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1、基于产品反求工程的产品创新设计方法摘要 快速优质的创新设计方法是产品生存更新的生命,产品反求工程是一种非常重要的设计方法.文中提出基于产品反求工程创新设计的一系列基本方法,及其这些方法的实现和对这些方法的评价标准.关键词 创新设计,反求工程,评价标准1 引 言数字化浪潮推动社会飞速发展,世界范围内的竞争将日趋激烈,尤其是工业领域的竞争更加白热化,企业必须充分吸收和利用现代高新技术成果以增强它们的竞争能力.产品设计是工业企业,尤其是制造业必须迈过的第一道门槛.现代市场对产品设计的要求已经发生了根本的变化.多品种、小批量替代了少品种大批量的传统
2、生产模式,这就导致了设计和生产周期越来越短.这些需求推动着新的设计方法的诞生.一个非常重要的行之有效的方法是基于产品反求工程的设计方法[1—4].该设计方法的基本思想是:分析已有的产品或设计方案,确定产品的各个组成部分并作适当的分解,确定产品不同部件之间的内在的联系,包括功能联系、组装联系等;然后在更高的、更加抽象的设计层次上获取产品模型的表示方法;最后从功能、原理、布局等不同的需求角度对产品模型进行修改和再设计[5—8].总而言之,产品反求工程设计方法支持通过抽取已有的产品或设计方案的主要特征,作为新产品设计的基础.利用反求设计方法可使得产
3、品设计、加工及产品制造的总周期尽可能地缩短.事实上,在现代产品更新极快的时代,许多新产品都从已有的产品脱胎而来,这些新产品与老产品之间差别不是太大,对其的设计只需将已经有的产品设计方案作局部的或布局方面的较小的改动.因此,这种设计方法与从草图开始设计的方法相比,设计周期会大大缩短,风险也会大大降低,设计费用也会大大减少.反求工程技术还可以与传统设计方法结合起来.由于快速成型材料的价格低廉,以及生产快速成型产品的软硬件设备越来越完善,设计人员可以用易成型材料先制造一个产品的缩小或放大的实物模型,他们与生产厂家可决定该模型是否满足生产要求;如果不
4、行,继续修改,直到满意为止.然后设计人员对真实模型进行反求设计,得到实际尺寸的产品的精确设计方案.2 反求工程的基本方法反求工程主要通过以下步骤来实现:数据采样数据分析,数据恢复及修补,原始部件的分解,模型信息处理及CAD模型的建立,部件装配,产品功能模拟,再设计等.2.1 数据采样数据采样是反求工程的最基本的、必不可少的步骤,它从已有的实物获取产品数据.通常采用三维激光扫描仪,三维数字化仪,物体多角度照片等数字化方法来快速、准确地获取数据.如果能够得到产品的设计数据,当然可以使用.当得到了较完整的采样数据以后,必须通过三维图形处理技术将采样
5、数以三维图形的方式显示出来,得到直观简略的产品结构外形.2.2 数据分析当得到采样数据并已经显示成图形以后,就可以分析原来物体的结构.物体结构包括物体的逻辑结构、物体的功能结构,物体包含哪些标准件,材料构成,物体表面颜色分布,各个部件的几何尺寸,不同部件之间的装配方式及不同部件之间的几何尺寸约束等[9].为此,要建立产品几何特征识别及产品组件结构的自动识别分解或交互识别分解系统.该系统具有视觉识别区分实物的特征和特征数据的分类处理功能,材质颜色分解提取功能,根据标准零件模型库将整个物体大致分解为几个不同的部分.2.3 数据恢复和修补在采样过程
6、中,物体的某些细节的丢失是不可避免的.通过对采样数据的三维显示及结构分析,能够发现哪些数据可能被丢失了.因此,数据修复是反求工程的一个必不少的步骤.数据修复主要包括部件恢复及表面数据恢复.表面数据恢复主要涉及碎片整合及空洞填补,一般可采用NURBS曲面片来实现表面数据的恢复.一个更好的方法是采用基于三角面片的多分辨曲面模型.这种模型能便于曲面的局部修改.在数据修复过程中,局部修改以消除明显的误差是必不可少的.2.4 原始部件的分解反求工程要解决的关键问题是一个设计方案能不能最终变成产品,而通常的产品是由不同的部件组装而成的.分解是将一个物体分
7、解成若干个标准部件的过程.在分解过程中,我们必须区分每一部件的尺寸位置,不同部件之间的连接关系及连接方式,以及物体表面该如何分割[11,12].这一步骤首先通过数据分析步骤获得物体的大体结构模型,再通过人机交互的方法进行精确的分解,尺寸标注,链接定义等.2.5 模型信息处理及CAD模型的建立通过以上步骤,我们已经得到了构成物体的基本部件的逻辑结构及物体的基本几何数据,在此基础上,可以构造物体的三维CAD模型,这个模型是最基本的创新设计模型平台[6].在此基本平台上,设计人员可交互构造特征线,自动识别产品过渡圆角、尖边等特征;提供多种物体表面(
8、平面及NURBS曲面组成)编辑技术,研究曲面整体变形技术,实现CAD模型动态修改.2.6 标准化部件库的建立为了使构成物体的标准零件不至于无限膨胀,一种创新设计过程
