基于逆向工程的电动玩具直升飞机的设计.docx

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基于逆向工程的电动玩具直升飞机的设计

摘要

中国是一个玩具制造的大国，产量位于世界前列。

但不是一个玩具强国，玩具品质不高。

玩具设计缺乏创新，质量标准不高，生产未严格按工艺流程，生产中应用现代先进技术不充分，这些因素制约着中国玩具业的整体发展。

逆向工程作为一种高效的产品设计方法，可以显著缩短产品开发周期，改进产品质量，在国外已广泛应用工程设计领域，国内在汽车等行业有较普遍应用，在玩具行业应用不甚普遍。

将逆向工程应用于玩具开发设计，可以提升玩具品质，缩短研发周期。

本文，应用逆向工程对一款电动玩具飞机进行了再设计，通过逆向,玩具飞机外形的云点，对塑料件外形、内部结构进行CATIA数模重建，局部优化改设计。

玩具飞机在外形上更美观，工艺更合理，并对机械传动部分进行设计。

关键词：

逆向工程电动玩具CATIA

Abstract

ToyindustryofChinaisoneofthenationsofthelargestproductsoftoy.Theindustryisnotthefirst-rateintheworld.ThedevelopmentoftoyindustryofChinaislimitedbymanyfactors,suchasdesignwithoutinnovation,lowerqualitystandard,manufacturingnostricttechnologyandwithprimitivemethods.

Thereverseengineering（RE）isoneofthemosteffectivedesignmethods,whichhasshortedthecycleoftheproductdesignwithpromotingthequalityofproducts.Themethodhaswidelyusedmanyindustriesonaboard.SheetmetaldesignofautomobilehasappliedthemethodinChina.ButthetoyindustryofChinahashardlyusedtheadvancedmethod.

ToydesignwithREcancostlesstimeandpromotethequalityoftoys.Thispaperre-designedatoyairplaneusedamotorwithREMunderCATIAsoftware,whichisoneofthemostadvancedsoftofCAD/CAE/CAM.Thedesignhasthesesteps-reversingthemodel,constructingpointscloud,modelingtheCADmodel,modifyingsomeouterformingandinnerconstruct.

Theairplanehasmorebeautifulonappearanceandmorereasonableconstruct.

Thispaperalsodesignedthemechanicalsystemoftheairplane.

Keywords:

thereverseengineering,atoywithamotor,CATIA

第一章绪论

1.1引言

公元前100年，欧洲的一位科学家希罗，曾利用水力驱动原理制造出会唱歌的鸟和活动铁匠铺等玩具。

18世纪，欧洲出现发条玩具。

19世纪，英国、德国能制造十分精巧的机动玩具，如可装置梳妆用品的八音盒、与钟表连在一体的游乐宫等。

19世纪末，德国能制造电动玩具，品种有电扇、火车头等。

20世纪20年代，德国生产出能发出汽笛声的电动火车头。

不久意大利制成会冒烟的火车头。

20世纪50年代以来，随着材料学、电工学、电子技术和加工工艺等的进步，机动玩具制作更为精巧，有的机动玩具还配上电子元件，这是电子玩具的雏形。

20世纪60年代，中国开始生产电动玩具，当时主要生产金属外壳的电动玩具。

品种有“母鸡生蛋”，以电池为能源，母鸡能边走边发出叫声，同时连续生蛋。

“照相汽车”能行驶、鸣喇叭，停车时，车上的记者会转身拍照，相机上的闪光灯同时发光。

20世纪70年代，电动玩具外壳趋向采用塑料，出现许多金属和塑料相结合的电动玩具。

20世纪80年代，是中国玩具快速发展的起步阶段。

玩具企业数量迅速增加，玩具品种趋向丰富，玩具数量急剧扩大。

玩具材料应用上也有迅速发展，电动玩具多为全塑型，表面采用曲面印刷、热转印、贴纸等工艺进行装饰，机芯趋于标准化、系列化、小型化，使玩具重量减轻，噪声减小，使用安全。

现在，电动玩具能完成各种精妙动作，还能发光、冒烟、喷火，有的装上电子元件，可以遥控，更加方便儿童操作。

1.2中国玩具业发展的现状

21世纪，随着中国加入世界贸易组织，中国玩具业的加快了发展步伐，至2006年，中国已有玩具生产企业15,000多家，2006年年产值超过1500亿元［1］，是出口创汇的重要行业，是国内轻工业的支柱产业之一。

中国已成为世界玩具的生产大国。

中国玩具以传统的毛绒玩具、木制玩具为主。

但现在全球玩具市场，传统的毛绒玩具、木制玩具逐萎缩，电子玩具、益智玩具、游戏机等已占半壁江山，且呈不断上升的趋势［1］。

中国玩具业面临的困难，远比表面繁荣多得多。

中国是玩具生产大国，但远远不是一个玩具强国。

品牌自有率低，对外依附严重。

获得出口许可证的3，000多家玩具企业，其出口70%以上玩具都属于来料加工或来样加工，是在为国外品牌打工，自主开发和创新的能力不强，能够以自创品牌出口的更少数，对外依附严重［2］。

