是易于损伤测 头和划伤对测零 件的表 面, 同时价格昂贵, 速度较慢, 对环境要求高。
非接触式主要是利用某种与物体表面发生相互作 用的物理现象来获取实体的三维信息。利用光学原理 发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛, 如 激光线结构光 扫描、投影光栅法、数字照相系 统等方 法。以及新出现的切层法、计算机断层扫描 ( CT ) 法, 这 2种方法可以对孔及内部空腔的实体进行测量。非 接触式测量由于受到测量介质和控制的影响, 测量精 度没有接触式高, 但具有测量速度快以及不用和实物 接触等优点, 在一些领域越来越受到重视。 2 适合工业设计领域的数据采集设备
仿制和改型。工业设计流程 是从产品模糊前 期的创 意, 到方案的设计、实物模型的手工制作、方案的修改、 精确 CAD 模型建立、产品的生产制造、产品的营销等 整个流程, 它的核心是创新。在这个过程中应用逆向 工程技术辅助产品的开发, 将能够缩短产品设计开发 的周期, 丰富了工业设计的技术手段, 加速了工业设计 的创新力。因此逆向工程技术在工业设计中有着广泛 的应用前景。逆向过程主要包括 2个方面的内容: 一 是实物表面三维数据的采集处理; 二是曲面三维模型 的建立和应用。而工业设计不同于机械或其他领域, 它有着独特的设计流程和方法。因此在应用的过程中 应选取合适的方法和手段, 应该优化逆向工程在工业 设计中的应用。本文结合工业设计专业逆向工程实验
[经营 # 管理 ]
李 响, 等 逆向工程在工业设计中的应用
# 103#
室建立过程中的一些做法, 来探讨逆向工程在工业设 计中的技术的选取和优势。 1 逆向工程原理及方法 1. 1 逆向工程概念
逆向工程可以把真实的零件或模型转化为工程概 念和数字模型, 这种以实物模型为基础的产品建模方 法已经成为 CAD /CAM 中的一个相对独立的方法和技 术。逆向工程可以定义为 / 针对消化吸收先进技术的 一系列分析方法和应用技术的结合。它是以先进产品 设备的实物、软件 ( 包括图纸、程序、技术文件等 ) 或影 像 ( 图像、照片等 ) 作为研究的对象, 应用现代设计方 法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系 统深入地分析和研究, 探索掌握其关键技术, 进而开发 出同类的更为先进的产品 [ 2 ] 0。从定义上, 我们不能 仅仅把逆向工程看成是产品的复制、产品的简单再现, 而是对产品改进和创新。这一点和工业设计的创新相 吻合。图 1为基于逆向工程的再设计流程图。从中可 以看出三维数据测量、数据处理和三维重构是逆向工 程的关键技术。
0 前言 逆向工 程 ( Reverse Engineering, RE ) 是 一门 新兴
的计算机辅助设计技术, 也称为反求工程, 是一系列分 析方法和应用技术的结合。广义上的逆向工程基本上
包括形状 (几何 ) 反求、工艺反求和材料反求等诸多方 面 [ 1] , 是一个集合多种先进技 术的复杂的系统工 程。 目前, 很多关于逆向工程的研究都集中在形态的反求 方面, 即根据现有的物理原型, 利用 3D 数字化测量设 备, 准确快速地获得实物原型的三维空间数据 ( 点 云 ) , 经过优化点云、曲面构建、修改编辑, 建立精确的 可用于生产的 CAD 模型, 然后按照传统的生产制造流 程生产出原型或产品, 也可以利用快速成型技术, 快速 制作出精确的产品样件或原型。当前应用主要是产品
提出了适合工业设计领域的逆向 设备, 以及在点云扫描采集中应注意的问题。总结了逆向工程 在工业设计中的作 用, 并
通过汽车案例说明了逆 向工程在工业设计中的应用流程, 加速了产品开发的 速度和质量。图 7参 9
关 键 词: 工业设计; 产品开发 ; 逆向工程; 点云; 数据采集
中图分类号: TB472
收稿日期: 2009-08-20; 修回日期: 2009-09-21 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 7026003) 作者简介: 李响 ( 1980), 男, 江苏沛县人, 硕士, 安徽工程科技学院 讲师, 主要研究方 向为产品设 计理论 方法、CA ID 、人机 工学。 E-ma i:l 46779584@ qq. com
李 响 1, 张海敏1, 徐人平 2, 张学东1
