基于逆向工程的玩具脚的数字化改型设计

李志强

(东莞市机电工程学校，广东 东莞 523846)

0 引言

逆向工程在实现产品快速改型设计中有很好的应用。逆向建模后，设计师可基于产品原模型进行改型设计，从而实现产品的创新设计[1]，并通过3D打印技术有效地开展产品的手板打样工作。

本文将基于逆向工程，以某公司生产的玩具脚为例，进行逆向改型设计和制作，主要内容有3D数据的采集、点云数据的处理、逆向建模、改型设计、3D打印和装配调试。

1 产品及使用设备

图1是某公司设计的一个电动玩具的原方案，图2是原始方案玩具脚的雕刻模型(下文简称模型)，图3是要进行改型设计新增的滑轮(数字模型)，并且该部件已经完成了初步设计。

图1 玩具脚原方案

图2 玩具脚实物模型

图3 改型要求(数字模型)

本项目使用的扫描仪是三维天下的Geo3D单目3D扫描仪。根据扫描仪的性能特点，需要对模型喷显影剂，并将转盘在相机侧的一角垫起，与水平呈20°倾斜，如图4所示。这样便于完整地扫描模型,不会产生特征被遮挡的情况，保证数据采集的完整性。

图4 模型图

该模型的主要结构由平面和曲面组成，根据扫描仪和点云处理软件Geomagic wrap的特点，数据采集采用不贴标志点的方法来扫描。将模型放在转盘上，如图5所示。对玩具脚的上面和底面分别进行360°扫描，得到点云数据，如图6所示。再应用“手动注册”和“全局注册”命令对齐点云数据。这种方法的优点是点云数据中不会出现贴标志点而造成的孔，曲面特征完整，有利于逆向建模。

图5 模型扫描

图6 点云数据

2 点云数据的处理

2.1 对齐操作

应用Geomagic wrap “手动注册”命令，将扫描到点云数据里的两组数据手动对齐，如图7所示。再应用 “全局注册”命令自动对齐，然后通过“体外孤点”(敏感度设置为85)和“非连接项”(参数设置：“低、5.0”)、“联合点对象”等命令清理多余的点，效果如图8所示。

图7 手动注册

在“封装”处理后，应用“删除钉状物”“减少噪声”“急速光滑”等命令删除一些多余的面，还需要对片状体进行局部细节处理，包括破面填孔、删除重复面等，最后利用“网格医生”进行全面检查。如各项分析结果均为0，表示数据已经处理完毕，如图9所示，反之，则需要再次进行数据处理，确保经过“封装”处理后的数据能在Geomagic Design X中进行逆向建模。

图9 封装处理后的面片数据

3 基于Geomagic Design X的逆向建模

对模型进行形状分析，将模型分成7个面领域组，分别进行 “面片拟合”，分别是左面、上斜面、圆锥面、后面、右面、底面以及前面，如图10所示。面片拟合后，相邻的面片先用“修剪曲面”命令进行修剪，再用“放样”命令做过渡曲面，保证相邻曲面的光滑度，如图11所示。修剪完毕后，曲面封闭，将会生成实体造型，如图12所示。最后根据实物的实际尺寸进行倒圆角处理，完成逆向建模。

图10 7个面领域组

图11 曲面模型

图12 实体模型

4 “体偏差”精度分析报告

逆向建模完成后，在Geomagic Design X中应用“体偏差”命令进行精度分析[2]，要求精度偏差在 0.08～0.20 mm。图13为体偏差精度分析，由图13可知：模型大部分呈绿色(体偏差-0.1～0.1 mm)，左边的凸起和右边的凹槽有极少部分呈现黄色(0.2 mm)，中间斜面的方孔呈红色(>1.0 mm)是由于没有进行开槽处理，这将在玩具脚上壳设计的环节中进行处理。整体来说，本次逆向建模符合体偏差精度要求。

