正向设计与逆向设计

2024-11-11 01:13:53

推荐回答（3个）

回答（1）：

　　传统以来，工业产品的开发均是循著序列严谨的研发流程，从功能与规格的预期指标确定开始，构思产品的零组件需求，再由各个元件的设计、制造以及检验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成。每个元件都保留有原始的设计图，此设计图目前已广用CAD图档来保存。每个元件的加工也有所谓的工令图表，对复杂形状元件则以CAM软体产生NC加工档案来保存。每个元件的尺寸合格与否则以品管检验报告来记录。这些所记录的档案均属公司的智慧财产，一般通称机密 (Know - how)。这种开发模式称为预定模式(Prescriptive model)，此类开发工程亦通称为顺向工程(ForWard Engineering)。对每一元件来说，其顺向工程的流程。
　　然而，随著工业技术的提升以及经济环境的成长，任何通用性产品在消费者高品质要求之下，功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件。在近代高功能CAE软体的带动下，『工业设计』(又称『产品设计』)的新兴领域已逐渐受到重视，任何产品不仅是功能上要求先进，其物件外观 (Object appearance)上也需要做造型设计，以吸引消费者的注意力。此造型设计多针对产品的外形美观化来处理，在顺向工程的流程中已不是传统训练下的机械工程师们所能胜任。一些具有美工背景的设计师们可利用CAE的技巧构想出创新的美观外型，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、黏土模、蜡模、工程塑胶模、玻璃纤维模等等，然而再以三维尺寸量测的方式建立出自由曲面模型的CAD图档。这个程序已有逆向工程的观念，但仍属顺向工程的一环，具物件导向(Object -oriented)的观念，公司仍保有设计图的智慧财产。此顺向工程中的造型设计流程如图2-2所示。
　　因此，顺向工程可归纳为：功能导向(Functionally-oriented)以及物件导向(Object-oriented)、预定模式 (Prescriptive model)、系统开发(System to-be)、以及所属权的系统 (Legacysystem)。

　　在还没有电脑绘图以前，工程图大多是由手绘制的，此时的工程图以2D草图为主要的施工图，组装部分则以爆炸图来描述3D的立体结构，在此时，2D与3D式分开独立绘制，因此还称不上所谓的正向工程。电脑科技在硬体与软体慢慢发展成熟后，利用电脑绘图来取代手工绘图，此过程中，由电脑所绘制的2D图档，经由适当的排列后，可以方便3D立体图的绘制，此种将概念与尺寸表达在2D平面图上（早期师傅大多只看得懂2D 的平面图），然后利用2D的图素与相关尺寸，绘制成3D立体图，此过程可以说是一种正向工程。

　　2D草图→3D立体图

　　l 2D平面图档:一般而言，在工业界最常用到的软体以AUTOCAD_XX为主要绘图软体如(FIG.1-1)。当然其他知名的软体有CADKEY,PRO_E,CATIA…等等。

　　l 转档：如果是由同一套软体在不同的模组间，分别绘制2D平面图(2D绘图模组)，绘制完成后，继续进行3D立体图的建构，由於是在同一个软体的作业平台上，因此没有转档上的问题。很不幸的，没有一套软体在所有的专业应用上，有绝对的强大功能；例如在平面工程图的绘制，利用AUTOCAD来进行，专业的绘图员就可以将其用的相当好，虽然AUTOCAD也可以绘制较规则如机械零件3D的立体图，一但遇到较复杂的曲面变化，这时候可能使用专业的3D绘图软体会有更高的效率，我们就会遇到图档之间的转换问题，就 2D的图档交换格式，较通用的是副档名为DXF,DWG...等等，而3度空间的图形交换图档格式为IGES。

　　DXF: 在不同软体之间，2D的图形交换档。

　　DWG: 副档名为此的图档为AutoCad专属的图档。

　　IGES: (Initial Graphics Exchange Specification) 在不同软体之

　　间，2D与3D的图形交换档。

　　l 商业用的CAD/CAM软体：以应用的功能而言，一般我们可以将其区分为参数式与非参数式的CAD/CAM软体；SRUFACE架构与SOLID架构的CAD/CAM软体。

　　参数式CAD/CAM软体：PRO_E、UG、CATIA…

　　非参数式CAD/CAM软体：EUCLID、STRIM100…

　　SRUFACE架构CAD/CAM软体：EUCLID、STRIM100…如图(FIG:1-2)

　　SOLID架构CAD/CAM软体：PRO_E、UG、CATIA…

　　创意设计(原厂之产品设计)

　　标准机械元件设计

　　造形设计(运动鞋之绘制方法)