( 1. 安徽工程科技学院 艺术设计系逆向工程实验室, 安徽 芜湖 241000; 2. 昆明理工大学 产品创新设计研究所, 云南 昆明 650093)
摘 要: 文章从逆向工程的原理、特点以及 应用方法进行分析, 结合工业设计领域设计前期对概 念产品模型的需求 特点,
具制造而言尤为快捷, 是一种极具开发前景的制模方 法; 间接制模法: 间接制模法是利用 RP 技术制造产品 零件原型, 以原型作 为母模、模芯 或制模 工具 ( 研 磨 模 ) , 再与传统的制模工艺相结合, 制造出所需模具。 1. 3 逆向工程实现的方法
在逆向工程中, 准确、快速和全面获取实物原型的 三维数据是关键的一步。数据的好坏直接影响到逆向 工程后期的成败。数据的采集是指采用某种测量方法 和设备测出实物表面的若干组点的几何坐标, 实现的 方法有多种。按照与被测实体对象表面是否接触, 可 以分为 2类 [ 3] : 接触式测量和非接触式测量。
Abstract: From analysis of the reverse eng ineering princ iples, characteristics and applied m ethods, com bined w ith the dem and characterist ics in the field o f industrial design pre lim inary product model design concepts, the paper p roposed reverse equipm ent f it f or industrial design and the problem s to be noticed in the point cloud scan data. Summ arized the reverse eng ineering ro le in industrial design, tak ing the car case as an exam ple, the paper illustrated the applied process o f reverse eng ineering in industria l design and thus can accelerate the product developm ent speed and quality. [ Ch, 7 f ig. 9 re.f ] K ey w ord s: industrial design; product developm en;t reverse eng ineering; point cloud; data acqu isition
工业设计围绕产品创新展开, 在对产品创意前期, 为了辅助设计的实现, 会制作相关的模型或不够精细 的数字原型来分析产品的造型、特点, 用于产品的修改 和方案的评价。因此模型在工业设计流程中起着很重
Baidu Nhomakorabea # 104#
轻工机械 L igh t Industry M ach inery
2010年第 1 期
要的作用, 第 1能够感受产品概念的三维空间; 第 2可 以分析产品结构的合理性。工业设计中实物模型在不 同的设计阶段又分为草模、精细模型、结构模型等。设 计方案确定以后工程师还要制作出高精度的 CAD 数 字模型, 从设计师到机械工程师之间的过渡, 常常因为 2者知识结构不同, 导致产品造型脱离最初的创意构 思, 同时现代产品越来越圆润、人性化, 复杂的曲面对 工程师更是一个挑战, 怎么能保证设计师设计的高质 量曲面延续下来, 怎么能保证创意的最大化保留是一 个很大的问题。而逆向工程 方法在工业设计 中的介 入, 可以作为产品设计师和机械设计师之间一个桥梁, 从而保证了产品质量, 加速了产品设计的开发周期。
工业设计是现代产业革命的产物, 是随着市场经 济发展而孕育出来的, 它以科学技术与文化艺术相结 合为手段, 以满足市场需要和社会效益为目的, 以创造 更为合理的生活方式为原则, 通过人性化的造型设计, 推出具有全新的产品, 在满足消费者的前提下, 获得良 好的市 场地 位和经 济效益。杨振 宁博 士也 曾预 言: / 21世纪将是工业设计的世纪, 一个不重视工业设计 的国家将成为明日的 落伍者。0可见工 业设计在中国 从一个制造强国到设计强国转变过程中将会起到不可 替代的作用。 2. 1 工业设计领域的特点
