基于案例的逆向工程與快速制造教學改革及其效果研究

聶文忠+荊學東+李國華

【摘要】研究提出以案例為導向，理論與實踐相結合的實踐教學方法，通過激光三維掃描儀提取掃描件的點云數據，利用Gemogic逆向工程軟件完成模型的重建，最后利用3D打印技術完成模型的制作。通過兩屆學生對比研究，基于案例的實踐教學，可以在理論與實際動手能力方面提高教學效果。

【關鍵詞】逆向工程；快速制造；案例；教學改革

一、序言

隨著工業技術的快速發展，傳統的產品設計開發模式及其開發周期已經滿足不了市場競爭的需求。為了響應市場要求，提高產品開發速度，縮短開發周期，近十幾年來，逆向工程與快速制造技術越來越受到企業的青睞。因此，現在越來越多的高校為本科生和研究生開設逆向工程與快速制造的課程。但如何有效提高逆向工程和快速制造技術的教學效果一直是眾多教師探索的課題。本研究基于實際案例，利用實驗室硬件條件獲取實物的三維點云數據，再采用逆向工程軟件對點云模型進行三維重建，最后利用3D打印設備完成實物制作。在這整個過程中結合設備重建過程和3D制作過程，分別講授逆向工程原理、點云數據重建相關理論和3D打印原理[1]，目的是提高學生對逆向工程和快速制造技術的理論知識水平及動手能力，使其真正掌握這兩種實用性很強的技術。

二、基于VIVID 9i激光掃描儀的點云數據獲取

逆向工程是指以先進產品設備的實物或影像作為研究對象，用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據或影像數據通過三維幾何建模方法重構實物CAD模型的過程。

（一）點云數據采集

數據采集和模型重建是逆向工程中的關鍵技術。在實驗中首先要根據實物模型的自身特性、精度要求、制造材質等多項因素選擇合適的數字化設備，完成模型表面數字化。目前，用來采集實物表面數據的測量設備和方法多種多樣，其原理也各不相同。比較常見的分類方法比較統一，即根據測量探頭是否接觸零件表面，將采集方法基本上分類為接觸式采集和非接觸式采集兩大類。非接觸式測量已逐漸成為主流方法。測量方法的每一類別又可分為許多種方法。

1.接觸式數據采集方法。基于力的變形原理，接觸式數據測量可分為觸發式和連續式兩類。接觸式測量設備包括三坐標測量機（Coordinate Measuring Machining，CMM）和關節臂測量機。在接觸式測量方法中，CMM是應用最為廣泛的一種測量設備。

2.非接觸式數據采集方法。隨著快速測量的需求及光電技術的發展，以計算機圖像處理為主要手段的非接觸式測量技術得到飛速發展。該技術根據光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，通過適當的算法將一定的物理模擬量轉化為樣件表面的坐標點。非接觸式可以很好地克服由于機械接觸式測量存在的許多的系統誤差，主要有基于光學的激光三角法、激光測距法、結構光法、圖像分析法以及基于聲波、磁學的方法等[2]。

3.點云數據獲取。本研究采用日本美能達公司的VIVID 9i設備對實物進行掃描，該設備是非接觸式的激光掃描設備，具有速度快、精度高的特點。

（二）數據處理技術

數據處理是將測得的數據進行優化處理并還原成曲面，包括數據平滑、數據精簡、數據插補、數據分割、多視數據對齊等。數據處理是逆向工程中的關鍵環節，它的結果將直接影響到后期模型重構的質量[3]。

（三）曲面重構技術

曲面重構是整個逆向工程中最復雜、最關鍵的一環，它是進行后續結構設計、產品性能分析、生產制造等過程的基礎。本案例采用Geomgic逆向工程軟件構造參數畫曲面完成擬合成NURBS曲面。

三、模型的快速制造

快速成型技術 （RP），是20世紀80年代中期發展起來的一項高新技術。該技術借助計算機、激光、精密傳動和數控等手段，集計算機輔助設計和計算機輔助制造于一體，以逐層累積的建造方式在短時間內直接制造產品樣品，從而顯著地縮短了產品開發的周期，增強了企業的競爭能力。由于使用增材制造技術開發新產品研發費用少，風險低，周期短，現已逐漸成為現代制造技術的重要發展方向之一。

