聶文忠+荊學(xué)東+李國(guó)華

【摘要】研究提出以案例為導(dǎo)向，理論與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方法，通過(guò)激光三維掃描儀提取掃描件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，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(shù)完成模型的制作。通過(guò)兩屆學(xué)生對(duì)比研究，基于案例的實(shí)踐教學(xué)，可以在理論與實(shí)際動(dòng)手能力方面提高教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】逆向工程；快速制造；案例；教學(xué)改革

一、序言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式及其開(kāi)發(fā)周期已經(jīng)滿足不了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求。為了響應(yīng)市場(chǎng)要求，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，縮短開(kāi)發(fā)周期，近十幾年來(lái)，逆向工程與快速制造技術(shù)越來(lái)越受到企業(yè)的青睞。因此，現(xiàn)在越來(lái)越多的高校為本科生和研究生開(kāi)設(shè)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(shù)的教學(xué)效果一直是眾多教師探索的課題。本研究基于實(shí)際案例，利用實(shí)驗(yàn)室硬件條件獲取實(shí)物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再采用逆向工程軟件對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行三維重建，最后利用3D打印設(shè)備完成實(shí)物制作。在這整個(gè)過(guò)程中結(jié)合設(shè)備重建過(guò)程和3D制作過(guò)程，分別講授逆向工程原理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建相關(guān)理論和3D打印原理[1]，目的是提高學(xué)生對(duì)逆向工程和快速制造技術(shù)的理論知識(shí)水平及動(dòng)手能力，使其真正掌握這兩種實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)。

二、基于VIVID 9i激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

逆向工程是指以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物或影像作為研究對(duì)象，用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物CAD模型的過(guò)程。

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集和模型重建是逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)中首先要根據(jù)實(shí)物模型的自身特性、精度要求、制造材質(zhì)等多項(xiàng)因素選擇合適的數(shù)字化設(shè)備，完成模型表面數(shù)字化。目前，用來(lái)采集實(shí)物表面數(shù)據(jù)的測(cè)量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。比較常見(jiàn)的分類方法比較統(tǒng)一，即根據(jù)測(cè)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(cè)量已逐漸成為主流方法。測(cè)量方法的每一類別又可分為許多種方法。

1.接觸式數(shù)據(jù)采集方法?；诹Φ淖冃卧?，接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量可分為觸發(fā)式和連續(xù)式兩類。接觸式測(cè)量設(shè)備包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machining，CMM）和關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)。在接觸式測(cè)量方法中，CMM是應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)量設(shè)備。

2.非接觸式數(shù)據(jù)采集方法。隨著快速測(cè)量的需求及光電技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段的非接觸式測(cè)量技術(shù)得到飛速發(fā)展。該技術(shù)根據(jù)光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴▽⒁欢ǖ奈锢砟M量轉(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。非接觸式可以很好地克服由于機(jī)械接觸式測(cè)量存在的許多的系統(tǒng)誤差，主要有基于光學(xué)的激光三角法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法以及基于聲波、磁學(xué)的方法等[2]。

3.點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。本研究采用日本美能達(dá)公司的VIVID 9i設(shè)備對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，該設(shè)備是非接觸式的激光掃描設(shè)備，具有速度快、精度高的特點(diǎn)。

（二）數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)處理是將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理并還原成曲面，包括數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)插補(bǔ)、數(shù)據(jù)分割、多視數(shù)據(jù)對(duì)齊等。數(shù)據(jù)處理是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響到后期模型重構(gòu)的質(zhì)量[3]。

（三）曲面重構(gòu)技術(shù)

曲面重構(gòu)是整個(gè)逆向工程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的一環(huán)，它是進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品性能分析、生產(chǎn)制造等過(guò)程的基礎(chǔ)。本案例采用Geomgic逆向工程軟件構(gòu)造參數(shù)畫(huà)曲面完成擬合成NURBS曲面。

