叢海宸，成思源，楊雪榮，劉吉安，張湘?zhèn)?/p>

（1.廣東工業(yè)大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)　藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣州 510006）

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基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模

叢海宸1，成思源1，楊雪榮1，劉吉安2，張湘?zhèn)?

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣州 510006）

摘 要：近年來(lái)，隨著逆向工程的發(fā)展，逆向參數(shù)化建模在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中起著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)對(duì)形態(tài)分析法進(jìn)行分析、改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)與逆向參數(shù)化建模相結(jié)合，提出基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模方法，并詳細(xì)介紹了這種逆向參數(shù)化建模方法的優(yōu)勢(shì)及其一般流程。以逆向參數(shù)化建模軟件Geomagic Design X為平臺(tái)，通過(guò)對(duì)電熱水器控制板進(jìn)行基于形態(tài)分析的逆向參數(shù)化建模及誤差分析，驗(yàn)證了該建模方法的優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品的逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一種有效的建模方法。

關(guān)鍵詞：逆向工程；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；形態(tài)分析法；參數(shù)化建模；Geomagic Design X

0　引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）作為掌握新技術(shù)的一種手段，可將產(chǎn)品研制周期縮短40%以上，受到工業(yè)界等多行業(yè)工作者的重視。逆向參數(shù)化建模主要包括特征提取、創(chuàng)建特征、特征編輯［1］三個(gè)步驟，在特征提取階段因其方便對(duì)原產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行修改并進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，所以已成為逆向工程中的重要發(fā)展方向［2］，以及實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段。

隨著生活水平的不斷提高，以消費(fèi)者心理實(shí)驗(yàn)和用戶(hù)反饋信息作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出結(jié)合消費(fèi)者與市場(chǎng)的創(chuàng)新產(chǎn)品，對(duì)企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)人員如何設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足產(chǎn)品屬性、系統(tǒng)性準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)目標(biāo)相結(jié)合的產(chǎn)品模型［3］提出了更高的要求。因此，能否將產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要與逆向再設(shè)計(jì)相結(jié)合，決定著新產(chǎn)品研發(fā)的效果及其可推廣程度。

1　形態(tài)分析法

形態(tài)分析法是二戰(zhàn)期間，美國(guó)加州理工學(xué)院的茲維基教授為研制德國(guó)高度保密的F-1型和F-2型巡航導(dǎo)彈，通過(guò)分析火箭的各主要組成要素，及各要素可能具有的形態(tài)，將其形態(tài)要素按排列組合原理，構(gòu)造出576種設(shè)計(jì)方案，并成功制造出巡航導(dǎo)彈［4］，經(jīng)后期的總結(jié)研究，進(jìn)而創(chuàng)造了該方法。

形態(tài)分析法的主要操作步驟是：1）要素分析，即將研究對(duì)象分解為若干相互獨(dú)立的基本要素；2）形態(tài)分析，即詳細(xì)分析各基本要素的“形”和“態(tài)”（形是指物質(zhì)形體，包括形狀、顏色、材質(zhì)等外在物質(zhì)性因素；態(tài)是指產(chǎn)品的神態(tài)，包括內(nèi)涵要素）［5］；3）構(gòu)造形態(tài)矩陣，即以某一獨(dú)立要素形態(tài)與其他各要素形態(tài)進(jìn)行矩陣分析，再進(jìn)行排列組合，總結(jié)出可能的總體組合方案；4）評(píng)價(jià)選擇，即以需求為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各形態(tài)組合方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中選取最佳方案。

形態(tài)分析法作為一種技術(shù)預(yù)測(cè)定性方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域［6］，因其能夠?qū)Ξa(chǎn)品各要素進(jìn)行分析，確定要素原件，再對(duì)要素原件進(jìn)行形態(tài)分解，獲取產(chǎn)品形狀單元，從而使設(shè)計(jì)師能夠明確新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，包含通用性知識(shí)、控制性知識(shí)和表達(dá)性知識(shí)［7］。其提取創(chuàng)新產(chǎn)品的通用性知識(shí)所蘊(yùn)含的平面形態(tài)元素能夠滿(mǎn)足進(jìn)行逆向參數(shù)化建模中的特征提取建模環(huán)節(jié)的需要；控制性知識(shí)所蘊(yùn)含的三維形態(tài)元素能夠滿(mǎn)足創(chuàng)建特征環(huán)節(jié)的需要以及表達(dá)性知識(shí)所蘊(yùn)含的三維空間元素能夠滿(mǎn)足特征編輯環(huán)節(jié)的需要，所以經(jīng)形態(tài)分析法分析后進(jìn)行逆向參數(shù)化建模能夠明確設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)要求，從而提高設(shè)計(jì)效率，使之與逆向參數(shù)化建模相結(jié)合成為可能。

