驗證報告

驗證對象:skull-cam-template-PRINTFIX.pdf —— 一份 AI 產生的 1:1 裁切樣板。

圖面看起來很專業:尺寸線、鑽孔中心、裁切線與參考線分層、組裝順序、凸輪相位圖,一應俱全。

問題是它從來沒有被驗算過。

所有數字都是從 PDF 的向量座標直接解出來的,不是目測;所有結論都有對應的可重跑腳本。

修正版一樣是 AI 做的。差別不在誰做,在有沒有把每一步拿去驗 ——

這份報告裡的每個結論,都對應一支可以重跑的腳本。

結論

原始圖面做不出來。 不是公差問題,是機構本身不成立 —— 其中「轉頭」那一路即使零件全部完美裁切,自由度也是 0,轉不動。

以下數字全部是從 PDF 的向量座標直接讀出來的(pdftocairo + content stream 解析),不是目測。1mm = 2.8346 PDF unit。

致命(轉不動 / 裝不上)

一定要改(不然裝起來很怪)

修正版做了什麼

保留原設計的靈魂:一根手搖軸、四片凸輪、四個動作(下顎/點頭/眼球/轉頭)。

凸輪輪廓也沿用原圖(水滴、雙凸、偏心圓)。改的是傳動路徑。

1. 轉頭:丟掉空間連桿,改成 45° 斜槽

垂直往復 → 繞垂直軸旋轉,本來就需要螺旋、斜齒或斜槽。

轉頭叉口板被凸輪上下強制帶動 16mm(C 形叉口夾住偏心圓),板上開一條 45° 斜槽;

