毕业设计 - 基于Geomagic studio的塑料玩具逆向设计 - 图文

在传统的设计中，新产品的出现是从无到有的过程，设计开发人员都是先对产品的外观性能以及大致的技术参数进行构思，利用工业设计软件进行外观模拟，然后利用CAD三维建模软件建立数字模型，数据确定以后转入制造流程，这是一个产品完整的设计制造周期，次过程称之为“正向设计”。而逆向工程是“反向设计”，打破从无到有的传统设计流程，是一个从有到无的过程，根据设计出来的油泥模型反向设计推出产品的设计数据，包括产品的三维模型甚至是设计图纸，实现产品的批量化生产。

他们各自流程如图1-3和1-4所示：

1-3传统工业产品设计制造流程

1-4逆向工程设计制造流程

（二）逆向工程的应用领域

逆向技术在目前社会广泛运用各行各业，尤其是在CAD/CAM领域已经成为研究的热点。普遍应用于机械产品的测量与造型、计算机的视觉分析、医学上由切片数据进行影像重建等行业。而逆向工程技术的应用在制造业领域内也是相当的广泛，以下情形是将实物数据转换为CAD数据模型的范例：

1．在计算机技术运用于辅助设计的时代，随着日益强大的功能遍布各种商业软件，但就目前设计水平还是不能满足部分具有复杂的曲面的零件要求，很多设计方案采用粘土或者泡沫代替CAD进行设计，将实物转化为三维数据模型成为逆向技术的核心。

2．一般外观设计师为了达到产品的外观要求，获得外形的好评倾向将产品设计为比例模型，将逆向技术运用到外观设计，用数字模型表现出产品的比例模型，再在此基础上调整设计参数获得完美的外观。

3．就目前学科发展水平，完全采用CAE技术对零件机械性能功能的分析还未能实现，仍旧需要实际试验确定最后的零件模型。

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4．文物的修复，人体器官的制造。 （三）逆向工程的关键技术

1．逆向工程技术的数据测量技术

数据测量是采用通过特定的设备和测量方法获取产品的表面分散点的几何坐标数据，将产品转化为三维数字模型，从而实现产品的数字化。目前数据采集分为两大类：

（1）接触式数据采集 采用接触点获得空间的点数据，数据才的精度较高限制死角较少，但被测量的目标不能是强度较小的零件。一般测量器具为三坐标测量仪。如图1-5所示。

图 1-5 接触式采集仪

（2）非接触式数据采集 这种收集方法借助光学原理进行测距，获得点的空间数据。此种方法测量的速度较快，测量数据量较大，对曲面的数据采集较为方便。一般使用光学扫描仪进行数据的获取。如图1-6和图1-7所示。

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图1-6 光学扫描原理

图1-7 光学扫描仪

2．逆向工程的数据处理技术

在数据采集过程中，为了获得的数据量很大，一般采用非接触测量，而存在很多的杂质点，不利于曲面重构，但是此种方法在工业中的运用愈来愈广。所以，对获得的点云数据需要进行删减，此种方法称之为降噪，使用降噪以后的数据进行曲面重构便相当顺利了。

3．逆向工程之曲面、实体等模型的重建技术

产品的CAD数据模型在逆向设计的过程中，曲面重建是最复杂，最耗时的环节。只有获得正确的CAD数据模型，那逆向设计的后续的环节例如：快速成型、虚拟运动仿真等才能顺利的进行。目前，通过实验人员的不断实验，发现曲面重

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构存在特殊性与复杂性。这就需要人工进行曲面的重构，借助人工的设计经验，设计技巧以及思维方式等得到质量较高的曲面。目前曲面构建的方法有：

（1）拟合曲线生成曲面造型：根据点云形状需要，在点云中选取带有标志性的点，创建模型的截面线，然后将创建的截面线通过调节曲线的插值，使得曲面逼近你和样条曲线，最终依靠构建出来的曲线模拟曲面的创建。这种方法适用于简单模型或者是规则模型的曲线面。

（2）直接点云拟合曲面造型：这种方法将获得的点云数据进行分区域，以便能够用软件直接对点云进行曲面的拟合，通过调节软件提高拟合度，获得多个单个片体，然后经过修面、补面、缝合等手段进行曲面构建，最终得到完整的CAD模型。此方法在实际使用中比较广泛。

（3）点数据网格化实体模型：将获得的点云连接成为三角片体，转化为多曲面模型。目前这种方法在实际应用中相对较少。 （四）小结

综上逆向工程概况所述：为了节约产品开发的周期和产品生产的成本，实现从设计开发出来的油泥模型到三维几何模型的直接转换。随着技术的进步和经济的发展，逆向工程这个概念营运而生。针对逆向工程技术而言，数据采集、处理、曲面重建等较难的技术，这些在实际生产运用中都有体现，其程度也是各有轻重，并且这三种是缺一不可，必须是循序渐进才能完成整个产品的开发，或者是项目研究的全过程。

由于曲面构建是一个非常综合、复杂的过程，涉及的知识点和因素很多，同时逆向建模更注重曲面的视觉效果，所以建模时不能孤立的但考虑某一个因素，要综合考虑他们之间的联系，结合产品体的美感，以及后续的设计与加工过程等。目前，曲面重构速度较快，但是在智能方面仍存在缺陷，整个设计流程需要人工操作，进行人机相互交替，因此设计人员的主观思想对整个逆向过程以及结果的影响很大。这并不是逆向的缺点，相反逆向技术正在进一步普及。 二、玩具设计的定位

（一）玩具的发展历程以及发展趋势

玩具用塑料原料主要有ABS、PP、PE、PVC、POM、EVA树脂、PA、不饱和聚酯、热塑性弹性体等，在我国的用量较大，而且增长潜力巨大。据统计，03年各类塑料玩具使用量达到近180万吨，玩具销售额突破140亿元，预计将以每年40％的速度不断增长。这项调查表明，随着玩具行业的不断快速发展，塑料也会随之进入新的黄金时代。纵观整个玩具行业的发展历程，现代的玩具行业经历了以下几个阶段：

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