逆向设计方法在家具建模中的应用
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作者:王琛 陆雪亿 王希钰 吴越
摘 要：逆向设计作为一种先进的设计方法，已经广泛应用于工业产品的开发中。本文将逆向设计方法应用到家具产品的建模中，反向得到家具三维模型并进行二次创新，为家具产品的快速开发提供了一种新途径。
关键词：逆向设计;家具建模
当今是数字化设计时代，产品更新速度不断加快。小批量、个性化是产品设计的主流。逆向设计技术改变了传统从图纸到实物的设计模式，按照产品引进、消化与创新的思路，根据已有产品模型反向推出产品的设计数据、三维模型和创新设计的过程，为产品的快速开发提供了一种新途径，是一种产品再设计并超越现有产品的过程。
家具模型大都通过正向设计的方法创建。正向设计是由概念到三维模型再到实物模型的开发过程，通过各类三维建模软件便可实现。然而，复杂模型的正向建模是正向设计的难点，如流线型产品、异形曲面组成的构件等。因此，将正逆向建模结合，通过逆向设计进行辅助模型开发，便可解决家具建模过程中出现的难题。同时，逆向设计不是简单地把物体还原，其重要意义在于对重构模型进行研究分析，同时进行二次创新。因此，逆向设计作为一种先进的设计方法，可以广泛应用于家具产品的开发中。
1 逆向设计方法
1.1 基于实体特征的逆向设计
基于实体特征的逆向设计是最简单的逆向設计方法。需要将封装好的点云文件导入逆向设计软件中，新建参考平面，利用提取截面轮廓的功能，获得模型在该平面下的二维曲线轮廓，再使用软件中的正向建模工具，创建模型的实体特征，创建好的各实体特征使用布尔运算进行编辑，使模型变为一个整体。基于实体特征逆向设计得到的模型精度高、还原度高，可以直接用于生产制造。
1.2 基于曲面特征的逆向设计
基于曲面特征的逆向设计，通常用于复杂形体曲面模型的创建。利用软件中的曲面拟合工具或手动方式创建曲面。面片拟合是将曲面拟合到单元面或领域上，从而可以得到与原曲面高度吻合的曲面，也可以通过手动方式，使用放样、拉伸、回转等命令生成模型的拟合轮廓曲面。基于曲面特征的逆向设计，重构得到的曲面模型大部分曲面偏差符合精度要求，对于不符合精度要求的模型，可以导入其他建模软件，在其基础上进行改进设计。
1.3 混合特征的逆向设计
混合特征的逆向设计是应用多种建模方法来完成模型的重构，包含基于实体特征的逆向设计方法和基于曲面特征的逆向设计方法，多用于实体特征和曲面特征并存的模型。一般设计思路为：先设计主要特征，再设计次要特征;先设计复杂特征，再设计简单特征。混合特征的逆向设计模型往往存在一些误差，但相对于正向模型重建过程，混合特征的逆向设计过程在对原始测量数据的处理和NURBS曲面重构方面具有无可比拟的优势。
2 逆向设计实例
以明式圈椅模型的椅圈为例，传统正向建模方式通过实地测绘或二维图纸创建，但由于椅圈各截面形状和尺寸是变化的，正向建模的方法较为复杂。因此，通过逆向设计方法可以辅助椅圈建模，建模方法如下：
首先，通过三维扫描仪将实物模型的椅圈扫描成点云数据，将三维扫描仪扫描的点云数据asc文件导入Geomagic Wrap软件进行点云处理，去除体外孤点和杂点，表面光顺后封装，保存为stl文件。随后，将封装好的椅圈stl文件导入Geoagic Design X软件进行逆向设计，主要逆向设计圈椅各零部件的外观造型。创建坐标轴和基准平面，选择基准平面继续创建多个参照平面，对每个参照平面绘制面片草图，在面片草图与参考平面相交形成的轮廓线上进行圆拟合。拟合好一系列圆后，使用模型命令下的放样功能，对封闭轮廓新建放样实体，最终完成椅圈的逆向设计。最后，将逆向设计好的文件同步至UG软件里进行榫卯结构设计，主要应用UG软件的实体建模和装配设计模块。通过草图、拉伸实体和布尔操作等命令，完成榫卯结构的制作。
3 结语
正向设计方法在家具建模中已经有广泛的应用。逆向设计方法由于可以快速反求家具原型，具有高效性和实用性价值，适用于复杂家具模型的建模。因此，将逆向设计方法应用到家具产品的建模中，反向得到家具三维模型并进行二次创新，为家具产品的快速开发提供了一种新途径。
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作者简介：王琛，男，南京林业大学家居与工业设计学院实验师，主要研究方向：工业设计工程。
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