1、逆向设计在制造工程中的应用 林青 郝宏 王坤 林灿 魏敏 中国北方车辆研究所 摘 要： 在现代工程制造领域, 复杂曲面的设计和加工是逆向工程研究的重点内容之一。结合某重点项目火控系统所属部件新型数字化操控台手柄的研发过程, 通过逆向设计, 具体介绍了操控手柄的塑形及数据测量、数据预处理、曲面重建和 3D打印整个设计流程, 并最终得到了具备良好人机功效的操控手柄实体。关键词： 逆向工程; 三维扫描; 模型重建; 3D 打印; 作者简介：林青 (1987-) , 女, 硕士研究生, 工程师, 主要从事结构设计和可靠性等方面的研究。收稿日期：2017-08-15The Application of
2、Reverse Design in the Modern ManufactureLIN Qing HAO Hong WANG Kun LIN Can WEI Min China North Vehicle Research Institute; Abstract： In the field of modern engineering and manufacturing, the design and process of complex surface is one of the key contents of reverse engineering research.Combined wit
3、h a new digital console handles research process of an important project fire control system, by reverse design, the console handles s shaping, data measurement, data preprocessing, surface reconstruction and 3D print are specifically introduced.And finally the console handles with good ergonomics a
4、re got.Keyword： reverse engineering; three-dimensional scanning; model reconstruction; 3D print; Received： 2017-08-151 逆向工程在现代工业生产中, 产品的复杂程度越来越高, 尤其在曲面产品的设计中, 因其曲面的复杂和多样性, 传统的产品设计方法已经不能满足现代工业对曲面产品加工效率和质量的要求。随着日益成熟的 CAD/CAE/CAM 一体化产品开发技术的出现, 逆向工程 (Reverse Engineering, RE) 设计方法在现代曲面产品设计中得到了广泛的应用, 已经成为
5、一种快速设计的现代工程方法1。逆向工程也称反求工程, 是相对于传统的产品设计流程, 即正向工程 (Forward Engineering, FE) 而提出的。传统的产品设计流程是一个从无到有的过程, 通常是从概念设计到图样, 再制造出产品2。逆向工程的出现改变了传统的产品开发模式, 可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说, 逆向工程产品设计就是对现有的实物模型进行测量, 进而转化为工程设计模型, 根据产品设计要求对设计模型进行不断的剖析、改进和创新。通过逆向工程对产品进行设计, 不仅能够提高产品的设计水平, 而且大大缩短了产品开发周期, 提高了生产效率。2 操控手柄的逆向设计示例逆向工程技
6、术是消化、吸收先进技术, 进行新产品开发、设计、创新的重要技术手段。对于具有复杂曲面外形的零部件, 逆向工程更成为主要的设计方式。火控系统所属部件操控台, 在系统工作中, 通过炮长双手操作手柄以搜索、发现、跟踪、瞄准和打击目标。整个射击过程炮长应紧握手柄, 因而在长时间操作过程中, 手柄的舒适度会直接影响双手的疲劳程度, 进而对射击效果产生直接影响。某重点项目火控系统所属部件新型数字化操控台手柄的逆向工程设计流程图如图 1 所示。整个设计流程分为 3 个主要部分:1) 初始实物模型的设计与评估;2) 实物模型的逆向设计;3) 数字模型的加工制造与设计改进。图 1 操控手柄的逆向设计流程图 下载
7、原图2.1 初始实物模型的设计与评估首先, 由造型师按照设计要求进行手工塑形, 制作 11 的木质三维模型;然后, 由炮长 (专业操控人员) 对木模手柄反复试用, 对其舒适性进行评估;最后, 按照炮长的反馈意见对木质模型进行修改、完善, 直至具备良好的人机功效。2.2 操控手柄的逆向设计操控手柄的逆向工程设计包括实物模型的数字化和 CAD 模型重建。2.2.1 实物模型的数字化获得准确的点云数据是逆向工程建模的第 1 步, 它是用专业设备对实物模型进行测量来获取实物的表面数据 (有时也包括内部数据) 。目前, 获取产品数据信息的测量方法有多种, 主要分为接触式测量 (如三坐标测量机法) 和非接
8、触式测量 (如激光三角形法、投影光栅法和全息法等) 3。本文选用激光扫描仪对手柄模型进行数据采集, 以获得手柄实物模型的三维数据信息。因为操控手柄结构复杂, 需要对其进行多次扫描, 获得的点云数据量庞大。如此庞大的测量点集严重影响到曲面重建算法的效率, 而且并不是所有的数据都能用于曲面重建, 所以需要对点云数据进行数据整合和特征提取, 以方便后续的曲面重建。2.2.2 CAD 模型的重建CAD 模型重建, 即逆向造型, 是根据三维扫描仪等得到的实物点云数据模型重新构造生成实体模型的建模技术。在整个逆向工程过程中, 产品的三维 CAD 模型重建是最关键、最复杂的环节。模型重建方法主要包括曲线拟合
9、造型和曲面拟合造型4。目前, 用于三维建模的软件有多种, 本项目使用 CATIA 软件对操控手柄进行曲面模型的重建。建模之后得到的操控手柄模型如图 2 所示。图 2 操控手柄 CAD 重建模型 下载原图因为操控手柄结构复杂, 中间部分为空腔体。为了便于加工, 在 CATIA 软件中选择了一个合适的分形面, 将手柄分成手柄上半部和手柄下半部等 2 个曲面部分 (见图 3) 。图 3 操控手柄模型 下载原图2.3 数字化制造与设计改进将逆向设计完成的 CAD 重建模型输出到激光 3D 打印成型机中, 应用 3D 打印技术制造出操控手柄的样机。因为操控手柄在建模时分成手柄上半部、手柄下半部等 2 个
10、模型进行重建, 所以对上、下 2 个曲面模型分别进行加工。操控手柄采用金属材料, 上、下手柄部分加工完成之后, 采用激光焊接将上、下两部分焊接在一起;然后进行打磨、抛光和喷漆处理, 制造出一个完整的手柄结构。左侧手柄结构如图 4 所示。图 4 左侧手柄结构 下载原图产品的两侧手柄和中间部分加工完成之后, 将所有零件组装在一起。由炮长试用操控手柄, 检验其功能和舒适程度是否满足要求, 然后对不满足要求的地方进行修改, 继续重复上述过程, 直至达到操控手柄的逆向工程设计要求。最终得到的操控台整机结构如图 5 所示。图 5 操控台整机结构 下载原图3 结语逆向工程是一种集实用性、开拓性以及综合性于一
11、体的技术。通过对操控手柄进行数据测量、数据处理、曲面重建和 3D 打印, 介绍了逆向工程设计的整个设计流程, 并得到了完整的操控手柄实体模型。在制造业领域内, 通过逆向工程进行产品设计, 不仅能够提高产品设计的精确性, 而且能大大缩短产品的开发周期。随着各种行业对快速创新产品的急需以及计算机技术、数控加工技术和测量技术的飞速发展, 逆向工程技术必将在更多领域内得到应用和发展。参考文献1元庆凯, 葛正浩, 王金水, 等.逆向工程在塑料产品数字化设计与制造中的应用J.机械设计与制造, 2010 (10) :89-91. 2金涛, 童水光.逆向工程技术M.北京:机械工业出版社, 2003. 3吴新声.逆向工程在工业产品设计中的应用D.武汉:华中科技大学, 2005. 4黎勇, 刘峰, 张明德.逆向工程技术浅析J.重庆工学院学报, 2005, 19 (8) :16-19.
