反求工程在工业设计中的应用研究
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摘要
反求工程是从实物模型测得的数据，构造出该物体CAD模型，继而将这些模型用于产品的分析和制造。相对于传统的正向设计方式，反求工程适用于只有产品或实物模型，没有产品图纸的条件下实现产品的制造。因此，反求工程在机械、航空、航天、医疗等领域的应用日益广泛并得到了越来越多的重视。
工业设计是提高产品市场竞争力的有力工具，然而在我国，工业设计仍未发挥其应有的作用，其中有一个重要的原因，就是由于设计环境和设计手段的局限，限制了设计师的创造能力的发挥以及和工程技术人员有效的交流与协调。使得新产品的开发效率低下，进展缓慢。工业设计需要一种新的设计手段和思路。
尽管反求工程目前由于自身发展的不成熟，主要用于仿制、复制，但它在产品引进、复杂曲面建模等方面有其独到的优势，因此，如果应用工业设计中，进行产品的改进创新设计，将能发掘出巨大的潜力。
本论文根据反求工程的技术流程，利用现有的软硬件设施，尝试将反求工程引入到工业设计中，通过对一系列产品的三维测量、数据处理、CAD模型重建和输出工作，研究了工业设计中产品反求的一般过程和遇到的一些问题；通过对剃须刀保护盖的多次测量，探讨了反求策略在产品测量中的重要作用以及现有测量设备应该完善的地方；通过对螺旋桨叶片的测量、数据处理和建模，探讨了目前主要的曲面重构方法以及反求软件的不足，指出了未来面向工业设计的反求工程软件应解决的问题。
本论文根据工业设计的工作流程，探讨了反求工程所得的CAD模型在建立之后的主要用途，并根据工业设计的特点，研究了反求工程的配套技术——快速成型技术给工业设计带来的积极变化及其在工业设计中的适用范围和应用价值。
本论文还从工业设计的目的入手，研究了利用反求工程进行产品造
型创新设计的可行性，并对反求过程在工业设计系统中的集成以及在各
阶段的创新手段做了相应的探讨，并研究了反求工程在引入到工业设计
之后所带来的积极影响。
综上所述，在我国工业设计领域进行反求工程技术的应用研究，将
对提高我国产品造型的设计水平，降低产品设计成本，加快产品更新换
代的速度，增强产品在国际市场上的竟争力有着很强的促进作用。本论
文的研究工作丰富了工业产品造型设计的理论和方法，将促进反求工程
在工业设计中的应用和推广。
Reverse Engineering (RE) refers to the process of creating engineering design data from existing parts. Some product' s figure is very complicated and is hard to build CAD model directly. To resolve this question, Designers and engineers use some material like clay or wooden mock-ups to make a model of the product, scan it by 3D measuring machine, get the data of the figure, then build it' s CAD model on the basis of the scan data. And sometimes we need to clone and re-create an existing product. The Reverse Engineering technology enables us to create the CAD model of the new product quickly by capturing the surface of a model using laser digitizers or coordinate measuring machines.
Reverse Engineering, as a method of design, has been used in many fields. It' s proved that the period of the design can be shorten remarkably. So, in recent years, Reverse Engineering is getting accepted by more and more enterprises.
As the main tool to enhance the value of the product, Industry Design is becoming more and more important in the market compete, consumer make the choice not only by the function, but also by the appearance of the product. As product varieties increase and life cycles shorten, the need to reduce development time becomes more critical to maintain competitiveness in the market. Though the CAID (Computer Aided Industry Design) has been widely used, that's not enough. Designers need more powerful tool to make their concept come true and they need to re-create new product on the basis of
in
old product.
in this thesis, the theory and application of Reverse Engineering in the Industry Design fields are researched in details, which are compared with that of forward design. Some key technologies in the reverse engineering, such as data measuring, data disposal, data output and freeform surface reconstruction are discussed and some actual application examples are showed in the thesis. How to use Reverse Engineering in Industry Design as a creative tool is studied.
If Reverse Engineering is integrated in Industry Design as a tool to ameliorate the appearance of old product, the period of the development would be shorten, the cost would be reduced, the level of Industry Design in Yunnan would be improved.