　　何谓逆向工程？

　　l 缘由

　　逆向工程 (Reverse Engineering)通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。往往一件拟制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头，请制作单位复制(Copy)出来。传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具，如图2-3所示，再进行量产。这种方法属称类比式 (Analog type)复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改，已渐渐为新型式数位化的逆向工程系统所取代。
　　目前所称的逆向工程是针对一现有工件 (样品或模型)利用3D数位化量测仪器准确、快速的将轮廓座标量得，并加以建构曲面、编辑、修改后，传至一般的CAD/CAM系统，再由CAM所产生刀贝的NC加工路径送至CNC加工机制作所需模具，或者送到快速成型机(Rapid Prototyping)将样品模型制作出来，此一流程称为逆向工程，如图2-4所示。
　　因此，逆向工程可归纳为：功能导向 (Functionally-oriented)、描述模式(Descriptive mode)、系统仿造(System as-is)、以及非所属数系统 (Non-legacy system)。

回答（2）：

工业设计师在进行产品的造型设计时，所采用的方法一种是正向设计法，这是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程，如图1所示。这一设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发。

产品造型设计的正向设计流程示意：概念设计 → CAD/CAM系统 → 制造系统 → 新产品

l 产品逆向设计的产生与应用

在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计和制造中，通常是由复杂的自由曲面拼接而成，因此在概念设计阶段难以用严密、统一的数学语言来描述。这些产品的初始模型是通过对事先制造出的木制或泥制模型来实现数字化产生的。近年来在产品造型设计中逐渐走向成熟形成逆向设计法。

由于产品造型的逆向设计有起点高、成本低、周期短、易改型、易创新的特性，自出现以来便受到了现代工业设计师的关注。目前该技术在下面几方面得到了广泛应用：a．用于汽车、摩托车等具有较复杂曲面外型产品的修复与改型设计中；b．用于设计与制造个性化的产品，如人体拟合、太空服装设计、假肢设计等；c．根据客户样件进行模具设计时，该项技术可使自动化程度大大提高；d．在样件缺少图形文件时，可用逆向设计来生成图形文件：e.在快速原形制造中逆向设计可实现原形产品的快速准确建模并进行重新设计。

2 产品逆向设计的过程及其关键问题

产品的逆向设计是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型(曲面模型重构)，并进一步用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。

逆向设计的流程示意：

产品样件 → 数据采集 → 数据处理CAD/CAE/CAM系统 → 模型重构 → 制造系统 → 新产品

在逆向设计中数据采集、数据处理、模型重构是产品造型设计逆向设计的三大关键环节。

数据采集(样件的表面数字化)是进行产品逆向设计的第一步。一般而言。数据采集可由接触式与非接触式两种来实现。接触式方法由于对物体的表面的颜色和光照没有要求。因此物体边界的测量相对精确，但对软质材料适应差且速度慢；而非接触式方式(以激光为媒介的非接触三维表面数据采集法)在采集实物模型的表面资料时，采集速度快，可形成“点云”资料，缺点是精度较低而且对样件表面和光照有较高的要求。

数据处理的结果将影响模型重构的质量。在此阶段一般应进行数据预处理、数据分块、数据光顺、三角化、数据优化、多视拼合、噪声滤波、拓扑建立、特征提取等工作。

模型重构方案目前主要有三种：1)以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造法；2)以三角Bezier曲面片为基础的曲面构造法；3)以多面体面片为基础的曲面构造法。

3 几种用于逆向设计的应用软件

目前，在国际市场上已出现了一些用于产品逆向设计的应用软件，如美国Imageware公司的Surfacer7．1，英国Renishaw公司的TRACE，英国MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction等，英国DelCAM公司产品CopyCAD；此外，一些CAD／CAM系统。如美国PTC公司的Pro；Engineer 2000i、美国UGS公司的Unigraphics与美国IBM公司的CATIA等在其系统中也集成了可实现逆向三维造型设计的模块，但与专业的逆向工程软件比较在功能上有较大局限性。例如：Surfaccr7．1逆向设计软件可方便的实现下面几项功能：1)接受不同来源的扫描资料点的分析与处理。如CMM.Laser，sensors，Ultrasound等；2)快速、准确地将扫描点转换成NURBS曲面；3)对曲面模型的精度、品质进行评价；4)对曲线、曲面的形状实现交互修改。在产品的曲面模型重建时。Surfacer7．1不需经过建造曲线来构造曲面而是直接由扫描点来直接产生曲面；或采用建立周边曲线再用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面；也可首先在扫描点群中构造NURBS曲线，再由曲线来产生曲面。

祝你好运！

回答（3）：

业设计师在进行产品的造型设计时，所采用的方法一种是正向设计法，这是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程，如图1所示。这一设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发。

产品造型设计的正向设计流程示意：概念设计 → CAD/CAM系统 → 制造系统 → 新产品

l 产品逆向设计的产生与应用

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