轉盤的臂末端有一支水平銷插在斜槽裡,板上下 16mm → 銷左右 ±8mm → 臂半徑 30 → 轉頭 ±15.5°。

全部是平面板 + 一支銷,3mm 板可裁。

2. 點頭與轉頭解耦:頸柱做成「方孔花鍵」

轉盤中央開 8×6 方孔,套在同斷面的頸脊上 —— 可以上下滑、不能相對轉。

於是點頭(上下 8mm)和轉頭(±15.5°)可以同時發生,互不干擾。轉盤本身高度固定在 z=77。

3. 頸柱移到頭部後方,做成「脊板」

原設計頸柱走頭部正中央 → 會穿過下顎片和眼球桿。

改成 8 寬×6 厚的扁棒站在 y=66~72(下顎在 54~60、眼球桿在 63~66),再用接合塊黏到頭骨後片。

頭的重心只前伸 12mm,8mm 斷面撐得住。

4. 頭裡的零件改「頂推 + 重力回位」,不用銷接

頭會上下 8mm 又左右轉 ±15.5°,任何從底座上來的銷接連桿都會被扭死。

改成:推桿頂端只是「頂」在下顎/眼球桿的受推板上,靠重力回位。

頭轉的時候,接觸點在受推板上滑一下就好 —— 已驗證接觸點跑動範圍在受推板內

(下顎 x 68.1~73.4 / 受推板 62~86;眼球 x 52.6~58.0 / 受推板 42~70)。

5. 下顎改「垂直下滑」

正面平板的頭骨,下顎要開合就得往下滑,不能單銷旋轉。

下顎加兩支「升支」(像真的下顎骨),升支上開 23mm 滑槽,套在頭骨主片的兩支 Ø4 銷上。

下顎張開 = 凸輪 11.2mm + 點頭 8mm,相對頭部總行程 11.6mm,槽長 24mm 夠。

6. 凸輪軸抬高、升降板進盒子裡

軸心 z=30 → 36(②凸輪最大半徑 28,留 8mm 間隙)。

升降板改成一片水平板直接躺在點頭凸輪上,位置縮到 x=78~118 完全避開推桿(不用開缺口)。

兩支導柱下插底板、上插中段導板,防止它歪與轉。

7. 推桿加厚到 6mm

眼球推桿全長 114mm,3mm 板會抖。6mm 板抗彎剛度是 8 倍(t³)。

導引點:頂板 + 中段導板 z=70。

修正版關鍵尺寸

盒體      180(x) × 114(y) × 90(z),板厚 3;側板改 108 深
凸輪軸    y=57, z=36, Ø6
凸輪 x    眼球 54 / 下顎 70 / 轉頭 124 / 點頭 110(必須與推桿同 x)
凸輪      眼球=雙凸 r12~18(每轉兩次) 下顎=水滴 r14.8~26
          轉頭=偏心 R20 e8 → r12~28   點頭=偏心 R12 e4 → r8~16
相位      下顎 0° / 點頭 90° / 眼球 180° / 轉頭 270°
推桿長    下顎 57 / 眼球 117,厚 6mm;寬腳只留 6mm 高
頸脊      8 寬 × 6 厚,y=69,由升降板頂起
轉盤      下盤 z=84~87 / 凸台 87~93(穿頂板)/ 壓片 93~96;方孔 8.6×6.6,撥銷半徑 30、z=82.5
斜槽      45°,銷 y = (82.5 − 板底高) + 42.5;叉口高 40.4(夾 Ø40 偏心圓)
頭骨      主片 y=51~54 與 60~63;下顎 54~60(6mm);眼球桿 63~66
          頭骨底面 z=125(+點頭 0~8)

實測動作(模擬跑一整圈)

四個動作錯開,連續無跳動。

干涉掃描(不是用眼睛看的)

「檢查 15 項全過」只證明我想到的那 15 個配對沒問題,不等於沒干涉。

所以另外做了一次全零件掃描:每片木板登記自己的「2D 外形 + 孔 + 厚度」,

在板內佈 1mm 網格取樣點,曲柄轉一圈取 72 個角度,兩兩互測「A 的點有沒有落進 B 的實體裡」。

29 片木板、約 12 萬個取樣點。留 1mm 容差,所以「貼合接觸」不算干涉。

第一次掃出 31 組。扣掉腳本自身的兩個問題(長條料只取樣 3 層會漏、原始圖面那組零件混進來)之後,

真正的設計錯誤有這些,都已修正:

修完重掃:轉一整圈、72 個角度、零干涉。

重跑掃描:node collide.js(需要本機 HTTP 開著)。

約束盤點(第二輪:亞澤指出「這樣不會掉出來嗎」)

干涉掃描只證明「零件不會互相穿過」,沒有證明「零件被固定住」。這是兩件事。

所以又做了一次逐件的自由度盤點:每個動件的 6 個自由度分別由什麼約束,

並且區分 form(形封閉,靠形狀,拿不掉) 與 force(力封閉,靠重力,快搖或翻倒會脫開)。

盤出來的問題與修法:

修完仍然是零干涉。完整的盤點表在網頁右側「約束盤點」區,或看 mech.js 的 DOF。

還是 force(力封閉)的地方,只剩兩處,兩處都建議加回位橡皮筋:

• 眼球推桿下行只靠眼球橫桿自重 —— 最弱的一環
• 下顎推桿下行只靠下顎自重(比較重,但快搖一樣會跳)

點頭升降板雖然也是力封閉,但壓著它的是整顆頭的重量,不必處理。

下顎到底靠什麼撐著(第三輪)

你猜對了:支撐就在兩片臉之間。

• 下顎片(6mm)夾在兩片頭骨主片(y=51~54 與 60~63)之間 → 前後方向被夾住
• 下顎向上長出兩支「升支」,升支上各開一條 23mm 滑槽
• 兩支 Ø4 銷穿過兩片臉 + 升支(z=156,x=76 與 104)→ 下顎吊在銷上,只能上下滑
• 滑槽兩端就是限位:推桿掉下去,下顎最多滑到槽底,掉不出來

但你第二個看法也對:白色受推板原本沒接到下顎。

原本受推板在 z=119~122、下顎片從 z=122 起 —— 兩者只有「一條邊碰一條邊」,

膠合面積 0mm²。等於推桿在推一片沒黏住的板子。

因為老師給的板子薄,對接(butt joint)本來就不牢,所以改成榫接:

• 下顎片底部中央長出兩個 5×4 的榫耳(x=84~89、91~96,z=119~123)
• 受推板做成 T 形,前橫條伸到 x=100 套住榫耳,後臂只到 x=84 讓開頸脊
• 榫耳穿過受推板的榫孔再上膠
• 眼球受推板同樣處理(一個 6×3 榫,橫桿左端下伸到 z=164 讓榫孔四周都有料)

榫耳的位置不能亂放:下顎是碗形,下緣從中央 z=122 往兩側一路翹到 z=141。

只有 x=84~96 那段接近平底,榫接得在那裡才有實料。

榫接的膠合面是榫的四個側面 + 對接面,薄板也黏得住;而且兩個零件都還是平板,一樣好裁。

配合公差單邊 0.1mm。掃描器會看到榫在孔裡,那是刻意的,不是干涉。

3mm 板的零件表(直接從模型撈出來的)