工业设计是提高产品市场竞争力的有力工具，然而在我国，工业设计仍未发挥其应有的作用，其中有一个重要的原因，就是由于设计环境和设计手段的局限，限制了设计师的创造能力的发挥以及和工程技术人员有效的交流与协调。使得新产品的开发效率低下，进展缓慢。工业设计需要一种新的设计手段和思路。
尽管反求工程目前由于自身发展的不成熟，主要用于仿制、复制，但它在产品引进、复杂曲面建模等方面有其独到的优势，因此，如果应用工业设计中，进行产品的改进创新设计，将能发掘出巨大的潜力。
本论文根据反求工程的技术流程，利用现有的软硬件设施，尝试将反求工程引入到工业设计中，通过对一系列产品的三维测量、数据处理、CAD模型重建和输出工作，研究了工业设计中产品反求的一般过程和遇到的一些问题；通过对剃须刀保护盖的多次测量，探讨了反求策略在产品测量中的重要作用以及现有测量设备应该完善的地方；通过对螺旋桨叶片的测量、数据处理和建模，探讨了目前主要的曲面重构方法以及反求软件的不足，指出了未来面向工业设计的反求工程软件应解决的问题。
本论文根据工业设计的工作流程，探讨了反求工程所得的CAD模型在建立之后的主要用途，并根据工业设计的特点，研究了反求工程的配套技术——快速成型技术给工业设计带来的积极变化及其在工业设计中的适用范围和应用价值。
本论文还从工业设计的目的入手，研究了利用反求工程进行产品造
型创新设计的可行性，并对反求过程在工业设计系统中的集成以及在各
阶段的创新手段做了相应的探讨，并研究了反求工程在引入到工业设计
之后所带来的积极影响。
综上所述，在我国工业设计领域进行反求工程技术的应用研究，将
对提高我国产品造型的设计水平，降低产品设计成本，加快产品更新换
代的速度，增强产品在国际市场上的竟争力有着很强的促进作用。本论
文的研究工作丰富了工业产品造型设计的理论和方法，将促进反求工程
在工业设计中的应用和推广。
Reverse Engineering (RE) refers to the process of creating engineering design data from existing parts. Some product' s figure is very complicated and is hard to build CAD model directly. To resolve this question, Designers and engineers use some material like clay or wooden mock-ups to make a model of the product, scan it by 3D measuring machine, get the data of the figure, then build it' s CAD model on the basis of the scan data. And sometimes we need to clone and re-create an existing product. The Reverse Engineering technology enables us to create the CAD model of the new product quickly by capturing the surface of a model using laser digitizers or coordinate measuring machines.
Reverse Engineering, as a method of design, has been used in many fields. It' s proved that the period of the design can be shorten remarkably. So, in recent years, Reverse Engineering is getting accepted by more and more enterprises.
As the main tool to enhance the value of the product, Industry Design is becoming more and more important in the market compete, consumer make the choice not only by the function, but also by the appearance of the product. As product varieties increase and life cycles shorten, the need to reduce development time becomes more critical to maintain competitiveness in the market. Though the CAID (Computer Aided Industry Design) has been widely used, that's not enough. Designers need more powerful tool to make their concept come true and they need to re-create new product on the basis of
in
old product.
in this thesis, the theory and application of Reverse Engineering in the Industry Design fields are researched in details, which are compared with that of forward design. Some key technologies in the reverse engineering, such as data measuring, data disposal, data output and freeform surface reconstruction are discussed and some actual application examples are showed in the thesis. How to use Reverse Engineering in Industry Design as a creative tool is studied.
If Reverse Engineering is integrated in Industry Design as a tool to ameliorate the appearance of old product, the period of the development would be shorten, the cost would be reduced, the level of Industry Design in Yunnan would be improved.