图13 “体偏差”精度分析

5 玩具脚的改型设计

本次改型设计需要实现两个要求：1)便于拆装；2)满足运动功能需求。因此在改型设计中将玩具脚设计分成上壳和底板结构，并在底板反面设计凹槽用于安装滑轮，采用螺钉连接，这不仅能实现可拆卸性，还能实现运动功能。

5.1 玩具脚上壳的设计

1) 抽壳：根据3D打印机的参数特点，将玩具脚进行“抽壳”处理。经测试，当壁厚为1.5 mm时，既能节省材料又能满足强度要求。

(2) 定位圆柱的设计：在上壳的内部设置两根定位圆柱体，用于与底板装配。圆柱体的外圆与底板大孔进行定位，外圆直径为5 mm；内孔与底板将用沉头螺钉(规格M2×12)进行连接，螺纹孔大小为M2，并在定位圆柱外圆做加强筋，增加它的强度。

3) 卡口的设计：①上壳外表面的矩形卡口应根据玩具的方形卡柱(图14)的形状和尺寸来设计，其外部形状如图15所示；②内部的卡口设计成带有角度的斜卡口，如图16所示，这样安装起来既可靠又便于拆卸。

图14 方形卡柱

图15 玩具脚上壳外部形状图

4) 加强筋的设计：为增加上壳的边缘强度，在上壳的边缘设计加强筋，呈均匀分布，如图16所示，高度低于边缘，距离与底板的唇缘厚度一致，能起到支撑和定位的作用。

图16 玩具脚上壳内部结构

5.2 玩具脚底板的设计

应用3DonePlus软件对玩具脚的底板进行正向改型设计，主要设计难点有唇缘、底板定位孔、底板凹槽等，具体如下。

1) 唇缘的设计：在底板上设计唇缘，如图17所示，既能有效地密封防尘，也有利于底板与上壳配合安装。

2) 底板定位孔的设计：在底板上设计与玩具脚上壳的定位孔中心距一致的台阶孔(图17)，大孔与玩具脚上壳的定位圆柱外圆配合，小孔用于与玩具脚上壳的孔进行螺钉连接，并在外圆做加强筋，保证底板定位孔的强度。

图17 底板的正面设计

3) 底板凹槽的设计：在底板反面设计一个凹槽，轮廓与滑轮的上板轮廓一致，设置左右两个安装孔，如图18所示。凹槽深度与滑轮上板厚度一致，可保证滑轮与底板装配的平整度，让产品更美观。

图18 底板的反面设计

5.3 新增滑轮的设计

在新增滑轮上板的左右两边增加凸缘和光孔，如图19所示。光孔直径为3 mm，凸缘用于定位安装，光孔用于连接底板，滑轮与底板采用螺钉连接，实现可拆卸性。

图19 滑轮的改型设计

6 3D打印以及安装调试

数字模型采用3D打印的方式来实现实体化，3D打印机的型号是弘瑞E3。由于电动玩具是左、右双脚，因此要将数字模型进行镜像复制后再打印。同时为确保打印件的质量，应合理设置参数，还要进行后期处理，如去除支撑材料、飞边，打磨表面等，最后再进行安装调试。图20为3D打印件，图21为玩具脚的安装效果图，图22为电动玩具的实物装配图。

图20 3D打印件和螺钉

图21 玩具脚的安装效果

图22 电动玩具的实物

7 结论

通过3D扫描仪、Geomagic Wrap、Geomagic Design X、3DonePlus软件和3D打印机实现了对玩具脚产品的改型设计和制作，证明了逆向工程数字化设计与3D打印相结合可实现产品的快速开发制造，缩短产品的生产周期，降低研发成本[3]。

特别注意，产品实体化的实现形式应该根据产品的需求量来确定。本项目通过3D打印来实现玩具脚的实体化，适用于手板打样，不适合大批量生产。因此逆向建模与正向建模时，产品参数均应符合模具注塑生产要求。同时在逆向设计中可应用多种软件，充分发挥各软件的特长，有利于高效地完成逆向工程。