基于逆向工程的玩具腳的數字化改型設計

李志強

(東莞市機電工程學校，廣東 東莞 523846)

0 引言

逆向工程在實現產品快速改型設計中有很好的應用。逆向建模后，設計師可基于產品原模型進行改型設計，從而實現產品的創新設計[1]，并通過3D打印技術有效地開展產品的手板打樣工作。

本文將基于逆向工程，以某公司生產的玩具腳為例，進行逆向改型設計和制作，主要內容有3D數據的采集、點云數據的處理、逆向建模、改型設計、3D打印和裝配調試。

1 產品及使用設備

圖1是某公司設計的一個電動玩具的原方案，圖2是原始方案玩具腳的雕刻模型(下文簡稱模型)，圖3是要進行改型設計新增的滑輪(數字模型)，并且該部件已經完成了初步設計。

圖1 玩具腳原方案

圖2 玩具腳實物模型

圖3 改型要求(數字模型)

本項目使用的掃描儀是三維天下的Geo3D單目3D掃描儀。根據掃描儀的性能特點，需要對模型噴顯影劑，并將轉盤在相機側的一角墊起，與水平呈20°傾斜，如圖4所示。這樣便于完整地掃描模型,不會產生特征被遮擋的情況，保證數據采集的完整性。

圖4 模型圖

該模型的主要結構由平面和曲面組成，根據掃描儀和點云處理軟件Geomagic wrap的特點，數據采集采用不貼標志點的方法來掃描。將模型放在轉盤上，如圖5所示。對玩具腳的上面和底面分別進行360°掃描，得到點云數據，如圖6所示。再應用“手動注冊”和“全局注冊”命令對齊點云數據。這種方法的優點是點云數據中不會出現貼標志點而造成的孔，曲面特征完整，有利于逆向建模。

圖5 模型掃描

圖6 點云數據

2 點云數據的處理

2.1 對齊操作

應用Geomagic wrap “手動注冊”命令，將掃描到點云數據里的兩組數據手動對齊，如圖7所示。再應用 “全局注冊”命令自動對齊，然后通過“體外孤點”(敏感度設置為85)和“非連接項”(參數設置：“低、5.0”)、“聯合點對象”等命令清理多余的點，效果如圖8所示。

圖7 手動注冊

在“封裝”處理后，應用“刪除釘狀物”“減少噪聲”“急速光滑”等命令刪除一些多余的面，還需要對片狀體進行局部細節處理，包括破面填孔、刪除重復面等，最后利用“網格醫生”進行全面檢查。如各項分析結果均為0，表示數據已經處理完畢，如圖9所示，反之，則需要再次進行數據處理，確保經過“封裝”處理后的數據能在Geomagic Design X中進行逆向建模。

圖9 封裝處理后的面片數據

3 基于Geomagic Design X的逆向建模

對模型進行形狀分析，將模型分成7個面領域組，分別進行 “面片擬合”，分別是左面、上斜面、圓錐面、后面、右面、底面以及前面，如圖10所示。面片擬合后，相鄰的面片先用“修剪曲面”命令進行修剪，再用“放樣”命令做過渡曲面，保證相鄰曲面的光滑度，如圖11所示。修剪完畢后，曲面封閉，將會生成實體造型，如圖12所示。最后根據實物的實際尺寸進行倒圓角處理，完成逆向建模。

圖10 7個面領域組

圖11 曲面模型

圖12 實體模型

4 “體偏差”精度分析報告

逆向建模完成后，在Geomagic Design X中應用“體偏差”命令進行精度分析[2]，要求精度偏差在 0.08～0.20 mm。圖13為體偏差精度分析，由圖13可知：模型大部分呈綠色(體偏差-0.1～0.1 mm)，左邊的凸起和右邊的凹槽有極少部分呈現黃色(0.2 mm)，中間斜面的方孔呈紅色(>1.0 mm)是由于沒有進行開槽處理，這將在玩具腳上殼設計的環節中進行處理。整體來說，本次逆向建模符合體偏差精度要求。