引文
[1] 刘影，杭九全，万耀青．反求工程与现代设计．机械设计，1998，(12)：1～4
[2] 刘之生，黄纯芝．反求工程技术．北京：机械工业出版社，1992
[3] 董光荣，反求工程技术产业化可行性和可靠性的分析．机电一体化，2001，(1)：8～9
[4] 程能林．工业设计概论．北京：机械工业出版社，2001
[5] 张舜德，朱东波，卢秉恒．反求工程中三维几何形状测量及数据预处理．机电工程技术，2001(1)：7～10
[6] Tamas Varady, Ralph R Martin, Jordan Coxt. Reverse engineering of geometric models-an introdution [J] Computer Aided Design, 1997,29(4):255～268
[7] 张畅，张祥林，黄树怀．快速造型技术中的反求工程．中国机械工程，1997，8(5)：60～62
[8] 张国雄．三坐标测量机的发展趋势．中国机械工程，2000，11(2)：222～226
[9] 吴晓林，吴林波，冯涛．反求工程中测量数据的处理技术．见：卢秉恒．RP技术于快速模具制造．西安：陕西科学技术出版社，1998：94～97
[10] 刑渊，制造领域中反求设计方法及其应用研究．中国机械工程，2001，12(4)：416～420
[11] 黄小平，熊有伦．逆向工程技术现状及展望，见：卢秉恒，唐一平．21世纪新产品快速开发技术．西安：陕西科学技术出版社，2000：18～24
[12] Liu S, Ma W. Seed-growing Segmentation of 3D Surfaces from CT-contour Data. Computer Aided Design, 1999,31(8):517～536
[13] Collin Bradley. computer Vision Techniques in Reverse Engineering. Engineering Design&Automation, 1998,4(2):101～112
[14] 孙家广，杨长贵．计算机图形学．清华大学出版社，1997
[15] Hugues Hoppe. Surface Reconstruction from Unorgnized Points[J]. Doctor's thesis, Department of Computer Science,University of Washington, 1994
[16] Anderi G Jablokow, Pramod N Chivate, James Mmullner, Construction of solid Models from Measured Point Data for Inspection and Reverse Engineering, Advance in Measuring System: Design, modeling, and Analysis. Elsevier Science, 1994
[17]王秀峰，罗宏杰．快速原型制造技术，北京：中国轻工业出版社，2001：178～190
[18]周儒荣，张丽艳，苏旭，周来水．海量散乱点的曲面重建算法研究．软件学报，2001，12(2)：249～255
[19]邢渊，阎虎刚．反向工程中模型重构技术的特点及比较，航空精密制造技术，1999，35(1)：20～22
[20]崔汉锋，马维垠，林弈鸿，周济．多个曲面拓扑模型及光滑重建方法的研究．计算机辅助设计及图形学学报，2000，12(10)：740～745
[21]褚辉生．三维扫描机与Pro/ENGINEER之间的数据转换．常州工学院学报，2000，13(4)：45～48
[22]曾建江，丁秋林．NURBS曲面的自动重构．见：卢秉恒．RP技术与快速模具制造西安：陕西科学技术出版社，1998：233～237
[23]施法中．计算机辅助几何设计和非均匀有理B样条．北京：北京航空航天大学出版社，1994
[24]王广，张树生，谢红，张定华．基于ICT的CAD建模技术，见：卢秉恒．RP 技术与快速模具制造西安：陕西科学技术出版社，1998：284～290
[25]张建勋，罗书强等．基于反求工程的计算机变形动画技术．工程图学学报，2000，(3)：108～112
[26]陈志扬，李江雄．反求工程中的曲面重构技术．汽车工程，2000，22(6)：365～369
[27]肖尧先，柯映林，复杂曲面反求工程建模方法与实例．计算机辅助设计与制造，2000
[28]刘同海．从技术引进的角度谈谈反求工程．衡器，2000，29(6)：4～6
[29]崔汉锋，马维垠．反求工程中的多曲面光滑重建．机械与电子，1999，(6)：32～35
[30]黄雪梅，柳健，空间三角形网格局部优化研究．华中理工大学学报，1999
[31]吴秉礼，反求工程技术在HK型风机叶片上的应用．流体机械，1998，26(2)：16～19
[32]邓乾旺，刘小燕，于德介．快速反求工程及其在快速成型制造中的应用．机械设计与制造，2000，(4)：59～60
[33]Mcnq C,Chen F L.Curve and surface approximation from CMM measured data.Computer&Industrial Engineering,1996,30(2):211～225
[34]齐天鹏，金烨等，基地点云数据的曲面重构方法研究．工程图学学报，2001，(1)：96～100
[35]李书田，郭连水，汪叔淳，产品特征建模中过渡特征的研究．计算机辅助设计与图形学学报，2000，12(1)：17～22
[36]杨铁牛，赵汝嘉．精度设计—逆向工程中反求设计的关键一环．机械科学与技术，2000
[37]孙福辉，席平．重构曲面的品质分析及优化技术．工程图学学报，2000，(4)：14～18
[38]雷刚，邹昌平．快速逆向工程研究进展．机械工艺师，2000，(10)：54～56
[39]高国军，陈康宁．用接触式坐标测量进行自由曲面反求的方法研究．机械科学与技术，2000，19(1)：94～96
[40]张丽艳，廖文和，周儒荣．逆向工程的关键技术及其应用研究．数据采集与处理，1999，14(1)：33～36
[41]陈东帆，朱蓓颖等．在逆向工程中用神经网络技术实现自由曲面的重建．机械科学与技术(西安)，1998．17(1)：138～140