（一） 快速制造技術的原理

快速制造技術是采用離散∕堆積成型的原理，通過離散獲得堆積的路徑，通過堆積材料疊加起來形成三維實體。其過程是：已具有CAD構造的產品三維模型，對其進行分層切片，得到各層界面的輪廓，按照這些輪廓，選擇性切割每一層，形成各界面并逐步疊加成三維產品[4]。由于增材制造技術把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加，因而可以在沒有模具和工具的條件下生成任意復雜的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性[5]。

快速制造技術體系可分解為幾個彼此聯系的基本環節：三維模型構造、近似處理、切片處理、堆積成形、后處理等。增材制造過程如圖所示。

（二）增材制造技術的制造工藝

隨著 CAD 建模和光機電一體化技術的發展，增材制造技術的工藝方法發展很快，按照所用材料和建造技術的不同，目前投入應用的已有十余種工藝方法。其中發展較為成熟的主要有以下五種類型[5]：光固化立體造型（SLA）、分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、熔融沉積造型（FDM）、三維打印（3DP）技術。其中，3D打印已經成為最近幾年最熱門和發展最為迅速的工藝方法之一。下面將分別介紹它們的成型原理與特點。

1.光固化立體造型（SLA）。SLA是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的一種RPT，也稱液態光敏樹脂選擇性固化，以美國3D Systems公司生產的SLA系列成型機為代表。SLA是基于液態光敏樹脂的光聚合原理，通過計算機來控制紫外光燈或激光使其固化成型。SLA成型方法簡單、尺寸精度較高，但成型中有相的變化，翹曲變形較大，需要支撐結構。另外，SLA原材料有污染，氣味很大，不利于健康。

2.分層實體制造（LOM）。LOM采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一層熱熔膠，加工時用CO2激光器或刀具在計算機控制下進行切割，然后通過熱壓輥熱壓，使當前層與下面已成型的工件粘接，從而堆積成型。LOM工藝翹曲變形小，成型時無需加支撐，但是，材料浪費大，且清除廢料困難。

3.選擇性激光燒結（SLS）。SLS工藝利用粉末材料在激光照射下燒結的原理，在計算機控制下層層堆積成形。其成型材料包括蠟粉、聚苯乙烯（PS）、工程塑料（ABS）等，近年來更多地采用復合粉末，粉粒直徑為50?m～125?m。

4.熔融沉積造型（FDM）。熔融沉積法又被稱為熔絲沉積法，是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，在PLC控制下逐層堆積成型的一種方法。FDM工藝采用熱塑性材料，如ABS、蠟、尼龍等，一般以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化后，從小孔擠出堆積成形。

四、基于實例教學改革的效果討論

基于案例的實踐教學，把原來比例抽象枯燥的理論教學部分融入實踐環節中，可以極大地提高學生的學習積極性。逆向工程中的數據獲取技術、圖像處理技術及其模型重建技術涉及很多方面的知識，如計算機圖形學、微分幾何、圖像處理等一些比較高深難懂的理論。實例教學結合硬件可以把這些抽象的理論知識在實踐環節中簡化，使學生更易理解和掌握。在快速制造環節中，包括機電控制技術、材料科學、計算機軟件技術和數控技術等方面的知識，學生通過實踐可以在實際的一層一層的快速制造中掌握這些理論知識。

通過對兩屆學生的理論考試和實際動手制作的實物可以看到，安全教學改革取得了以下幾方面的效果。

改變了以前灌輸式的理論教學，尤其之前一些難懂的理論課程，學生不易理解，教學效果很差。通過案例教學，采用互動和實踐相結合的方式，學生更容易理解以前難理解的一些理論問題。

實際動手使學生的學習積極性得到了提高，學習的創造性思維得到了釋放。通過對比以前的實物制作水平，發現案例教學后的學生作品明顯好于以前。

通過案例教學，教師認識到可以根據不同課程的特點，以實踐為先導，在實踐中讓學生理解理論知識，可以取得更好的理論教學效果。

【參考文獻】

[1]劉偉軍，孫玉文.逆向工程：原理、方法及應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]韋焜程.模具設計制造中逆向工程技術的應用[J].裝備制造技術， 2012 （07）： 159-161.

[3]Liang S R， Lin A C.Probe-radius compensation for 3D data points in reverse engineering [J].Computers in Industry， 2002， 48（03）： 241-251.

[4]朱林泉.快速成型與快速制造技術[M].北京：國防工業出版社，2003：30-32.

[5]李玉蓉.快速成型技術的應用[J].科技信息， 2011 （13）： 95.