基于Geomagicstudio的塑料玩具逆向设计.doc

1、摘要 】 随着社会的不断发展，现如今正在处在第三次工业革命的阶段 ，逆向工程技术便是第三次工业革命的产物。 本文 针对灰太狼塑料 玩具进行逆向设计，论述了逆向 工程 技术 关键 技术、玩具设计原则、 Geomagic studio 逆向设计软件 等 。详细 阐述 了 灰太狼 塑料玩具 逆向 设计过程，并 运用 快速打印技术完成了 产品 的 成型 。实践证明，运用逆向工程和快速打印技术， 缩短 了产品设计时间 。 【 关键词 】： 逆向工程 ； 塑料 玩具 ；快速 打印 ； Geomagic studio 目录 引言 . 3 一、逆向工程的基本概念 . 4 （一）逆向工程技术的定义 . 4 （二

2、）逆向工程的应 用领域 . 5 （三）逆向工程的关键技术 . 6 （四）小结 . 8 二、玩具设计的定位 . 8 （一）玩具的发展历程以及发展趋势 . 8 （二）玩具类型以及消费定位可行性分析 . 9 （三）小结 . 10 三、逆向软件的介绍（ Geomagic、 UG） . 10 （一） Geomagic 工作界面 . 10 （二） Geomagic 模块简介 . 11 （三） Geomagic 基本操作 . 11 （四） Geomagic 的处理流程 . 12 （五）小结 . 13 四、玩具逆向设计造型具体制作 . 13 （一）点云数据的采集 . 13 （二）点云数据的编辑 . 15 （三

3、）玩具模型再现 . 16 （四）灰太狼曲面修改 . 17 （五）曲面成型 . 19 （六）成型后曲面分析 . 20 （七）小结 . 20 五、逆向成型 UG 效果渲染呈现 . 20 六、灰太狼的快速打印与内部雕刻成型 . 22 （一） 3D 打印技术 . 22 （二）灰太狼的快速成型 . 22 （三）激光内部雕刻 . 23 总结 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 谢辞 . 错误 !未定义书签。 3 引言 随着社会的不断发展，现如今的社会正在处在第三次工业革命的阶段，逆向工程技术便是第三次工业革命的产物，欧美国家从 1980 年开始的许多学校以及工 业界，已经开始着手

4、研究逆向工程，初各个学术界的人们在 1990 年投入了大量的人力着手研发逆向工程，并且公布的研发的成果。 近年来，逆向工程在国内仍在研发和发展之中，台湾工研院曾写过一套关于逆向工程软件，学术界里不少的研究团队也将逆向工程作为研究主题，研发出了具不同功能的 逆 向系统软件，逆向工程，有的人也叫反求工程，英文是 reverse engineering。 逆向工程，意思就是根据已有的设计师设计的油泥 模型，通过分析从而推导出另外一个物体方法。逆向工程的出现实现了将实物模型数据转化成概念模型，然后进行设计，在原有的实物基础上对实物进行分析修改以及优化，从而成产出更好的产品。逆向工程软件通常用来处理和优

5、化密集的点云从而生成规则的点云数据，然后把规则的点云应用于快速成型，或者是根据这些规则的点云构造出NURBS 曲面以输入到 CAD 软件中进行后续的结构以及功能设计等工作。 在当今社会中仿制是产品发展的原动力，因此逆向工程变成了当今社会必不可少的技术，逆向工程能够把三坐标测量机、 CNC 机床、 CAD/CAM/CAE 等软件又好又高效地结合在一起，成为了当今产品研发和生产的一个高效和便捷的途径。 逆向工程不仅仅应用于产品的仿制，它也被应用于数学模型的还原以及再设计的优化等多项重任，实现了对现实产品进行改造，实现了产品在生产中的一种超越。为当今设会的发展带来了巨大的贡献。 伴随逆向技术同时发展

6、的还有 3D 打印技术，又称快速成型技术，将逆向完成的模型利用 3D 打印机快速打印真实的 3D 模型， 3D 逆向的流程便是如此。 4 一、逆向工程的基本概念 （一）逆向工程技术的定义 逆向工程技术（ reverse engineering）又称反求工程，它是将产品模型或实物油泥模型 (如图 1-1 所示 )转换为三维的点云数据的 CAD 数据模型，这种数字化技术的集合模型重建技术便是逆向工程技术的总称。将现有的实际产品转化为设计模型和概念模型，并在此基础上对现有产品进行解剖和在创造的过程。快速建立新产品的三维模型，大大的缩短了新产品研发的周期，提高了企业对新产品设计开发以及生产的效率，这便

