支持产品创新规划设计的重建模型表达与建模方法探讨.doc

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1、支持产品创新设计的重建模型表达及建模方法研究*金涛童水光（浙江大学化工机械研究所，浙江杭州310027）摘要：本文提出了一种支持模型再设计的基于几何特征变量化的重建模型表达和重建方法。因为传统的采用参数曲面表达和曲面直接拟合的造型方法得到的三维重建模型，不便于模型的修改和再设计，而基于特征变量化表达重建模型，能方便地对模型特征进行修改，最终达到改变整个模型即产品外形结构的目的。实现上述表达的重建方法是基于几何特征及约束进行模型重建，首先根据几何特征类型，在对测量数据进行特征及约束识别的基础上，进行特征数据分割；然后建立特征约束模型，通过求

2、解模型得到满足约束关系的对数据点的最佳逼近特征，实现对原形及原设计意图的还原；最后再建立不同几何特征的协同变形关系，使修改局部或单个特征时模型整体协同变形，达到对重建模型进行再设计乃至创新设计的目的。关键词：逆向工程模型重建创新设计基于特征约束拟合1.引言运用计算机辅助技术进行实物零件乃至整个实物的复制过程通常被称为逆向工程(Reverseengineering)，逆向工程的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程，目前逆向工程技术已成为消化吸收先进技术进行产品快速开发的重要手段。但在国内，基于实物的逆向工程应用最广的还是进行产品复制

3、和仿制，尤其是外观设计产品，因为不涉及到复杂的动力学分析、材料、加工热处理等技术反求难题，相对容易实现。工作流程一般为：基于CAD/CAM系统，在进行数字化扫描、完成实物的3D重建后，通过NC加工或快速成型快速地制造出模具，最终注塑得到所需的产品。这个过程已成为我国沿海地区许多家用电器、玩具、摩托车等产品企业的产品开发及生产模式，但在这些产品中鲜有自己的技术，多数是复制（copy）和仿制国外的产品。尽管许多企业不具备创新设计能力，更多的是学习和模仿，但如果产品设计一昧的停留在模仿和仿制上，是没有任何出路的，如果对方的产品是受专利保护的，则

4、这种仿制还是一种侵权的行为。战后日本通过先仿制美国及欧洲的产品，在采取各种手段获取先进的技术和引进技术的消化、吸收的基础上，建立了自己的产品创新设计体系，使经济迅速崛起，成为仅次于美国的制造大国。德国在1998年提出：“德国不能采用产品降价的办法来提高竞争力，而是要通过持续地创新出其他国家没有的产品来提高竞争力”。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的继承和应用借鉴，逆向工程通过重构产品零件的CAD模型，可对原型进行修改和再设计，这为产品的再设计以及创新设计提供了数字原型，各种先进的计算机辅助技术手段也为

5、此提供了强有力的支持。因此，通过逆向工程，在消化、吸收先进技术的基础上，建立和掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创新设计，即在copy的基础上进行改进进而创新，这是提升我国制造业的必由之路。本文先对模型重建、参数化和变量化设计技术有关研究进行了回顾，提出了重建模型的表达和重建方法。2有关研究的回顾当前应用于产品外形设计的逆向工程方法主要有两种方式：一是由设计师、美工师事先设计好产品的油泥或木制模型，由坐标测量机将模型的数据扫入，再建立计算机模型；另一种是针对已有的产品实物零件，经过数字化测量和模型重建，获得产品的数字模型，然后对这个数

6、字模型进行修改、再设计，以获得一个与前面产品对象不同甚至完全不同的新的结构外形，最终达到产品设计创新之目的，基于逆向工程的产品创新设计的过程见图1。数字化模型重建再设计（创新设计）下游过程图1产品逆向创新设计过程逆向工程的基本过程包括：数字化、数据处理及整合、数据分割、曲面拟合或插值、曲面片缝合成整体。实物的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，目前的三维数字化方法，根据测量探头或传感器是否和实物接触，可分为接触式和非接触式两大类[1]。CAD模型重建之前应进行数据预处理，过程工作包括数据平滑、排除噪声数据

7、和异常数据、压缩和归并冗余数据、遗失点补齐、数据分割、多次测量数据及图象的数据定位对齐和对称零件的对称基准重建[1.2]。物体表面测量数据的分割方法一般分为两类，一是基于边界分割法，二是基于区域分割法。其中基于边界的分割法首先估计出测量点的法向矢量或曲率，然后根据将法向矢量或曲率的突变处判定为边界的位置，基于区域的分割法是将具有相似几何特征的空间点划为同一区域[1.2]。CAD模型重建是逆向工程的关键，根据实物外形的数字化信息，可以将测量得到的数据点分成两类：有序点和无序点（散乱点），由不同的数据类型，形成了不同的的模型重建技术。目前较成

8、熟的方法是通过重构外形曲面来实现实物重建，常用的曲面模型有Bezier、B-Spline、NURBS和三角Beizer曲面，采用的方法是对测量数据点拟合得到实物的外形曲面。曲面拟合可以分为插值