摘 要： 利用逆向工程技术可借助现有产品造型实现功能改进，帮助设计师提高设计效率，实现设计创新。文章以一款电话造型的蓝牙音箱为例，重点介绍了逆向工程技术在产品创新设计中的实现方法，探讨了采用逆向设计方法进行创新设计时的技术要点。
关键词： 逆向工程技术; 创新; Geomagic软件;
引言
逆向工程（Reverse Engineering,RE），又称反求工程，即利用三维扫描仪获取样件表面信息，经逆向软件处理后，再进行数字化模型重构，进而加工出产品的一种先进制造技术。逆向工程技术优势在于可借助现有产品外观，实现功能改良，或者造型改进，可节省设计周期，因此在产品创新设计中具有比较大的实用空间。
随着逆向设计及3D打印技术的发展，个性化定制产品的需求呈现增加的趋势。本文采用逆向设计手段，对某仿真复古电话储钱罐进行改进，设计出一款电话造型的蓝牙音箱，丰富了一般蓝牙音箱的简单造型，实现了快速设计、个性化设计，进而总结出采用逆向设计手段进行产品创新时需要注意的地方。
1、 创新过程分析
爱因斯坦曾指出：“提出（发现）一个问题往往比解决一个问题更为重要……提出新的问题、新的可能性，从新的角度看旧问题，就需要创造性的想象力……”。颜惠庚在《技术创新方法实战》一书指出，所谓问题，就是系统应该或希望具有的理想状态与其目前状态之间的差距。因此，无论采用正向或逆向设计方法，首先务必明确要解决的问题。例如本设计，设计目标围绕如何改变蓝牙音箱的外观造型。采用逆向设计手段，通过现有产品设计一个新产品，首先应在分析功能和造型结构基础上，分析两个产品之间的相似相通之处及改进的可行性。新产品的功能必须稳定、完善，外观造型应美观、协调，改进设计不应牵强生硬，且符合一定的人机工程学设计原理。其次，分析功能硬件结构，确定硬件构成、尺寸规格及安装固定方式。第三，采集样件外观数据，处理后重新构建CAD数字模型，再根据装配需求进行结构设计。大部分新产品除外观有所变更外，由于添加了硬件，结构上都需要有改进，而此时设计者必须从材料、生产工艺、经济成本等多个方面进行考虑，科学设计。最后，利用3D打印技术快速制造样机，检验功能硬件与壳体的装配关系，找出问题，完善数字模型。反复修改，最终完成新产品的创新设计。
2、 硬件结构分析
蓝牙音箱一般由外壳、芯片、扬声器、电池及USB接口组成。硬件结构是外壳尺寸和固定结构设计的依据，设计前须反复试验，以期硬件达到十分稳定的功能，确定硬件结构。本设计采用某类型蓝牙芯片，尺寸不足30×15mm，体积小，且自带USB接口，可直接通过数据线供电，也可选择电池供电，功能比较稳定。
3、 逆向设计过程
3.1、 外壳数据采集
三维扫描仪包括光栅三维扫描仪（也称拍照式三维扫描仪）和激光扫描仪。光栅三维扫描包括白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪可分为点激光、线激光、面激光。光栅三维（白光扫描）扫描仪工作原理是首先将白光投射到被测物体上，使用两个有夹角的摄像头对物体进行同步取像，之后对所取图像进行解码、相位操作等计算，最终对物体各像素点的三维坐标进行计算。而激光扫描仪采用的是激光测距的方式，即通过对被测物体表面大量点的三维坐标、纹理、反射率等信息的采集，来对其线面体和三维模型等数据进行重建。
工业产品逆向设计中光栅三维扫描仪和激光扫描仪都适用，具体采用哪种类型扫描仪需要根据扫描范围、扫描精度要求、设备成本而定。为了保证逆向设计的精度，保证重构模型对原型的还原度，外观数据扫描时应保证：（1）数据完整；（2）杂点、噪音点尽量少；（3）点云尽量规整平滑；（4）保留其原始特征。扫描前需要粘贴标记点，粘贴要求如图1所示。
3.2、 点云数据处理
由于受外界光线和被测工件表面质量的影响，采集数据时经常会出现一些异常点，影响曲面重构的精确性。为保证后续曲面重构数据的精确性，需要去除这些异常点，故在进行模型的逆向重构前需要先对扫描所得点云数据进行预处理。目前比较流行的点云处理工具是Geomagic Wrap和Geomagic Studio软件，利用该软件可以将三维扫描获得的.TXT格式的三维点数据转化为.STL格式的三角面片，最终处理结果如图2所示。
3.3、 逆向建模
逆向设计核心是数字化模型重构，一般来说，要求新模型的精度高，与原型之间偏差小，模型重构时首先要根据产品造型结构特点进行建模分析。以电话机机座逆向设计为例，该机座主要由底座造型、侧面曲面构成的基础主体和上面的电话支架、拨号盘等造型构成。基础主体为曲面形状，可以采用领域组拟合方法创建曲面，底座造型和支架部分的造型采用面片草图的方式，由平面直接截切面片，得到这一特征的断面轮廓，再根据轮廓曲线绘制图形，采用拉伸等命令创建实体或者曲面。最后采用曲面切割实体的方式，以及实体合并的方式得到完整的电话机座造型。
需要注意一点，采用逆向工程进行创新设计时，并非所有结构都必须使用逆向软件来实现，需要保留的外观造型应进行重构，而其他结构部分采取正向手段也可实现，本例中，拨号盘将被设计成音箱的喇叭，安装扬声器，因此拨号盘不需要进行逆向建模，而是在其他建模软件，如Pro/Engineering软件中采用正向建模方式进行造型设计，如图3所示。是否采取逆向或正向建模，需要根据产品中结构的设计要求而定。
同样道理，开关和USB接口也采用Pro/Engineering软件进行正向设计，电话机座主要建模过程如图4所示。
4、 创新设计
采用逆向手段对产品外壳进行重构之后，即获得了基于现有产品的外观CAD三维数据，在此基础上设计者需根据装配要求进行结构完善。本例中，需要将机座底部做成可拆卸结构，以便安装蓝牙电路。因此需要再为其设计个底板。底板建模可在Pro/Engineering软件中完成。Pro Engineering软件是比较常用的工业产品设计软件，它的装配模块可以实现关联零件之间的尺寸配合设计。通过装配模型参照电话机座尺寸进行底板的正向建模，这样设计的优势是使后者与前者完美吻合，形成一个完整的音箱腔体。同时，在Pro/Engineering软件中完成电池、芯片和线路的固定结构设计。
此外，利用逆向获得的CAD三维数据丰富产品功能也十分方便，本例中在音箱壳体内中间偏下方的位置设计一块隔离储钱空间，这样可以在现有产品功能基础上提升其使用价值。
5 、结束语
逆向工程作为产品创新设计方法之一，其优势在于可借助现有产品外观造型实现快速设计，并有助设计人员发挥创造力，从功能上进行创新。基于逆向技术进行创新设计时，并非只可以采用逆向建模手段，而是根据结构特点和设计需要，灵活使用正向建模和逆向建模手段。
参考文献
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