7、是逆向技术的特点。如图 1-2 所示。 图 1-1 油泥模型 图 1-2 逆向工程流程图 5 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

8、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

9、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。 6 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

10、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。 7 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

11、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8 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，

12、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

13、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

14、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： 9 （ 1） 二战后，塑料的问世，将木制玩具推向衰落，使得塑料材

15、质的玩具顶替了木制玩具。 （ 2） 70 年代，随着电子类玩具的出现，傻瓜式玩具逐渐退出世界舞台，而电子类玩具已成为了发展主流。 （ 3） 80 年代，由于托架玩具的产生，世界范围内兴起了玩具类型的新潮流，并且销量领先其他所有类型玩具。 （ 4） 现在，新的智能化玩具类型的开发，一下就从传统的玩具类 型中脱颖而出，并迅速占领市场。 进入 21 世纪以来，收到世界一体化的影响，在资讯网络迅猛发展的时代。人们的目光转向到将、儿童的潜能、智力、启迪上，将这些巧妙的融合一起，玩、教相结合达到相辅相成的效果，这便是玩具开发的一支独秀，因此受到广大的家长和儿童的青睐。 结合上述玩、教相结合，将在哪儿体现呢

16、？譬如：快乐魔方开发各个儿童的潜能，不仅设计新颖、品种丰富，还根据心理学教授哈佛大学加德纳提出的多元智能理念，从科学的角度去找孩子在语言、逻辑、音乐、空间、运动、自我认知、人际关系、自然观察等八大智能方面的长短和个性差 异，并未不同孩子在各个智能方面的不同特点，使得孩子的智力开发的正确的发展方向和科学的开发方案 ，帮助孩子在早期的潜能开发方面准确的定位、因材施教，让孩子的潜能得到最大程度的发展，这也是将玩具设计的要求提高到一个新的层次了，这也是接下来玩具设计的趋势。 一味的发展传统的玩具，那么在国内市场上就没有发展前景可言，或者说自己开发出新型的玩具，形成独特的风格，这也就是现代逆向工程技术的

17、展现的时刻，有了逆向技术，将原有的玩具恢复原先的三维数据模型，在原先的基础上进一步设计开发，一改国内市场玩具的功能单一，造型刻板，无差 异，无个性等缺点，创造新的国内玩具市场。 这便是通过逆向技术实现对玩具市场的个性化转变，假如玩具的企业品牌与同行业品牌形成区别，那么个性化也就完成了。产品的个性化营造可以借助物质性与非物质性来实现，例如玩具的个性化可以通过“品质、包装、功能”等外在因素来体现。有了这些的基础，那么逆向工程技术也就有了一展拳脚的地步，这即将成为新一代的玩具市场的发展的趋势。 （二）玩具类型以及消费定位可行性分析 据统计表明，目前国内玩具消费正以每年 30%-40%的速度快速增长，

18、到 10年国内玩具消费总额超过 1000 亿人民币。另外 中国社会事务所统计对国内玩具产业进行了调查，其结果显示：中国 14 岁以下人口为 3 亿多，其中城市人口为10 8000 万，构成了庞大的儿童玩具消费群体，其余的就不做统计了一成年人来代表。假如每年人均消费额为 35 元，城市成年人每年平均消费 12 元，那么这个数据就是很庞大的。而大中城市的玩具可接受的价格大概是在 100 一下，也有部分售价为 1000 元以上的高档玩具业同样有不错的市场。这样在国内毛绒玩具和儿童车最为畅销，模型玩具、遥控玩具和塑胶玩具的销量将持续看好。 （三）小结 玩具类型在随着社会不断进步而不断的发展，高科技智能

19、化 玩具不仅满足了儿童的好奇心，加强了孩子和孩子的互动，同时激发了孩子的求知欲望，还融合了计算机、通讯等电子先进技术，这打破了传统玩具的局限，赋予了玩具“生命”有了“听”、“说”的功能，能够与人进行正常互动。智能化玩具的形式那就是千变万化了，不但内容丰富、寓知于乐，还可以与孩子们进行 “情感 “交流，进而起到对孩子的习惯从小培养的效果，并在玩中学习、在学习中体会生活，真正达到寓教于乐的目的。 借助孩子的好奇心、以及求知的欲望，逆向工程技术将会发挥很大作用，利用自身独特的优点，将传统与现代相结合，这样既能够适应当代群 体的兴趣、也能适应当代社会的潮流。 三、逆向软件的介绍（ Geomagic、 UG） （一） Geomagic 工作界面 Geomagic studio12 的基本界面大体分为五大块，分别为：工具栏、管理器面板、三维视窗、状态及进度条、坐标系。如图 3-1 所示。 图 3-1 图形 界面