胡碧康　周麗紅　陶錫麒

摘要：盡管正向三維建模的教學(xué)已經(jīng)比較成熟，但大多數(shù)學(xué)生對(duì)掌握復(fù)雜的曲面三維正向建模還是比較困難，容易打消學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。而逆向工程已經(jīng)在社會(huì)企業(yè)普及，高校的教育教學(xué)也應(yīng)跟上時(shí)代，因此將正向與逆向三維建模相結(jié)合的教學(xué)很有必要。對(duì)比兩種建模方法，學(xué)生自主選擇建模方式，降低掌握三維建模技能的難度。

關(guān)鍵詞：三維建模；逆向工程；建模方式；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G423.31；TP391

三維建模技能是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，構(gòu)建形狀結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型可采用正向建模的方法，然而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維模型采用正向建模所花費(fèi)的時(shí)間長，有的甚至對(duì)三維建模工程師有較高要求。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜三維模型可以通過三維掃描快速便捷的獲取，然后經(jīng)過逆向建模來設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品模型，有效縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了產(chǎn)品研發(fā)效率并降低了成本。這種建模方法對(duì)先進(jìn)制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意、制造業(yè)信息化工程等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了較大的影響?，F(xiàn)如今三維掃描逆向建模已經(jīng)遍布全球，我們的高校教學(xué)工作也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，開展三維逆向建模實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力非常重要，因此高校開展逆向建模實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)迫在眉睫。

一、正向三維建模的教學(xué)現(xiàn)狀

三維建模軟件的學(xué)習(xí)一直以來深受高校機(jī)械類專業(yè)的重視，被規(guī)劃為必修課，要求學(xué)生掌握基本的三維建模方法，增強(qiáng)學(xué)生的機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)繪圖、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造、空間想象等方面的能力。三維建模技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)是從根本性地改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝的新產(chǎn)品開發(fā)，是從無到有的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。常用的三維建模軟件有Pro/E，Solid Works，CATIA，UG等，大多數(shù)高校選擇其中具有代表性的建模軟件Pro/E作為教學(xué)軟件。

三維建模軟件的教學(xué)方式近些年也有了很大的改進(jìn)，由早期的填鴨式單一教育方式改革到課前的相關(guān)小視頻引入、課堂上的分小組討論建模方案等先進(jìn)的教學(xué)方式來激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性，還有部分老師以讓學(xué)生參加競(jìng)賽的方式激勵(lì)學(xué)生自學(xué)相關(guān)三維建模軟件。通過查找資料及對(duì)湖北部分高校調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，正向三維建模的教學(xué)方式已經(jīng)相對(duì)成熟，而逆向三維建模教學(xué)在高校還未全面推進(jìn)。

二、逆向三維建模

逆向三維建模是近年興起的三維建模方式，它借助于三維掃描儀將復(fù)雜的實(shí)物樣品通過光柵測(cè)量的方式采集樣品各尺寸到電腦軟件內(nèi)，然后經(jīng)過后處理得到樣品的三維模型。

逆向建模特別適用于復(fù)雜自由曲面的逆向模型，主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)（RD）、逆向工程（RE）。逆向三維掃描操作簡(jiǎn)單、輸出數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)，可與Geomagic、Polyworks、Rapidform、Im-ageware、UG、Pro/e、CATIA等軟件進(jìn)行直接數(shù)據(jù)交換。這種三維建模方式可以降低成本并且高效率的制造出原型產(chǎn)品模型，進(jìn)而研究開發(fā)新的產(chǎn)品，目前采用此技術(shù)進(jìn)行開發(fā)新產(chǎn)品的企業(yè)已經(jīng)遍布全球。

然而目前較少有高校給學(xué)生提出逆向三維建模的概念，開設(shè)逆向三維建模教學(xué)的學(xué)校更少。通過以武漢科技大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械專業(yè)學(xué)生的三維實(shí)踐教學(xué)為基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們對(duì)于簡(jiǎn)單的三維正向建模能較好的掌握，但復(fù)雜的正向三維模型設(shè)計(jì)會(huì)讓大部分學(xué)生有挫敗感，從而產(chǎn)生厭學(xué)傾向。而逆向三維建模學(xué)生可將復(fù)雜的三維模型通過三維掃描快速便捷的獲取，然后經(jīng)過逆向三維建模來設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品模型，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模的積極性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于三維建模技能掌握的成就感，由此產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，也能讓學(xué)生適應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展。因此，為了讓學(xué)生能更好的掌握三維建模技能，適應(yīng)社會(huì)企業(yè)快速開發(fā)、創(chuàng)新產(chǎn)品的工作速度，廣泛開設(shè)逆向建模實(shí)踐教學(xué)課程是很有必要的。

三、正向與逆向相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)

以機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為契機(jī)，選擇八名機(jī)械專業(yè)本科大二的學(xué)生作為三維建模實(shí)踐教學(xué)對(duì)象。整體教學(xué)安排是首先教學(xué)三維軟件Pro/E的基本三維建模方法，給學(xué)生留出一定的時(shí)間消化吸收Pro/E的操作規(guī)律；然后開始教學(xué)復(fù)雜曲面的建模方法，讓學(xué)生畫一個(gè)哆啦A夢(mèng)笑臉的模型，完成正像三維建模的教學(xué)工作；接著開始三維逆向建模教學(xué)，以笑臉哆啦A夢(mèng)為例，首先用藍(lán)光三維掃描儀掃描實(shí)物模型哆啦A夢(mèng)，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)用Geomagic Studio進(jìn)行處理，得到哆啦A夢(mèng)的三維模型；最后用Geomagic Design Direct或UG進(jìn)行創(chuàng)新修改設(shè)計(jì)，如將笑臉哆啦A夢(mèng)造型用UG修改為難過的哆啦A夢(mèng)造型。整體教學(xué)流程如圖1所示。

經(jīng)過對(duì)正向、逆向三維建模的整體實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生們對(duì)三維建模有了更多的了解，對(duì)于建模方法的選擇有了清楚的認(rèn)識(shí)。對(duì)比兩種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)生課自主選擇建模方式，簡(jiǎn)單的三維模型采用正向建模更省時(shí)，復(fù)雜的三維模型根據(jù)需要可以選擇逆向建模的方式，能有更多創(chuàng)新設(shè)計(jì)的時(shí)間與空間，學(xué)生們對(duì)未來機(jī)械設(shè)計(jì)工作的學(xué)習(xí)生活更有信心，對(duì)三維建模的學(xué)習(xí)更感興趣。

四、結(jié)語：

正向與逆向三維建模的結(jié)合不僅有利于增加學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模的興趣，也開拓了學(xué)生的眼界。這種三維建模實(shí)踐教學(xué)方式讓學(xué)生自己認(rèn)識(shí)到兩種不同的建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，自主選擇不同的建模方式來達(dá)到相同的建模效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平，而不用傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式去禁錮學(xué)生的創(chuàng)新思維。