三、模型的快速制造

快速成型技術(shù) （RP），是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。該技術(shù)借助計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動(dòng)和數(shù)控等手段，集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造于一體，以逐層累積的建造方式在短時(shí)間內(nèi)直接制造產(chǎn)品樣品，從而顯著地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。由于使用增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用少，風(fēng)險(xiǎn)低，周期短，現(xiàn)已逐漸成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

（一） 快速制造技術(shù)的原理

快速制造技術(shù)是采用離散∕堆積成型的原理，通過(guò)離散獲得堆積的路徑，通過(guò)堆積材料疊加起來(lái)形成三維實(shí)體。其過(guò)程是：已具有CAD構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型，對(duì)其進(jìn)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(chǎn)品[4]。由于增材制造技術(shù)把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在沒(méi)有模具和工具的條件下生成任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性[5]。

快速制造技術(shù)體系可分解為幾個(gè)彼此聯(lián)系的基本環(huán)節(jié)：三維模型構(gòu)造、近似處理、切片處理、堆積成形、后處理等。增材制造過(guò)程如圖所示。

（二）增材制造技術(shù)的制造工藝

隨著 CAD 建模和光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，增材制造技術(shù)的工藝方法發(fā)展很快，按照所用材料和建造技術(shù)的不同，目前投入應(yīng)用的已有十余種工藝方法。其中發(fā)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(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積造型（FDM）、三維打印（3DP）技術(shù)。其中，3D打印已經(jīng)成為最近幾年最熱門(mén)和發(fā)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(diǎn)。

1.光固化立體造型（SLA）。SLA是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種RPT，也稱液態(tài)光敏樹(shù)脂選擇性固化，以美國(guó)3D Systems公司生產(chǎn)的SLA系列成型機(jī)為代表。SLA是基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的光聚合原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制紫外光燈或激光使其固化成型。SLA成型方法簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)。另外，SLA原材料有污染，氣味很大，不利于健康。

2.分層實(shí)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(shí)用CO2激光器或刀具在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行切割，然后通過(guò)熱壓輥熱壓，使當(dāng)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(shí)無(wú)需加支撐，但是，材料浪費(fèi)大，且清除廢料困難。

3.選擇性激光燒結(jié)（SLS）。SLS工藝?yán)梅勰┎牧显诩す庹丈湎聼Y(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)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(lái)更多地采用復(fù)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(jié)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(nèi)被加熱熔化后，從小孔擠出堆積成形。

四、基于實(shí)例教學(xué)改革的效果討論

基于案例的實(shí)踐教學(xué)，把原來(lái)比例抽象枯燥的理論教學(xué)部分融入實(shí)踐環(huán)節(jié)中，可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。逆向工程中的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、圖像處理技術(shù)及其模型重建技術(shù)涉及很多方面的知識(shí)，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、微分幾何、圖像處理等一些比較高深難懂的理論。實(shí)例教學(xué)結(jié)合硬件可以把這些抽象的理論知識(shí)在實(shí)踐環(huán)節(jié)中簡(jiǎn)化，使學(xué)生更易理解和掌握。在快速制造環(huán)節(jié)中，包括機(jī)電控制技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等方面的知識(shí)，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐可以在實(shí)際的一層一層的快速制造中掌握這些理論知識(shí)。

通過(guò)對(duì)兩屆學(xué)生的理論考試和實(shí)際動(dòng)手制作的實(shí)物可以看到，安全教學(xué)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(xué)，尤其之前一些難懂的理論課程，學(xué)生不易理解，教學(xué)效果很差。通過(guò)案例教學(xué)，采用互動(dòng)和實(shí)踐相結(jié)合的方式，學(xué)生更容易理解以前難理解的一些理論問(wèn)題。

實(shí)際動(dòng)手使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到了提高，學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性思維得到了釋放。通過(guò)對(duì)比以前的實(shí)物制作水平，發(fā)現(xiàn)案例教學(xué)后的學(xué)生作品明顯好于以前。

通過(guò)案例教學(xué)，教師認(rèn)識(shí)到可以根據(jù)不同課程的特點(diǎn)，以實(shí)踐為先導(dǎo)，在實(shí)踐中讓學(xué)生理解理論知識(shí)，可以取得更好的理論教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

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