基于逆向工程的电动玩具直升飞机的设计学士学位论文Word文件下载.docx

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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。

外壳与底盘等相联接。

2.2玩具壳体设计原则[5]

外壳设计是玩具设计的重要内容之一，玩具的造型通过外壳设计展现，直接影响消费者的对产品的第一印象。

外壳设计一方面要有强烈的艺术感染力，另一方面还要考虑良好的加工工艺性，要做到以下几个方面。

a.造型新颖美观，色彩鲜艳

外壳设计前，首先要明确产品的定位，对消费者年龄段、产品销往的国家和地区人们的喜好、风俗习惯、文化背景等，都要有详细的了解，使设计具有针对性，在造型设计、色彩搭配上符合消费者的心理和愿望。

在造型上，儿童都喜欢夸张、可爱的形象，尤其动画片、漫画故事中的人物、动物会给儿童留下很深的印象，设计玩具外壳时要充分利用儿童作品的影响力，在不侵权的基础上对这些形象加以改变，使容易接受。

作为一名优秀的玩具设计人员，必须掌握多方面的文化知识，综合考虑各种因素，才能设计出好产品。

b.外形线条流畅、简约，工艺性好

评价一个玩具的好坏，并不是看它的复杂程度，儿童喜欢简单、直观的东西。

因此，设计外壳时造型线条要简洁、流畅，复杂的外形只会增加加工的难度。

模具成本在玩具生产成本中占不小的比例，外壳设计的简单化，会降低模具制造成本，还会使零件的加工工艺性、装配效率得到提高。

c.材料选择要合理，保证使用者的安全

无论是塑料外壳，还是木制外壳，都要保证无毒，以免对儿童造成伤害。

尤其是低龄幼儿玩具，对于外壳的原料、涂料的使用都要符合国家安全标准。

本课题根据以上设计原则，结合市场调研决定玩具直升飞机外壳整体采用白色ABS+PC塑料。

表面采用彩色贴图的方式。

2.3逆向工程的基本流程

逆向工程与一般的正向设计流程不同，其主要流程如图2.1所示。

图2.1逆向工程主要流程

在市场调研的基础上，寻找几款销售情况较好，受消费者欢迎的样本小飞机，分析其特征，找出设计比较好的方面。

利用激光三坐标测量机（CMM），对玩具直升飞机外壳进行扫描。

扫描前将外壳涂刷一层显影液，在外壳前方放置一基准球，从上、下、左、右不同角度对外壳进行扫描，得到点云。

由于本课题飞机是左右对称，故扫描一半外壳，另一半点云通过镜像获得。

由于从不同的角度拍点云，会出现重点现象，需对点云进行过滤，去除无用的杂点；

同时，删除点云中无用的点，后期逆向特征比较精确，减少工作量的目的。

生成的点云文件，一般转成IGES格式，为后续CAD软件读入做准备。

图2.2是本课题经三坐标测量机点云拍摄，且去除杂点后的外壳点云。

图2.2玩具直升飞机点云

经去杂点后的点云，需进行点云的三角化，为重构曲面做准备。

图2.3是在CATIA中三角化后的点云。

图2.3玩具飞机三角化后的点云

三角化后的点云，进行曲面重构。

飞机外表面的曲面重建过程中做所的主要工作如下。

a.观察点云，寻找几何特征，采用正向的思维逆向几何特征。

b.应用CATIA软件中的截面功能，对点云进行砍断面，获得特征点和特征线，然后运用这些点、线来构建特征曲面。

为使曲面达到光顺，构建曲面前对曲线进行光顺，使其达到G2连续（即曲率连续），若曲线不能达到G2连续，对曲线进行重新构建。

c.将构建完成的特征间相互裁剪，进行倒角，不至于出现重面、缺面。

d.检查曲面和点云的贴合率，根据贴合率进行调整，本设计中将曲面和点云的贴合距离控制在0.5mm范围之内。

e.得到重新构建的直升飞机外表面曲面如图2.4。

图2.4重建后的直升飞机外表面

f.使用隐藏命令将点云隐藏，得到样板飞机的曲面数模如图2.5所示。

图2.5直升飞机外曲面

g.应用实体模块，将曲面加成一定厚度，生成实体数模，如图2.6所示。

本设计根据直升飞机的总体尺寸的大小，同时参考模型飞机的厚度，外壳选用1.6mm厚度。

图2.6直升飞机实体数模

h.修改局部特征，回避专利，加入设计者思想，进行改型设计（同时，加入其它样本飞机的特征，或者直接把多种样本飞机的特征数模重新进行优化组合以达到美观协调，工艺性合理的目的）。