但工业设计领域又不同与机械零件的加工制造。 首先设计前期模型的加工制作精度没有传统制造领域 高, 主要用来产品的分析制造; 其次, 目前国内工业设 计公司规模普遍较小, 高等院校的工业设计专业发展 历史较短, 在对逆向工程方面投入的资本有一定的受 限; 第 3, 工业设计开发流程较短, 时间成为一个竞争 的方面。因此在选取测量设备时价格低、速度快、有一 定精度的将为首选。高等院校工业设计专业逆向工程 实验室的建立, 主要是为工业设计提供快速精致模型 制作, 辅助产品设计开发, 加强高校的设计实践能力。 同时也为科研和教学提供了一个平台。本校逆向工程 实验室在建立的过程中, 考虑了上面几个因素, 最后选 取了非接触式测量设备 3DSS( T hree D im entional Sensing System )。 2. 2 非接触式 3DSS设备
第 28卷 第 1期 2010年 2 月
轻工机械 L ight Industry M achinery
V o.l 28 N o. 1 Feb. 2010
[ 经营 # 管理 ]
DO I: 10. 3969 / .j issn. 1005-2895. 2010. 01. 028
逆向工程在工业设计中的应用
( 1. R everse Eng ineering L ab, D epartm ent o f A rt and D esign, A nhui U niversity of T echno logy and Sc ience, W uhu 241000, China; 2. Product Innovation D esign & R esearch Institute, K unm ing U n iversity o f Sc ience and T echnology, K unm ing 650093, China)
文献标志码 : A
文章编号: 1005-2895( 2010) 01-0102-05
Application of R everse Engineering to Industrial D esign
L I X iang1, ZHANG H a-im in1, XU R en-ping2, ZHANG Xue-dong1
传统的方式是以三坐标测量机为代表的接触式, 精度相对精确, 已经广泛应用到机械制造、电子、汽车 和航空航天等领域。优点是通用性强, 除不适用软物 体之外, 对所测物体的材质和表面色泽无特殊要求; 精 度高, 可与数控机床或加工中心配套使用, 建立柔性制 造系统。缺点是易于损伤测 头和划伤对测零 件的表 面, 同时价格昂贵, 速度较慢, 对环境要求高。
非接触式主要是利用某种与物体表面发生相互作 用的物理现象来获取实体的三维信息。利用光学原理 发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛, 如 激光线结构光 扫描、投影光栅法、数字照相系 统等方 法。以及新出现的切层法、计算机断层扫描 ( CT ) 法, 这 2种方法可以对孔及内部空腔的实体进行测量。非 接触式测量由于受到测量介质和控制的影响, 测量精 度没有接触式高, 但具有测量速度快以及不用和实物 接触等优点, 在一些领域越来越受到重视。 2 适合工业设计领域的数据采集设备
仿制和改型。工业设计流程 是从产品模糊前 期的创 意, 到方案的设计、实物模型的手工制作、方案的修改、 精确 CAD 模型建立、产品的生产制造、产品的营销等 整个流程, 它的核心是创新。在这个过程中应用逆向 工程技术辅助产品的开发, 将能够缩短产品设计开发 的周期, 丰富了工业设计的技术手段, 加速了工业设计 的创新力。因此逆向工程技术在工业设计中有着广泛 的应用前景。逆向过程主要包括 2个方面的内容: 一 是实物表面三维数据的采集处理; 二是曲面三维模型 的建立和应用。而工业设计不同于机械或其他领域, 它有着独特的设计流程和方法。因此在应用的过程中 应选取合适的方法和手段, 应该优化逆向工程在工业 设计中的应用。本文结合工业设计专业逆向工程实验
[经营 # 管理 ]
李 响, 等 逆向工程在工业设计中的应用
# 103#
室建立过程中的一些做法, 来探讨逆向工程在工业设 计中的技术的选取和优势。 1 逆向工程原理及方法 1. 1 逆向工程概念
