逆向設計

逆向設計過程是指設計師對產品實物樣件表面進行數位化處理(數據採集、數據處理)，並利用可實現逆向三維造型設計的軟體來重新構造實物的三維CAD模型（曲面模型重構），並進一步用CAD/CAE/CAM系統實現分析、再設計、數控編程、數控加工的過程。逆向設計通常是套用於產品外觀表面的設計。

基本介紹

• 中文名：逆向設計
• 外文名：reversal design
• 用途：產品再設計、產品開模、三維檢測
• 相關技術：三維掃瞄器
• 優點：使得工業生產設計成本低、周期短

正向和逆向

早期設計師在進行產品的造型設計時，主要採用正向設計的方法；這是一個從概念設計起步到CAD建模、數控編程、數控加工的過程。

產品造型設計的正向設計一般流程： 概念設計 →CAD/CAM系統 →製造系統→ 新產品。

但對於複雜的產品，正向設計的方法顯示出了它的不足，設計過程難度係數大、周期較長、成本高、產品研製開發難。由於設計師無法完全預估產品在設計過程中會出現什麼樣的狀況，如果每次因為一些局部的問題而推倒整個產品重來，不管從時間上還是從成本上都是不可接受的。如果有方法能改正在正向設計過程中所產生的局部問題自然是好的，正是在這樣的背景下，自然發展並形成了逆向設計的方法。

逆向設計通常是根據正向設計概念所產生的產品原始模型或者已有產品來進行改良，通過對產生問題的模型進行直接的修改、試驗和分析得到相對理想的結果，然後再根據修正後的模型或樣件通過掃描和造型等一系列方法得到最終的三維模型。

採用逆向設計的方法所得到的產品模型，因為是有實際的模型參與各種試驗因此得到的結果相對於概念化推算和電腦虛擬模擬更接近真實，從而能迅速找到產品的優異形態並縮短產品開發周期。

在新產品開發中，通常採用正向設計和逆向設計結合使用。

流程示意

逆向設計的一般流程：

產品樣件 →數據採集→ 數據處理CAD/CAE/CAM系統 → 模型重構 →製造系統→ 新產品。

在逆向設計的這些環節中，數據採集、數據處理、模型重構是產品逆向設計的三大關鍵環節。

數據採集

數據採集(樣件的表面數位化)是進行產品逆向設計的第一步。一般而言，數據採集有接觸式與非接觸式兩種測量方式。

典型的點雲處理過程

接觸式測量根據測頭的不同，可分為觸髮式和連續式。套用最廣泛的接觸式測量儀器是20世紀60年代發展起來的高效精密的三坐標測量機，它是有很強柔性的大型測量設備。接觸式測量對物體的表面的顏色和光照沒有要求，因此物體邊界的測量相對精確，但對軟質材料適應差且速度慢。

非接觸式測量根據原理的不同，可以分為三角形法、結構光法、計算機視覺法、雷射干涉法、雷射衍射法、CT測量法、MR測量法、超音波法和層析法。通常使用非接觸式測量在採集實物模型的表面資料時，採集速度快，可形成“點雲”資料，缺點是精度較低而且對樣件表面和光照有較高的要求。

數據處理

數據處理的結果將影響模型重構的質量。在此階段一般應進行數據預處理、數據分塊、數據光順、三角化、數據最佳化、多視拼合、噪聲濾波、拓撲建立、特徵提取等工作。

模型重構

模型的重構也就是通常所說的逆向造型過程，重構的方案目前主要有三種，每一種都有不同的適用場合：

1)以B-Spline或NURBS曲面為基礎的曲面構造法，

2)以三角Bezier曲面片為基礎的曲面構造法；

3)以多面體面片為基礎的曲面構造法。

產生與套用

在飛機、汽車、工藝美術品和模具等行業的設計和製造中，通常是由複雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設計階段難以用嚴密、統一的數學語言來描述。這些產品的初始模型是通過對事先製造出的木製或泥制模型來實現數位化產生的。近年來，逆向設計法在產品造型設計中形成並逐漸走向成熟。

由於產品造型的逆向設計有起點低、成本低、周期短、易改型、易創新等特性，自出現以來便受到了現代工業設計師的關注。目前該技術在下面幾方面得到了廣泛套用：

a．用於汽車、機車等具有較複雜曲面外型產品的修復與改型設計中；

b．用於設計與製造個性化的產品，如人體擬合、太空服裝設計、假肢設計等；

機車逆向之油泥模型

c．根據客戶樣件進行模具設計時，該項技術可使自動化程度大大提高；

d．在樣件缺少圖形檔案時，可用逆向設計來生成圖形檔案：

e．在快速原形製造中逆向設計可實現原形產品的快速準確建模並進行重新設計。

f．用於對產品模型進行運動模擬和仿真,代表軟體：cmosmotion works；

h. 對產品模型的受力情況進行仿真,代表軟體:cmosxpress；

g. 對注塑件進行注塑分析，代表軟體：Mouldflow Plastics Insight、Solidworks moldflow xpress;

套用軟體

國際市場有很多逆向設計的套用軟體，如美國Imageware公司的imageware、英國Renishaw公司的TRACE、英國MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction、英國DelCAM公司的CopyCAD和美國Rain Drop公司的Geomagic。此外，一些CAD/CAM系統，如美國PTC公司的Pro/Engineer、德國Siemens PLM旗下的NX與法國達索公司的CATIA和Solidworks office premium等在其系統中也集成了可實現逆向三維造型設計的模組，但與專業的逆向設計軟體比較，在功能上有較大局限性。例如：imageware逆向設計軟體可方便的實現下面幾項功能：

1)接受不同來源的掃描資料點的分析與處理。如CMM.Laser，sensors，Ultrasound等；

滑鼠的imageware逆向造型

2)快速、準確地將掃描點轉換成NURBS曲面；

3)對曲面模型的精度、品質進行評價；

4)對曲線、曲面的形狀實現互動修改。在產品的曲面模型重建時。imageware不需經過建造曲線來構造曲面而是直接由掃描點來直接產生曲面；或採用建立周邊曲線再用該邊界與其內部的掃描點群來產生曲面；也可首先在掃描點群中構造NURBS曲線，再由曲線來產生曲面。 顯而易見，逆向設計和逆向工程是有區別的。

逆向設計是設計的一種高效的方法，在產品未成形之前對它進行模擬、分析，上文已經講得很清楚,比如：你要設計一段橋樑，想知道它的受力情況可以用逆向設計軟體來分析一下就知道了，這就是逆向設計。

逆向工程是對某一現有事物進行研究，找到實現它的方法。比如寶馬7系的車子比較好，被外星人拿去研究看看怎么造出來的，這叫逆向工程；