此款直升飞机的尾部比较短，整体比例不够协调，本设计中采取加长尾部的修改，修改其尺寸以达到比例协调，整体美观之目的。

并将尾翼和侧翼都加厚，加厚至2.0mm厚度。

对于挡风玻璃的处理，没有采用原始直升飞机的贴图方式，而采用设计不同零件的方法，加上半透明彩色挡风玻璃，使其外观更加完美。

图2.7是经过表面处理后的直升飞机表面数模。

图2.7表面处理后的直升飞机外壳数模

i.镜像另一侧外壳数模。

应用镜像工具，获得外壳的另一半数模。

由于在点云处理时，已经考虑了左右结缝处的曲面连续，镜像后的曲面在结缝连续较好。

虽然CATIA曲面处理功能相对其他高端软件要强大，但在CATIA进行模型重构时，仍要注意建模的合理性，合理应用相应的功能。

曲面应设计成参数化的形式，不要设计成非参数的形式，参数曲面容易调整修改。

本课题的曲面都是参数曲面，调整修改比较容易。

2.4玩具结构设计

玩具结构是指把零件与零件、零件与部件组装在一起的连接方式。

一个玩具由多个零件组合装配而成，玩具的组装是玩具生产的重要工序，由于玩具零件数量多、尺寸小、形状不规则，所以很难形成大规模的机械化装配，大部分是采用手工作业，这是劳动密集型产业特点所在。

如何减少装配工序、简化装配过程，结构设计是否合理非常关键。

机动玩具由于动作机构较多，结构比静态玩具要复杂。

既要使玩具结构简单，又要保证玩具动作可靠。

玩具结构按照一般装配顺序，可分为内部结构、外型结构和电路结构。

内脏结构是指玩具内部机芯、动作执行机构之间的配合形式，如齿轮与轴、凸轮与轴、偏心轮与连杆、轴与机芯夹板、电动机与机芯夹板等。

外型结构是指除内脏以外的各零件之间的配合形式，如外壳与外壳之间、外壳与底板之间、轮轴与底板之间、整个机芯与底板之间、动作执行机构与外壳之间。

电路结构是指电动玩具中线路的连接、开关与外壳的连接、电池箱与箱盖的配合形式。

2.4.1玩具结构设计的基本要求

a.降低成本，提高经济效益

玩具生产本身的加工利润很低，若生产批量较大，玩具结构设计合理，也能提高经济效益。

可以采用，按照玩具的最佳寿命设计不同的配合结构，如对于需要拆装的玩具，采用螺钉联接的方式；

在满足强度要求的情况下，采用不同截面形式，或采用加强筋的结构，减少材料的使用，本课题在联接柱的部分采用加强筋的形式；

采用标准件和通用件，在玩具设计中，无论是机芯构件还是外型构件，标准化很重要，标准化使不少尺寸不一的零件成为少量的通用件，大大简化设计过程，现在机动玩具中齿轮、轴、偏心轮等常用的零件都已实现了标准化或系列化，发条机芯、惯性机芯也都实现了规格系列化，这些机构由专门的生产厂家生产，设计玩具机构是只需选择合适的型号即可。