逆向工程可以把真实的零件或模型转化为工程概 念和数字模型, 这种以实物模型为基础的产品建模方 法已经成为 CAD /CAM 中的一个相对独立的方法和技 术。逆向工程可以定义为 / 针对消化吸收先进技术的 一系列分析方法和应用技术的结合。它是以先进产品 设备的实物、软件 ( 包括图纸、程序、技术文件等 ) 或影 像 ( 图像、照片等 ) 作为研究的对象, 应用现代设计方 法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系 统深入地分析和研究, 探索掌握其关键技术, 进而开发 出同类的更为先进的产品 [ 2 ] 0。从定义上, 我们不能 仅仅把逆向工程看成是产品的复制、产品的简单再现, 而是对产品改进和创新。这一点和工业设计的创新相 吻合。图 1为基于逆向工程的再设计流程图。从中可 以看出三维数据测量、数据处理和三维重构是逆向工 程的关键技术。
0 前言 逆向工 程 ( Reverse Engineering, RE ) 是 一门 新兴
的计算机辅助设计技术, 也称为反求工程, 是一系列分 析方法和应用技术的结合。广义上的逆向工程基本上
包括形状 (几何 ) 反求、工艺反求和材料反求等诸多方 面 [ 1] , 是一个集合多种先进技 术的复杂的系统工 程。 目前, 很多关于逆向工程的研究都集中在形态的反求 方面, 即根据现有的物理原型, 利用 3D 数字化测量设 备, 准确快速地获得实物原型的三维空间数据 ( 点 云 ) , 经过优化点云、曲面构建、修改编辑, 建立精确的 可用于生产的 CAD 模型, 然后按照传统的生产制造流 程生产出原型或产品, 也可以利用快速成型技术, 快速 制作出精确的产品样件或原型。当前应用主要是产品
提出了适合工业设计领域的逆向 设备, 以及在点云扫描采集中应注意的问题。总结了逆向工程 在工业设计中的作 用, 并
通过汽车案例说明了逆 向工程在工业设计中的应用流程, 加速了产品开发的 速度和质量。图 7参 9
关 键 词: 工业设计; 产品开发 ; 逆向工程; 点云; 数据采集
中图分类号: TB472
收稿日期: 2009-08-20; 修回日期: 2009-09-21 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 7026003) 作者简介: 李响 ( 1980), 男, 江苏沛县人, 硕士, 安徽工程科技学院 讲师, 主要研究方 向为产品设 计理论 方法、CA ID 、人机 工学。 E-ma i:l 46779584@ qq. com
李 响 1, 张海敏1, 徐人平 2, 张学东1
( 1. 安徽工程科技学院 艺术设计系逆向工程实验室, 安徽 芜湖 241000; 2. 昆明理工大学 产品创新设计研究所, 云南 昆明 650093)
摘 要: 文章从逆向工程的原理、特点以及 应用方法进行分析, 结合工业设计领域设计前期对概 念产品模型的需求 特点,
具制造而言尤为快捷, 是一种极具开发前景的制模方 法; 间接制模法: 间接制模法是利用 RP 技术制造产品 零件原型, 以原型作 为母模、模芯 或制模 工具 ( 研 磨 模 ) , 再与传统的制模工艺相结合, 制造出所需模具。 1. 3 逆向工程实现的方法
在逆向工程中, 准确、快速和全面获取实物原型的 三维数据是关键的一步。数据的好坏直接影响到逆向 工程后期的成败。数据的采集是指采用某种测量方法 和设备测出实物表面的若干组点的几何坐标, 实现的 方法有多种。按照与被测实体对象表面是否接触, 可 以分为 2类 [ 3] : 接触式测量和非接触式测量。
Abstract: From analysis of the reverse eng ineering princ iples, characteristics and applied m ethods, com bined w ith the dem and characterist ics in the field o f industrial design pre lim inary product model design concepts, the paper p roposed reverse equipm ent f it f or industrial design and the problem s to be noticed in the point cloud scan data. Summ arized the reverse eng ineering