由于科研不足，创新能力弱，自有品牌少，中国已沦为世界玩具业的“生产基地”，产品附加值少，总体效益低。

内地企业每为外国商人制造一件玩具，在美国卖20美元，但生产企业只可从中得到1美元左右的收益。

规范化程度不高，质量问题突出。

2004年10月1日，新颁布的《国家玩具技术安全规范》标准已正式实施。

但据国家质检总局去年公布的玩具抽检结果，中国国内市场的玩具质量合格率仅为76.3%。

目前的大多数中国玩具企业，其生产离新标准要求仍有不小的距离，各种质量问题突出。

科研机构少，专业人员缺乏。

目前中国玩具产业仍停留在最初的简单生产、单一营销阶段，放眼全国，仍很少有权威的专业科研机构和专业培训、教育机构，与高校的联动更是缺乏，现有的玩具从业人员基本是“半路出家”，专业人才缺乏，令产业发展后劲不足。

因此，应培养中国玩具产业的设计人才，主动占领世界玩具产业的制高点，提升中国玩具产业的核心竞争力，打造中国玩具的自有品牌是中国玩具业的当务之急。

1．3逆向工程及其应用

逆向工程是指用一定的测量手段，对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程［3］。

逆向工程技术综合了三维测量、计算机辅助设计、快速成型等高新技术，关键技术在于形状表面数字化、三维模型重建、数字化制造、逆向工程集成。

逆向工程是从产品原型出发，进而获得产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/CAE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。

逆向工程主要应用情况如下［4］，

a.在没有设计图纸或者设计图纸不完整及没有CAD模型时，通常采用逆向工程的方法复制相同的零件。

b.对于有些商品，要生产同类产品，由于其外观设计专利或使用习惯上需要修改时，通过逆向工程形成完整的图纸或模型，进行进一步的改进。

C.模具行业。

模具制造行业中有时需要不断试模和修改模具。

若将最终符合要求的模具测量并反求其CAD模型，这样建立或修改的设计模型，可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。

d.在新产品开发、创新设计上有相当高的应用价值。

例如，日本战后的巨大成功就有这方面的因素。

e.艺术品、考古文物的复制。

人体事的器官、骨头和关节等的复制、傅>假肢制造。

f.快速原型制造中，通常逆向工程可以方便地对快速原型制造的原形产品进行快速、准确的测量，然后找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代使产品完善。

1.4CATIA简介

法国DassaultAviation是世界著名的航空航天企业，其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。

CATIA是法国DassaultSystem公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业，其集成解决方案覆盖几乎所有的产品设计与制造领域。

CATIA提供方便的解决方案，迎合几乎所有工业领域的大、中、小型企业需要。

包括，从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。

在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。

CATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。

CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。

其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。

波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位。

1.5课题背景及内容

世界玩具业的发展趋势及中国玩具业发展的现状，要求中国玩具业加快发展步伐，虽然没有捷径可走，但可以参考别人的发展历程，从高起点起步。

高端设计、分析、制造软件的广泛应用，为玩具设计摆脱传统的设计、制造模式提供了强有力的工具。

因此，应用高端的CAD/CAE/CAM软件，进行玩具的设计、模拟分析与制造，是中国玩具业赶超世界玩具业的一条比较可行、快捷的发展道路，是从玩具制造大国，走向玩具强国的必经之路。

本课题以逆向工程为基础，获得模型的原始数据，应用CATIA软件平台，重构了一款电动直升飞机，并对直升飞机的部分外形进行改进、内部结构优化，使外形更加美观，内部结构更趋合理。

对电动玩具直升飞机的机械部分进行重新设计。

电动玩具飞机，根据复杂程度从低到高，主要有以下几种。

a.简单型直升飞机，只是模型上像一架直升飞机，仅能实现在地面的直线移动，此型飞机结构简单，技术含量低。

实质上只是一辆玩具汽车的变形。

b.一般型直升飞机，除了不能在空中飞行外，其他的运动基本具备，如在地面除了直线移动外，还能自动转弯、原地回转、机翼的旋转等运动。

此款直升飞机基本具有飞机的功能，属于中等复杂程度的飞机。

c.遥控型空中飞行直升飞机，此飞机根据复杂程度不同，可在空中简单路线的飞行或复杂路线的飞行，能实现起降。

此直升飞机属于比较高档的玩具，集成了电子学、机械学、流体学等学科。

本课题选用的电动玩具直升飞机是属于一般型，主要实现在地面的移动，可实现遇障碍物自动转弯、一定时间间隔原地回转、机翼的旋转。

第二章玩具飞机外壳及结构设计

玩具外壳、机械传动系统是构成玩具飞机的二个主要部分。

玩具外壳不论在功能使用、产品造型、售后服务等方面均具有极其重要的地位。

消费者购买一架玩具飞机，首先考虑的是从其外形出发，若外形吸引顾客，才能留住消费者的目光，才会有购买的可能，功能的考虑往往是第二步。

本课题的外壳采用逆向工程的方法，得到设计的原始数据。

2.1外壳在玩具中的地位

从整体布置的角度，外壳尺寸主要由机械传动机构、底盘等尺寸决定，同时考虑玩具整体尺寸。

外壳与底