3mm 就是這份設計的原生厚度,不用改任何尺寸。 全部的驗證都是在 3mm 下跑的。

重新產生這張表:node bom.js(需要本機 HTTP 開著)。

| 眼球橫桿 | 76 × 32 | 1 | 1 層(含 2 滑槽 + 1 榫孔) |

| 眼球受推板 | 28 × 26 | 1 | 1 層 |

| 眼球受推板的榫 | 6 × 3 | 1 | 1 層 |

另外要的非板材:Ø6 圓棒(凸輪軸,約 215 長)、Ø4 圓棒(滑銷 ×4、撥銷 ×1)、

Ø4 圓棒(升降板導柱 ×2,長 76)、Ø14 軸環 ×2、Ø7 握把、橡皮筋 ×2。

「2 層疊合」= 兩片 3mm 對貼成 6mm,外形一模一樣,榫孔/滑槽要對齊。

板厚不是 3mm 的話

回位力小得可怕(3mm 時下顎自重才 0.045N、眼球桿 0.033N),板越薄越依賴橡皮筋。

推桿的側向勁度跟厚度三次方成正比:1mm 厚受 0.2N 側力會歪 9.5mm,等於一根麵條。

所以推桿、凸輪、軸承、轉盤凸台、頸脊這幾樣一定要疊回原厚度,其餘可以照薄的做。

但配合尺寸(頭部夾層位置、槽寬、榫厚)全都綁在板厚上,改材料就要改圖。

切割檔自檢(第四輪:亞澤看著雷切圖抓出來的)

前三層驗證(幾何檢查 → 干涉掃描 → 約束盤點)全部通過之後,亞澤打開切割檔,

連續看出三件事,每一件都是前面三層結構上不可能抓到的:

「下顎有兩個方孔,其中一個還飄在輪廓外」

干涉掃描永遠抓不到這種錯 —— 不存在的材料不會跟任何東西相撞。

下顎是碗形,下緣從中央 z=122 往兩側一路翹到 z=141;我把榫孔開在 x=66~82,

那裡根本沒有料。

→ 新增零件自檢:每個孔都必須完全落在輪廓內。一跑就抓到五個壞孔,

另外三個是誰都沒發現的(轉頭斜槽超出板子上緣、導柱孔破出升降板後緣、

眼球滑槽破出橫桿右緣)。

「這眼框有問題嗎」

眼球滑銷孔離眼窩圓心只有 11.7mm,而 11+2.1=13.1 —— 孔咬進眼窩,差 1.4mm。

零件自檢只看「孔在不在輪廓內」,看不到孔跟孔之間。

→ 新增肉厚自檢:量每個孔到其他孔、到外輪廓的最短距離,3mm 板的下限抓 2.0mm。

一跑抓到 13 處,最薄的就是那個眼窩(0.13mm)。滑銷改到 x=62/118,肉厚變 4mm。

「受推板有兩個方洞,但下巴沒有兩個凸?還是你用膠的?」

被抓到了:下顎在切割檔裡其實是三片(本體 + 兩個榫耳 + 兩支升支),

同名但分開畫,雷切出來要靠膠黏成一片 —— 那榫接就白做了。

→ 寫了外形合併工具(addRect),把榫耳與升支沿著輪廓的上下緣併進本體,

下顎變成真正的一整片。同時新增單件自檢:同名零件如果同平面又相接,

就是被拆成多片,直接報錯。

零件數 48 → 39 片(少掉的就是那些本來要用膠黏的碎片)。

現在的驗證是四層

四層都是被指出來才補的。單一種檢查看起來多完整,都會有它結構上看不到的東西。

能不能不用圓棒(第五輪)

亞澤問「有些連接可以不用圓棒、用板材嗎」。逐項判之後,八成可以:

改完之後採購清單從七種圓棒縮到兩支。

改導片時掃描抓到一次干涉(導片撞到頸脊項圈 2×2×9mm),項圈由 20×16 縮成 16×14 解決。

還沒做的

• 回位橡皮筋(老師說可以用,那就用):眼球推桿與下顎推桿下行只靠重力,轉快了會跳。轉頭板已改成叉口強制驅動,不需要橡皮筋。
• 摩擦與間隙:模擬是理想剛體,沒算板材毛邊、孔的鬆緊。凸輪與推桿接觸面記得磨圓上蠟。
• 新的 1:1 裁切樣板:這裡只驗機構,還沒把修正版畫回可列印的 A4 樣板。要的話再說。
• 眼球目前是上下滾(原圖寫「左右溜」)。左右要多一組斜槽,值不值得看你。