因此，本文提出了一種基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模方法，在逆向設(shè)計(jì)前，通過(guò)形態(tài)分析法對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)分析，獲取各建模要素，從而明確設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)逆向參數(shù)化建模進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，提高產(chǎn)品再設(shè)計(jì)效率。

2　基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模

基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模是對(duì)傳統(tǒng)形態(tài)分析法進(jìn)行改進(jìn)，使其與逆向參數(shù)化建模更加緊密結(jié)合，從而縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，其流程如圖1所示。

圖1　基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模流程

該方法是以創(chuàng)建新產(chǎn)品模型為導(dǎo)向，以用戶(hù)反饋信息和廠家制造需求為出發(fā)點(diǎn)，首先進(jìn)行需求分析，提煉需改進(jìn)的功能及新功能；而后進(jìn)行要素分析，明確實(shí)現(xiàn)各功能的要素原件，并對(duì)各要素原件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)各要素原件進(jìn)行形態(tài)分析，獲取要素原件組合后的待設(shè)計(jì)產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)；再對(duì)形態(tài)分析中待設(shè)計(jì)產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)分解，通過(guò)解構(gòu)［8］提取基本結(jié)構(gòu)形狀等相關(guān)設(shè)計(jì)信息，建立結(jié)構(gòu)模型，從而獲取結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖，如圖2所示，并創(chuàng)建新產(chǎn)品模型。

圖2　結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖

解構(gòu)是實(shí)現(xiàn)該建模方法的重要步驟，本研究所述解構(gòu)是以逆向參數(shù)化建模需要為出發(fā)點(diǎn)，以解構(gòu)出最小的參數(shù)化建模單元為目標(biāo)，對(duì)形態(tài)分析中的各要素位置關(guān)系、尺寸大小進(jìn)行提取。

形態(tài)分析所獲各結(jié)構(gòu)元素與逆向建模要素存在如圖2所示映射關(guān)系，可以使設(shè)計(jì)師在掌握最終產(chǎn)品三維空間元素（即逆向建模中產(chǎn)品最終特征）的基礎(chǔ)上，明確特征編輯前所需三維形態(tài)元素（即創(chuàng)建待編輯實(shí)體特征），進(jìn)而有針對(duì)性的對(duì)原產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型進(jìn)行特征提取，以獲取創(chuàng)建特征所需的平面形態(tài)元素，從而明確各設(shè)計(jì)步驟，能夠使設(shè)計(jì)師快速、準(zhǔn)確的創(chuàng)建新產(chǎn)品參數(shù)化模型。

通過(guò)需求分析，可明確設(shè)計(jì)目的，使新產(chǎn)品最大限度的滿(mǎn)足使用和市場(chǎng)需要，進(jìn)而減少出現(xiàn)反復(fù)設(shè)計(jì)的情況。而后經(jīng)要素分析，確定要素原件，明確設(shè)計(jì)對(duì)象。再對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行形態(tài)分析獲取要素原件組合后的待設(shè)計(jì)產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)，規(guī)劃逆向設(shè)計(jì)要求思路，并通過(guò)形態(tài)分解、解構(gòu)將設(shè)計(jì)對(duì)象分解為結(jié)構(gòu)單元，確定各要素位置關(guān)系、尺寸大小，進(jìn)而可以快速獲取模型的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行逆向參數(shù)化建模，從而實(shí)現(xiàn)快速、有效地創(chuàng)建新產(chǎn)品模型。

3　應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例采用電熱水器控制板為創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)象，如圖3所示。以關(guān)節(jié)臂作為數(shù)據(jù)采集工具，以Geomagic Design X軟件為逆向參數(shù)化建模平臺(tái)進(jìn)行逆向創(chuàng)新建模。

圖3　原電熱水器控制板

3.1需求分析

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的使用，用戶(hù)反映該控制板存在出如下問(wèn)題：1）顯示屏固定于水箱上，維修、更換不便；2）當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定要求時(shí)會(huì)自動(dòng)斷電，因此不需要設(shè)置定時(shí)器；3）冷水和熱水出水口位置不便于洗澡；4）避免被控制板劃傷。上述問(wèn)題即為用戶(hù)反饋信息。對(duì)于電熱水器廠家制造需求方面，為降低成本，應(yīng)不改變控制板整體安裝結(jié)構(gòu)，確保實(shí)現(xiàn)控制板與電熱水器外殼裝配，因此逆向創(chuàng)新建模時(shí)要保證控制板外輪廓結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小不變，以及控制板厚度不變。

綜上所述，可以確定逆向參數(shù)化建模設(shè)計(jì)目的為在不改變控制板外輪廓形態(tài)條件下，使顯示屏固定于控制面板，去除定時(shí)器固定孔，保留開(kāi)關(guān)固定孔、流量計(jì)固定槽，增加冷水和熱水出水口，并將各邊倒鈍。

