逆向設(shè)計(jì)專題（一）：逆向設(shè)計(jì)的概念和基本步驟
魔猴君 知識堂 1812天前
一、逆向設(shè)計(jì)的概念：
講逆向設(shè)計(jì)前，先來看下傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的流程：構(gòu)思—設(shè)計(jì)—產(chǎn)品原型。顧名思義，所謂逆向設(shè)計(jì)理念恰好與正向設(shè)計(jì)相反。
逆向設(shè)計(jì)，又反求設(shè)計(jì)，逆向工程，是一種基于逆向推理的設(shè)計(jì)，通過對現(xiàn)有樣件或者原型生成圖樣，然后按照預(yù)想的效果進(jìn)行改進(jìn)，并最終超越現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。簡單來說流程為：實(shí)物零件—表面輪廓數(shù)字化—數(shù)據(jù)處理——模型重構(gòu)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)——產(chǎn)品。
逆向設(shè)計(jì)絕不僅僅是產(chǎn)品的仿制，它更肩負(fù)著數(shù)學(xué)模型的還原和再設(shè)計(jì)的優(yōu)化等多項(xiàng)重任。
目前逆向設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到包括機(jī)械、電子、汽車、自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、文物考古、光學(xué)設(shè)備和家電等相關(guān)行業(yè)。
二、逆向設(shè)計(jì)的基本步驟
逆向設(shè)計(jì)的基本步驟包括以下幾個(gè)。
(1)被設(shè)計(jì)、加工對象的試驗(yàn)樣品制作。在對被設(shè)計(jì)加工對象進(jìn)行樣品數(shù)據(jù)采集前，要考慮到數(shù)據(jù)采集的設(shè)備和方式。為了保證數(shù)據(jù)精度，減少數(shù)據(jù)誤差，要先對樣品進(jìn)行清洗、風(fēng)干等預(yù)處理，對于激光掃描的工件要進(jìn)行噴涂處理。對于特殊的零部件還要進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，考慮數(shù)據(jù)采集的完整性。
(2)零件原型的三維數(shù)字化測量。采用三坐標(biāo)測量機(jī)( coordinate measuring machine,CMM)或激光掃描等測量裝置，通過測量采集零件原型表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值;使用逆向設(shè)計(jì)軟件處理離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。復(fù)雜零件多呈現(xiàn)多種形態(tài)的不規(guī)則特征，一次掃描只能針對一個(gè)表面進(jìn)行。對于復(fù)雜的表面，很難從一個(gè)角度進(jìn)行掃描而得到所需的全部數(shù)據(jù)。因此，在進(jìn)行掃描時(shí)，需要根據(jù)特定零部件樣品制作能夠翻轉(zhuǎn)的支架，轉(zhuǎn)換各種角度進(jìn)行掃描。掃描完成后要對多視掃描數(shù)據(jù)重新進(jìn)行整合。
(3)零件原型三維重構(gòu)。按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對零件進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原型所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中做曲面擬合，并通過各曲面片的求解與拼接獲取零件原型的CAD模型。
(4) CAD模型的分析與改進(jìn)。對于重構(gòu)出的零件CAD模型，根據(jù)產(chǎn)品的用途及零件在產(chǎn)品中的地位、功能等進(jìn)行原理和功能分析、優(yōu)化，確保產(chǎn)品良好的人-機(jī)性能，并進(jìn)行產(chǎn)品的改進(jìn)創(chuàng)新。
(5) CAD模型的校驗(yàn)與修正。根據(jù)獲得的CAD模型，采用重新測量和加工樣品的方法，來校驗(yàn)重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)的要求。對不滿足要求的樣品找出原因，重新進(jìn)行掃描、造型，直到達(dá)到零件的功能、用途等設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
(6)正向與逆向融合的產(chǎn)品創(chuàng)新?！爱a(chǎn)品一逆向一產(chǎn)品”，即對產(chǎn)品的簡單的仿制，這是逆向工程的初級應(yīng)用。“產(chǎn)品逆向一改良設(shè)計(jì)一改良產(chǎn)品”，即對產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)，吸收國外先進(jìn)技術(shù)，這是逆向工程的中級應(yīng)用。“概念草圖一比例模型一三維測量(逆向)一數(shù)據(jù)重建 (設(shè)計(jì)評價(jià)修改的過程)一模具一真實(shí)產(chǎn)品”，這是逆向工程的高級應(yīng)用。如在飛機(jī)、汽車和模具等行業(yè)的設(shè)計(jì)和制造過程中，產(chǎn)品通常由復(fù)雜的自由曲面拼接而成，在此情況下，設(shè)計(jì)者通常先設(shè)計(jì)出概念圖，再以油泥、黏土模型或木模代替3D-CAD設(shè)計(jì)，并用測量設(shè)備測量外形，建構(gòu)CAD模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終制造出產(chǎn)品。
逆向設(shè)計(jì)只是設(shè)計(jì)的一個(gè)環(huán)節(jié)，而不能作為設(shè)計(jì)的目的。設(shè)計(jì)的目的是創(chuàng)新，逆向設(shè)計(jì)技術(shù)是為設(shè)計(jì)創(chuàng)新服務(wù)的，應(yīng)該確定運(yùn)用逆向設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)的正確位置，讓逆向設(shè)計(jì)更好地為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)。