圖13 “體偏差”精度分析

5 玩具腳的改型設計

本次改型設計需要實現兩個要求：1)便于拆裝；2)滿足運動功能需求。因此在改型設計中將玩具腳設計分成上殼和底板結構，并在底板反面設計凹槽用于安裝滑輪，采用螺釘連接，這不僅能實現可拆卸性，還能實現運動功能。

5.1 玩具腳上殼的設計

1) 抽殼：根據3D打印機的參數特點，將玩具腳進行“抽殼”處理。經測試，當壁厚為1.5 mm時，既能節省材料又能滿足強度要求。

(2) 定位圓柱的設計：在上殼的內部設置兩根定位圓柱體，用于與底板裝配。圓柱體的外圓與底板大孔進行定位，外圓直徑為5 mm；內孔與底板將用沉頭螺釘(規格M2×12)進行連接，螺紋孔大小為M2，并在定位圓柱外圓做加強筋，增加它的強度。

3) 卡口的設計：①上殼外表面的矩形卡口應根據玩具的方形卡柱(圖14)的形狀和尺寸來設計，其外部形狀如圖15所示；②內部的卡口設計成帶有角度的斜卡口，如圖16所示，這樣安裝起來既可靠又便于拆卸。

圖14 方形卡柱

圖15 玩具腳上殼外部形狀圖

4) 加強筋的設計：為增加上殼的邊緣強度，在上殼的邊緣設計加強筋，呈均勻分布，如圖16所示，高度低于邊緣，距離與底板的唇緣厚度一致，能起到支撐和定位的作用。

圖16 玩具腳上殼內部結構

5.2 玩具腳底板的設計

應用3DonePlus軟件對玩具腳的底板進行正向改型設計，主要設計難點有唇緣、底板定位孔、底板凹槽等，具體如下。

1) 唇緣的設計：在底板上設計唇緣，如圖17所示，既能有效地密封防塵，也有利于底板與上殼配合安裝。

2) 底板定位孔的設計：在底板上設計與玩具腳上殼的定位孔中心距一致的臺階孔(圖17)，大孔與玩具腳上殼的定位圓柱外圓配合，小孔用于與玩具腳上殼的孔進行螺釘連接，并在外圓做加強筋，保證底板定位孔的強度。

圖17 底板的正面設計

3) 底板凹槽的設計：在底板反面設計一個凹槽，輪廓與滑輪的上板輪廓一致，設置左右兩個安裝孔，如圖18所示。凹槽深度與滑輪上板厚度一致，可保證滑輪與底板裝配的平整度，讓產品更美觀。

圖18 底板的反面設計

5.3 新增滑輪的設計

在新增滑輪上板的左右兩邊增加凸緣和光孔，如圖19所示。光孔直徑為3 mm，凸緣用于定位安裝，光孔用于連接底板，滑輪與底板采用螺釘連接，實現可拆卸性。

圖19 滑輪的改型設計

6 3D打印以及安裝調試

數字模型采用3D打印的方式來實現實體化，3D打印機的型號是弘瑞E3。由于電動玩具是左、右雙腳，因此要將數字模型進行鏡像復制后再打印。同時為確保打印件的質量，應合理設置參數，還要進行后期處理，如去除支撐材料、飛邊，打磨表面等，最后再進行安裝調試。圖20為3D打印件，圖21為玩具腳的安裝效果圖，圖22為電動玩具的實物裝配圖。

圖20 3D打印件和螺釘

圖21 玩具腳的安裝效果

圖22 電動玩具的實物

7 結論

通過3D掃描儀、Geomagic Wrap、Geomagic Design X、3DonePlus軟件和3D打印機實現了對玩具腳產品的改型設計和制作，證明了逆向工程數字化設計與3D打印相結合可實現產品的快速開發制造，縮短產品的生產周期，降低研發成本[3]。

特別注意，產品實體化的實現形式應該根據產品的需求量來確定。本項目通過3D打印來實現玩具腳的實體化，適用于手板打樣，不適合大批量生產。因此逆向建模與正向建模時，產品參數均應符合模具注塑生產要求。同時在逆向設計中可應用多種軟件，充分發揮各軟件的特長，有利于高效地完成逆向工程。