ro le in industrial design, tak ing the car case as an exam ple, the paper illustrated the applied process o f reverse eng ineering in industria l design and thus can accelerate the product developm ent speed and quality. [ Ch, 7 f ig. 9 re.f ] K ey w ord s: industrial design; product developm en;t reverse eng ineering; point cloud; data acqu isition
工业设计围绕产品创新展开, 在对产品创意前期, 为了辅助设计的实现, 会制作相关的模型或不够精细 的数字原型来分析产品的造型、特点, 用于产品的修改 和方案的评价。因此模型在工业设计流程中起着很重
Baidu Nhomakorabea # 104#
轻工机械 L igh t Industry M ach inery
2010年第 1 期
要的作用, 第 1能够感受产品概念的三维空间; 第 2可 以分析产品结构的合理性。工业设计中实物模型在不 同的设计阶段又分为草模、精细模型、结构模型等。设 计方案确定以后工程师还要制作出高精度的 CAD 数 字模型, 从设计师到机械工程师之间的过渡, 常常因为 2者知识结构不同, 导致产品造型脱离最初的创意构 思, 同时现代产品越来越圆润、人性化, 复杂的曲面对 工程师更是一个挑战, 怎么能保证设计师设计的高质 量曲面延续下来, 怎么能保证创意的最大化保留是一 个很大的问题。而逆向工程 方法在工业设计 中的介 入, 可以作为产品设计师和机械设计师之间一个桥梁, 从而保证了产品质量, 加速了产品设计的开发周期。
工业设计是现代产业革命的产物, 是随着市场经 济发展而孕育出来的, 它以科学技术与文化艺术相结 合为手段, 以满足市场需要和社会效益为目的, 以创造 更为合理的生活方式为原则, 通过人性化的造型设计, 推出具有全新的产品, 在满足消费者的前提下, 获得良 好的市 场地 位和经 济效益。杨振 宁博 士也 曾预 言: / 21世纪将是工业设计的世纪, 一个不重视工业设计 的国家将成为明日的 落伍者。0可见工 业设计在中国 从一个制造强国到设计强国转变过程中将会起到不可 替代的作用。 2. 1 工业设计领域的特点
但工业设计领域又不同与机械零件的加工制造。 首先设计前期模型的加工制作精度没有传统制造领域 高, 主要用来产品的分析制造; 其次, 目前国内工业设 计公司规模普遍较小, 高等院校的工业设计专业发展 历史较短, 在对逆向工程方面投入的资本有一定的受 限; 第 3, 工业设计开发流程较短, 时间成为一个竞争 的方面。因此在选取测量设备时价格低、速度快、有一 定精度的将为首选。高等院校工业设计专业逆向工程 实验室的建立, 主要是为工业设计提供快速精致模型 制作, 辅助产品设计开发, 加强高校的设计实践能力。 同时也为科研和教学提供了一个平台。本校逆向工程 实验室在建立的过程中, 考虑了上面几个因素, 最后选 取了非接触式测量设备 3DSS( T hree D im entional Sensing System )。 2. 2 非接触式 3DSS设备
第 28卷 第 1期 2010年 2 月
轻工机械 L ight Industry M achinery
V o.l 28 N o. 1 Feb. 2010
[ 经营 # 管理 ]
DO I: 10. 3969 / .j issn. 1005-2895. 2010. 01. 028
逆向工程在工业设计中的应用
( 1. R everse Eng ineering L ab, D epartm ent o f A rt and D esign, A nhui U niversity of T echno logy and Sc ience, W uhu 241000, China; 2. Product Innovation D esign & R esearch Institute, K unm ing U n iversity o f Sc ience and T echnology, K unm ing 650093, China)