毕业设计——基于Geomagic studio的塑料玩具逆向设计

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

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）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）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。

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。

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

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。

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。

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

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：

（1）二战后，塑料的问世，将木制玩具推向衰落，使得塑料材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？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，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

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

（二）Geomagic模块简介

Geomagic Studio 能提供业界目前最全面的解决方案，可将三维数据与多边形网格进行转换为达到精确的曲面化三维CAD数字模型，方便逆向工程、产品结构设计、以及快速成型和分析等。Geomagic Studio作为将三维扫描数据转换为参数化CAD 模型和三维CAD 模型的最快速的的软件，Geomagic Studio 提供了四个处理模块，分别是：扫描数据处理（capture）、多边形编辑（wrp）、NURBS曲面建模（shape）、CAD曲面建模（fashion）扫描数据处理。

（三）Geomagic基本操作

1、视图控制

（1）设置旋转点/旋转中心：设置一个旋转的中心，当你随意设置一点后，接下来的模型旋转，将会围绕这点切换动态的旋转中心则是以鼠标点击位置作为旋转点；重置旋转中心：将旋转点恢复到物体的质心上。

（2）缩放模型：对视窗内的对象进行充满屏幕、框选放大缩小。

（3）预定义视图：每个视图相对于全局坐标轴的不同视角。

2、选择工具与删除

使用工作选择工具、自由折线工具、矩形工具、椭圆工具、线工具、画笔工具、套索工具，择有两个选项：是否贯穿和背景模式。我们以脚的三角网格面为例，选择贯穿则背面看不见的也会被选中，选择可见（不贯穿）则只会选中看得见的部分。封装后的点云有正反两面，关闭背景模式则只能在蓝色区域框选，不会选中黄色区域，开启则都能选中。

3、选项设置

管理器面板包含了模型管理器、显示、对话框。若面板不小心删掉后，点击视窗工具栏-面板能见度-选择学显示的窗口。

模型管理器：显示文件数目及类型。如图3-2所示。

图3-2 管理器面板

注意：当面板框删除掉后，将它显示出来是漂浮窗口，如图所示3-3所示。

图3-3 栏目移动位置

显示：控制对象的显示，便于观察。如图3-4所示

图3-4 显示对话框

对话框：选取命令后有一定的选项会在这里显示。

（四）Geomagic的处理流程

应用Geomagic Studio软件对扫描获得的点云进行处理编辑。Geomagic Studio处理点云数据的流程。如图3-5所示。

图3-5 Geomagic studio的工作流程

（五）小结

此章节说明了Geomagic studio软件的界面，操作，以及流程。将Geomagic studio的功能进行了说明。

四、玩具逆向设计造型具体制作

（一）点云数据的采集

在玩具上面贴满参考点，用天远三维光学扫描仪,如下图4-1所示，然后将贴满标识点的玩具放置在三维光学扫描仪投在桌子的十字光标处，如图4-2所示。然后对玩具进行扫描，第一次扫描结束后，将玩具旋转，使得扫描仪能够捕捉到第一次扫描的三个标识点，然后再次进行扫描，得到的点云扫描仪会将第一次的点于第二次的点自动进行拼接，重复操作，对玩具四周不同的角度进行扫描，直到获取到一个完整的玩具点云数据，如图4-3所示。最后把获取到的玩具数据

保存到玩具设计的文件夹内。

图4-1天远三维扫描仪

图4-2 贴有标识点的灰太狼

图4-3 通过天远三维扫描仪获得的玩具点云

（二）点云数据的编辑

1．打开Geomagic Studio 软件，用软件打开玩具花盘设计文件夹里面的点云数据，如图4-5所示。

图4-5 点云数据

2．点击着色点图标给点云数据着色，如图4-6所示。

图4-6 着色

3．体外孤点

点击体外孤点，在弹出的对话框中点击应用，选择设置敏感性为100%，这一系列的操作是为了获得更高效率的点云数据，如图4-7所示，红色部分为体外孤点，这些是干扰曲面质量的点，点击确定按钮，然后按Delete建删除选中的非连接点云数据，从而获得更优质的点云数据。

图4-7体外孤点

（三）玩具模型再现

删除杂质后，获得了优质的点云数据后，在弹出的封装对话框中，进行参数设置后封装，得到如图4.3-1所示，封装后将不再是点云数据了，而是生成了片体，但是在扫描过程中贴的标识点没有点云数据，便是图4-8所示的不规则孔，现在的灰太狼就不是点云数据了，已经转换为片体，这样便于接下来的步骤进行。

图4-8 模型再现

（四）灰太狼曲面修改

1．接下来就是将图4.3中的孔全部补上，可以使用全部填充，但是有些孔系统是不能捕捉到的，只能是手动去填充单个孔，将灰太狼的外观补成完整的曲面，以便后续步骤的进行。修补完成后得到曲面如下图4-9所示。

图4-9 模型处理

2．将部分曲面突变的比较大的可以将三角面删除，进行重新补孔，一些变化较小的没有必要用删除的劣质三角面，可以采用打磨三角面，获得较为光滑的三角面，如图4-10所示。

图4-10 三角面处理

3．前面步骤得出来的模型的线框和模糊，而需要很清晰的线框，用编辑轮廓线，将部分明显的线框抽取出来，不清晰部分用手动绘制线框，形成如图4-11所示。现在的模型不再是一开始那样存在圆角的模型，而是变为有边界线的模型。如图4-12所示。

图4-11 编辑轮廓铣图4-12 边界线模型

4．上一步只是将模型转变为有边界的模型，现在的模型仍旧是三角片体，想得到完整的曲面模型，需要进行精确曲面模型，将模型转化为精确的曲面如下图4-13所示。但是现在只是其中的一个步骤，精确曲面还需要构造完整的精确曲面，通过肉眼没有明显的变化如下图4-14所示。

图4-13 精确曲面图4-14 构建完整曲面5．完成精确曲面后，需要对模型进行构造栅格，如图4-16所示。

图4-16 构造栅格

（五）曲面成型

灰太狼模型的逆向到这儿就快完成了，最后一步是进行曲面的拟合，构造出一个与模型很贴近的曲面数据。拟合出来的曲面是NURBS曲面，如图4-17所示。

图4-17 曲面拟合

（六）成型后曲面分析

曲面构造完成了，需要检查该曲面与点云数据的拟合程度，分析偏差，结果如图4-18所示.

图4-18 曲面分析

（七）小结

该章节讲述了，灰太狼模型从扫描获得的点云数据通过Geomagic Studio 软件进行逆向处理，得到灰太狼曲面的完全数据。实现了模型的重现，并且对曲面进行了与原先点云数据的分析，由此可见逆向设计技术的强大之处。

五、逆向成型UG效果渲染呈现

将Geomagic文件导出IGS格式，然后导入到UG中，打开UG的真实艺