本设计中上下联接的螺钉和回轮机构选用标准件。

采用整体化设计能减少零件的数量及各零件之间的交接面，减少装配工序。

b.简化装配工序

一个玩具由几十个甚至几百个零件组成，装配成本在整个生产成本中占很大比例。

在结构设计时，除了尽量减少零件个数以外，还要考虑简化装配工序，采用简易和快速装配的设计方案。

在结构设计时，要考虑尽量采用容易辨别、减少需要判别的情况，减轻装配强度，少出差错，提高装配效率。

例如大小、形状差别不大的零件可以用不同的颜色区分，零件形状尽量采用对称结构，尽量设计倒角、圆角结构便于装配。

本设计的机翼叶片采用完全相同结构，装配时无需判别。

螺钉装配是现代玩具装配的主要形式，采用螺钉玩具易于拆装、维修，也利于实现机械化作业。

但是拧螺钉工作主要还是手工，无论是自攻螺丝还是有孔的螺钉，时间长了都会造成手的疲劳，所以设计装配结构时，考虑少用装配工具、少用螺钉的方法。

c.熟悉模具工艺，便于模具制造

玩具中的金属件、塑料件都是通过模具进行大批量生产，构件的设计要便于模具的制造。

因此，设计人员必须熟悉、了解模具的生产工艺。

如金属模的落料、冲孔、拉伸的各形状最小极限尺寸；

塑料模的脱模斜度、收缩变形、滑块设置等工艺要求，在设计时都应考虑到。

为便于模具的制造，设计者必须在了解制件的成形（型）工艺要求情况下，结构上加以合理设计，以简化模具结构、减少开模工序、提高生产率，降低生产成本。

d.便于消费者使用

玩具设计也要“以人为本”，这是设计者应追求的境界。

设计者要把消费者尤其是儿童视为上帝，设计的产品要满足他们的要求，有利于儿童的身心发展，在使用上要为儿童提供方便。

产品结构设计时，应考虑消费者使用的方便性，方便消费者使用是扩大销路的方法之一。

e.保持外观的整体感和美感

玩具外形一般由几部分组合而成，装配后在接触处会有各种痕迹，使玩具的整体感和美观程度受到影响，在结构设计时要采用相应的措施，把这种影响降到最低。

本设计在左、右外壳的结合处，开有一个凹槽，减少左、右外壳装配后的不对称影响。

f.经得起撞击、振动及挤压

玩具运输、储存、使用时的跌落、摔打会造成玩具局部受力，可能会损坏。

结构设计时，要考虑玩具可能受到的各种损伤，将破坏的可能性降到最低。

例如，在玩具表面尽量不要设计单独的凸面，以避免应力集中引起凸面的折断；

有的位置加上弹簧进行缓冲保护。

本设计在直升飞机尾部采用相对较厚的设计，尾部侧翼采用粘接的方法，而不是采用与外壳整体的形式，这样在尾部侧翼与外壳联接处没有应力集中。

2.4.2外形零件的配合结构

玩具的外形由多个构件组成，构件之间需要用一定的配合方式组装起来。

外形零件的配合结构形式有多种，具体采用何种配合结构需根据玩具的性质来决定。

如连接件的材料、玩具的使用功能、使用对象、玩具本身的价值等，根据具体的情况设计合理的配合结构。

设计中，装配结构上采用螺钉配合，安装螺钉的孔做有沉孔，孔上了做一些贴纸图案保持玩具表面的整体性和美感。

设计中上下壳体定位采用导向柱来定位，此结构具有简单方便、定位精度高、易于使用、拆装方便等优点，同时可以加强飞机壳体的强度。

配合的方式主要有华司配合、脚子配合、铆钉配合、热烫配合、卡扣装配、按扣配合、粘接配合、螺钉配合。

前四种配合形式主要用于低端的玩具设计中。

卡口、按扣配合主要利用塑料件的弹性，目前常用的两种配合方式。

本设计中，电池箱盖与底盘的设计采用按扣的方式。

粘接配合在玩具联接中是常用的方法之一，本设计中尾部侧翼采用此种配合，联接方法简单。

螺钉配合，即利用螺钉做紧固件，把两个各有圆孔的零件相互配合紧固。

玩具中常用的是自攻螺丝，不需螺母和不需预先攻螺纹的特点，使用方便，配合牢固，便于拆装，是现代玩具中最常用的配合方法之一。

安装螺钉的上孔应该有沉孔，这样螺钉冒不会露在外面，一方面美观，另一方面从安全考虑，螺钉冒不会滑伤儿童。

螺钉一般设在玩具底面或者隐蔽的地方，如果不得不设在正面的话，可以在孔上做一些贴纸图案或其他装饰物，以保持玩具表面的整体性和美感。

本设计左、右外壳的联接采用自攻螺钉的联接方式，简化模具。

图2.8是本设计左、右外壳联接柱的设计。

联接柱布置在外壳的四周，并根据联接的主次不同，设计成两种联接柱的尺寸，以适应不同的螺钉。

图2.8左、右外壳联接柱

2.5螺旋桨的设计

在设计螺旋桨时，首先参照样本模型，测绘其基本尺寸。

然后根据改型后的飞机外壳数模调整其基本尺寸，局部地方做细小的改动。

图2.9是叶片固定座结构，采用整体式结构，选用白色ABS塑料，表面喷涂图案。

在不同截面设计不同厚度，以增加强度。

图2.9叶片固定座

图2.10是叶片的结构。

由于玩具没有严格的流体力学要求，同时本设计的直升飞机不做空间飞行，因此叶片未采用流线型设计。

叶片与叶片座之间采用塑料销定位，螺钉联接的方式以固定。

图2.10叶片结构

图2.11是螺旋桨总成，四个叶片均匀分布在固定座上。

图2.11螺旋桨总成

第三章机械传动系统设计

机动玩具的主要特点是能表现各种各样的动作，动作的产生离不开玩具内部的动力部分、机械传动系统。

本设计中，玩具直升飞机需要产生三个运动，即螺旋桨的连续旋转，主动轮的旋转