3.2要素分析

為解決用戶(hù)和企業(yè)需求，需要如下要素：1）原控制板；2）顯示屏；3）冷水和熱水出水接口。因開(kāi)關(guān)和流量計(jì)保留原設(shè)計(jì)，所以新控制板形狀由原控制板通過(guò)關(guān)節(jié)臂掃描，獲取其表面數(shù)據(jù)即可。定時(shí)器固定孔因去除該功能，所以在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后去除這一特征。在新控制板上加裝冷、熱水管出口固定孔。顯示屏固定于控制板，需加裝顯示屏固定槽，同時(shí)固定槽應(yīng)符合電熱水器內(nèi)水箱表面曲率變化，使新控制板固定后固定槽不與水箱產(chǎn)生干涉。因此，可以確定設(shè)計(jì)對(duì)象為原控制板、冷熱水出水管固定接口及顯示屏固定槽。

使用關(guān)節(jié)臂對(duì)原控制板進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中，經(jīng)采樣、刪除體外孤點(diǎn)等點(diǎn)階段操作，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝為多邊形模型，并對(duì)多邊形進(jìn)行網(wǎng)格醫(yī)生、編輯邊界等多邊形階段操作，所得模型如圖4所示。

圖4　多邊形模型

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量原控制板總厚度為3mm，上層厚度為1.2mm，下層厚度為1.8mm；冷水和熱水出水接口為R8mm；顯示屏4固定孔外徑為R2mm，內(nèi)徑為R1mm，相互距離為89mm×49mm，顯示屏屏幕尺寸為92mm×52mm×7mm。

3.3形態(tài)分析

對(duì)原控制板進(jìn)行形態(tài)分析，如圖5所示。通過(guò)形態(tài)分析結(jié)果，我們可以直觀地掌握設(shè)計(jì)對(duì)象的各形態(tài)單元。然后依次對(duì)顯示屏和出水接口進(jìn)行形態(tài)分析。

圖5　形態(tài)分析

對(duì)各要素形狀單元匯總，其中原控制板形狀為非規(guī)則自由曲面，顯示屏為長(zhǎng)方體，出水接口為圓柱形，形成新控制板總體結(jié)構(gòu)（即原非規(guī)則自由曲面上增加一個(gè)長(zhǎng)方體顯示屏固定槽和兩個(gè)水管出口圓柱固定孔），同時(shí)對(duì)新控制板結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)分解、解構(gòu)，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型及其與逆向建模流程映射關(guān)系圖，如圖6所示，并進(jìn)行逆向建模。

圖6　結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖

由結(jié)構(gòu)模型與逆向建模流程映射關(guān)系圖可知，設(shè)計(jì)要求是逆向設(shè)計(jì)出原控制板特征及流量計(jì)固定槽特征等相關(guān)特征，并對(duì)顯示屏安裝槽進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)各邊進(jìn)行倒鈍處理。

3.4逆向參數(shù)化建模

通過(guò)設(shè)計(jì)要求可知，首先對(duì)控制板、流量計(jì)固定槽相關(guān)特征進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，獲取電熱水器控制板大致輪廓形狀，然后再對(duì)顯示器安裝槽進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各邊倒鈍后，完成電熱水器控制板創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.4.1控制板逆向設(shè)計(jì)

將多邊形模型進(jìn)行領(lǐng)域劃分，并對(duì)領(lǐng)域進(jìn)行編輯，如圖7所示。劃分領(lǐng)域時(shí)應(yīng)使各獨(dú)立特征由同一個(gè)領(lǐng)域表達(dá)，可方便對(duì)非規(guī)則自由曲面進(jìn)行擬合，創(chuàng)建曲面特征。

圖7　領(lǐng)域劃分

因控制板上、下兩層輪廓尺寸不同，所以先獲取上層輪廓特征，然后獲取下層輪廓特征，最后將兩特征進(jìn)行布爾求和，獲取控制板。

通過(guò)邊界投影，提取控制板邊界輪廓（P1）特征草圖，并對(duì)草圖中各邊線(xiàn)尺寸進(jìn)行修改，同時(shí)對(duì)位置進(jìn)行約束［9］，因上層各輪廓尺寸較整體輪廓尺寸小4mm，再將草圖向內(nèi)偏置2mm，然后進(jìn)行拉伸，獲得實(shí)體模型，創(chuàng)建控制板拉伸實(shí)體特征（X1）。由于上層輪廓特征表達(dá)不完全，因此繼續(xù)創(chuàng)建其非規(guī)則自由曲面特征（X2）。首先對(duì)上層輪廓特征領(lǐng)域1進(jìn)行面片擬合［10］，并將擬合后曲面其向下偏置1.2mm，然后使用兩個(gè)已擬合的自由曲面分別對(duì)拉伸實(shí)體進(jìn)行剪切，獲取控制板上層特征，如圖8所示。