[42]李际军．反求工程CAD建模关键技术研究．[学位论文]．杭州：浙江大学博士学位论文．1999
[43]阳道善，陈吉红，朱志红．测量数据云三维密度及几何拓扑关系的自动搜索．机械与电子，2000，(3)：58～60
[44]高国军，陈康宁，张申生．用接触式坐标测量进行自由曲面反求的方法研究．机械科学与技术，2000，19(1)：94～96
[45]张英杰，白作霖，赵汝嘉，葛文杰．面向逆向工程的实体重构方法的研究——特征识别和三维重构．机床与液压，1999，4
[46]李建军，温建勇等．逆向工程及其相关技术．机械与电子，1999，(3)：16～18
[47]Kwan H. Lee, H.Woo.Use of Reverse Engineering Method For Rapid Product Development.Computers ind Enfng,1998,35(Nosl-2):21～24
[48]王志涛，周利民，李涤尘，丁玉成，卢秉恒．自由曲面激光扫描反求系统的开发．见：卢秉恒．RP技术于快速模具制造．西安：陕西科学技术出版社，1998：151～153
[49]乔志林，吴永辉，丁玉成，卢秉恒．层去图像法反求工程的实现与应用．见：卢秉恒．RP技术与快速模具制造．西安：陕西科学技术出版社，1998：428～430
[50]柯映林，李江雄，肖尧先．反求工程CAD建模技术研究．见：卢秉恒，唐一平．21世纪新产品快速开发技术．西安：陕西科学技术出版社，2000：30～36
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[52]肖尧先，柯映林．反求工程CAD软件RE-SOFT及其应用．中国机械工程，2000，11增刊：30～33
[53]来新民，黄田，曾子平，林忠钦．基于NURBS的散乱数据点自由曲面重构．计算机辅助设计及图形学学报，1999，11(5)：432～436
[54]孙玉文，王晓明，刘健．密集散乱数据的三角形网格曲面逼近方法．计算机辅助设计及图形学学报，2000，12(4)：281～285
[55]Bopaya Bidanda. Yasser A Hosni Reverse Engineering and Its Relevance to Industrial Engineering. A Critical Review. Computer &Industrial Engineering. 1994, 26(2)
[56]冯涛，吴晓林，王亚，陈先．反求工程与快速成型．见：卢秉恒．RP技术与快速模具制造．西安：陕西科学技术出版社，1998：94～97
[57]蒋玮，徐志祥，赵福令．快速成形制造系统中的数据格式．中国机械工程，2000，11增刊：44～46
[58]Paul F Jacob. Sterolithography and other RP&M technology -from rapid prototyping to rapid tooling. Dearborn, Society of Manufacturing, 1994.
[59]Feng Cheng-xue. From Rapid Prototyping to Rapid Tooling Proceeding of the First International Conference on Rapid Prototyping & Manufacturing' 98, Beijing, 1998:367～373.
[60]Detlef Kochan, Chua Chee-kai, Du Zhao-hui. Rapid prototyping issues in the 21st century. Computers In Industry 1999,39: 3～10.
[61]Vinod Kumar, Debasish Dutta, An Assessment of Data Formats of Layered Manufacturing.Advances in Engineering Software 1997,28:151～164.
[62]Ashley S., Rapid Prototyping Systems. Mech. Engng, 1991, (4):34～43.
[63]鞠华，李剑等．自由曲面的反求工程与快速原形技术．机电工程，2000，17(2)：7～9
[64]张三元，孙守迁，潘云鹤．基于产品反求工程的产品创新设计方法．计算机辅助设计与图形学学报，2000，12(11)：851～855
[65]徐人平，杨维平等．快速原型技术带来产品创新设计开发的革命．昆明理工大学学报，2001，26(4)：1～5
[2] 刘之生，黄纯芝．反求工程技术．北京：机械工业出版社，1992
[3] 董光荣，反求工程技术产业化可行性和可靠性的分析．机电一体化，2001，(1)：8～9
[4] 程能林．工业设计概论．北京：机械工业出版社，2001
[5] 张舜德，朱东波，卢秉恒．反求工程中三维几何形状测量及数据预处理．机电工程技术，2001(1)：7～10
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[9] 吴晓林，吴林波，冯涛．反求工程中测量数据的处理技术．见：卢秉恒．RP技术于快速模具制造．西安：陕西科学技术出版社，1998：94～97
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[57]蒋玮，徐志祥，赵福令．快速成形制造系统中的数据格式．中国机械工程，2000，11增刊：44～46
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[60]Detlef Kochan, Chua Chee-kai, Du Zhao-hui. Rapid prototyping issues in the 21st century. Computers In Industry 1999,39: 3～10.
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[65]徐人平，杨维平等．快速原型技术带来产品创新设计开发的革命．昆明理工大学学报，2001，26(4)：1～5