圖8　控制板上層特征

以原多邊形模型數(shù)據(jù)為參考，進(jìn)行偏差分析［11］，可知所創(chuàng)建實(shí)體模型偏差可控制在±0.05內(nèi)，如圖9所示。

圖9　控制板上層特征偏差分析

依據(jù)控制板上層特征操作流程，獲取控制板下層特征，然后將兩特征進(jìn)行合并布爾運(yùn)算，獲取控制板，如圖10所示。

圖10　控制板

再根據(jù)邊界投影，提取顯示屏、流量計(jì)和開(kāi)關(guān)及冷熱水管接口特征草圖（P3），并進(jìn)行拉伸剪切，獲取開(kāi)關(guān)及冷熱水管固定接口（X3），完成控制板各特征（K1），如圖11所示。

圖11　控制板特征

3.4.2流量計(jì)固定槽逆向設(shè)計(jì)

通過(guò)領(lǐng)域2對(duì)固定槽進(jìn)行面片擬合，擬合時(shí)進(jìn)行平面和圓柱面定義，保證固定槽特征，然后各曲面進(jìn)行相互裁剪并縫合，獲取流量計(jì)固定槽曲面，如圖12所示。

圖12　流量計(jì)固定槽曲面

將流量計(jì)固定槽曲面向外偏置3mm，兩曲面與控制板上層特征曲面進(jìn)行裁剪并縫合，生成特征實(shí)體（X4），然后通過(guò)邊界投影，提取兩固定孔草圖（P5），而后拉伸剪切，形成流量計(jì)固定孔（X5），完成流量計(jì)固定槽（K2）逆向設(shè)計(jì)，并進(jìn)行偏差分析，可知所創(chuàng)建實(shí)體模型偏差可控制在±0.05內(nèi)，如圖13所示。

圖13　流量計(jì)固定槽逆向設(shè)計(jì)

3.4.3顯示器固定槽設(shè)計(jì)

依據(jù)要素分析中所測(cè)得顯示器各相關(guān)參數(shù)值，構(gòu)建固定槽結(jié)構(gòu)、尺寸（P6），然后經(jīng)拉伸到曲面操作，創(chuàng)建顯示屏固定槽特征（X6），再通過(guò)控制板下層特征曲面偏置8mm的曲面（X2）裁剪拉伸實(shí)體，確定固定槽高度為8mm，同時(shí)根據(jù)顯示屏固定孔位置（P7），確定控制板上固定孔位置，經(jīng)拉伸后形成圓柱固定孔（X7），完成顯示屏固定槽特征創(chuàng)建（K3），且該固定槽符合水箱特征曲率，不會(huì)與水箱發(fā)生干涉，如圖14所示。

圖14　顯示屏安裝槽設(shè)計(jì)

各形態(tài)特征設(shè)計(jì)完成后，將各特征進(jìn)行布爾運(yùn)算，合并為同一整體，并進(jìn)行倒角（K4）等特征編輯，完成原電熱水器控制板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，新電熱水器控制板參數(shù)化模型如圖15所示。

圖15　新電熱水器控制板參數(shù)化模型

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于形態(tài)分析法的逆向參數(shù)化建模方法，并分析了這種參數(shù)化建模方法的優(yōu)勢(shì)及其一般流程。以Geomagic Design X軟件為平臺(tái)，通過(guò)逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)電熱水器控制板的參數(shù)化模型為例，證明了該建模方法可以使設(shè)計(jì)人員明確設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)要求，通過(guò)對(duì)形態(tài)分析獲取各單元要素，并對(duì)形狀單元要素進(jìn)行解構(gòu)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，由解構(gòu)后映射關(guān)系圖可使設(shè)計(jì)師直觀了解模型原始設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)而明確建模信息，掌握新產(chǎn)品相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，從而達(dá)到便于進(jìn)行逆向參數(shù)化建模的目的。并以原始采集數(shù)據(jù)的多邊形模型為依據(jù)，對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行了誤差分析，表明該參數(shù)化建模方法可在保證模型精度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品的逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一種有效地建模方法。

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Reverse parametric modeling based on the application of morphological analysis

CONG Hai-chen1， CHENG Si-yuan1， YANG Xue-rong1， LIU Ji-an2， ZHANG Xiang-wei1

中圖分類(lèi)號(hào)：TB21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0115-05

收稿日期：2016-01-07

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011A060901001，2013B061000006，2014A040401078）

作者簡(jiǎn)介：叢海宸（1991 -），男，山東人，碩士研究生，研究方向?yàn)槟嫦蚬こ萄芯康取?/p>