基于案例的逆向工程与快速制造教学改革及其效果研究

聂文忠+荆学东+李国华

【摘要】研究提出以案例为导向，理论与实践相结合的实践教学方法，通过激光三维扫描仪提取扫描件的点云数据，利用Gemogic逆向工程软件完成模型的重建，最后利用3D打印技术完成模型的制作。通过两届学生对比研究，基于案例的实践教学，可以在理论与实际动手能力方面提高教学效果。

【关键词】逆向工程；快速制造；案例；教学改革

一、序言

随着工业技术的快速发展，传统的产品设计开发模式及其开发周期已经满足不了市场竞争的需求。为了响应市场要求，提高产品开发速度，缩短开发周期，近十几年来，逆向工程与快速制造技术越来越受到企业的青睐。因此，现在越来越多的高校为本科生和研究生开设逆向工程与快速制造的课程。但如何有效提高逆向工程和快速制造技术的教学效果一直是众多教师探索的课题。本研究基于实际案例，利用实验室硬件条件获取实物的三维点云数据，再采用逆向工程软件对点云模型进行三维重建，最后利用3D打印设备完成实物制作。在这整个过程中结合设备重建过程和3D制作过程，分别讲授逆向工程原理、点云数据重建相关理论和3D打印原理[1]，目的是提高学生对逆向工程和快速制造技术的理论知识水平及动手能力，使其真正掌握这两种实用性很强的技术。

二、基于VIVID 9i激光扫描仪的点云数据获取

逆向工程是指以先进产品设备的实物或影像作为研究对象，用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据或影像数据通过三维几何建模方法重构实物CAD模型的过程。

（一）点云数据采集

数据采集和模型重建是逆向工程中的关键技术。在实验中首先要根据实物模型的自身特性、精度要求、制造材质等多项因素选择合适的数字化设备，完成模型表面数字化。目前，用来采集实物表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。比较常见的分类方法比较统一，即根据测量探头是否接触零件表面，将采集方法基本上分类为接触式采集和非接触式采集两大类。非接触式测量已逐渐成为主流方法。测量方法的每一类别又可分为许多种方法。

1.接触式数据采集方法。基于力的变形原理，接触式数据测量可分为触发式和连续式两类。接触式测量设备包括三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，CMM）和关节臂测量机。在接触式测量方法中，CMM是应用最为广泛的一种测量设备。

2.非接触式数据采集方法。随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展。该技术根据光学、声学、磁学等领域中的基本原理，通过适当的算法将一定的物理模拟量转化为样件表面的坐标点。非接触式可以很好地克服由于机械接触式测量存在的许多的系统误差，主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等[2]。

3.点云数据获取。本研究采用日本美能达公司的VIVID 9i设备对实物进行扫描，该设备是非接触式的激光扫描设备，具有速度快、精度高的特点。

（二）数据处理技术

数据处理是将测得的数据进行优化处理并还原成曲面，包括数据平滑、数据精简、数据插补、数据分割、多视数据对齐等。数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响到后期模型重构的质量[3]。

（三）曲面重构技术

曲面重构是整个逆向工程中最复杂、最关键的一环，它是进行后续结构设计、产品性能分析、生产制造等过程的基础。本案例采用Geomgic逆向工程软件构造参数画曲面完成拟合成NURBS曲面。

三、模型的快速制造

快速成型技术 （RP），是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术。该技术借助计算机、激光、精密传动和数控等手段，集计算机辅助设计和计算机辅助制造于一体，以逐层累积的建造方式在短时间内直接制造产品样品，从而显著地缩短了产品开发的周期，增强了企业的竞争能力。由于使用增材制造技术开发新产品研发费用少，风险低，周期短，现已逐渐成为现代制造技术的重要发展方向之一。

（一） 快速制造技术的原理

快速制造技術是采用离散∕堆积成型的原理，通过离散获得堆积的路径，通过堆积材料叠加起来形成三维实体。其过程是：已具有CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层界面的轮廓，按照这些轮廓，选择性切割每一层，形成各界面并逐步叠加成三维产品[4]。由于增材制造技术把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在没有模具和工具的条件下生成任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性[5]。

快速制造技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：三维模型构造、近似处理、切片处理、堆积成形、后处理等。增材制造过程如图所示。

（二）增材制造技术的制造工艺

随着 CAD 建模和光机电一体化技术的发展，增材制造技术的工艺方法发展很快，按照所用材料和建造技术的不同，目前投入应用的已有十余种工艺方法。其中发展较为成熟的主要有以下五种类型[5]：光固化立体造型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积造型（FDM）、三维打印（3DP）技术。其中，3D打印已经成为最近几年最热门和发展最为迅速的工艺方法之一。下面将分别介绍它们的成型原理与特点。

1.光固化立体造型（SLA）。SLA是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种RPT，也称液态光敏树脂选择性固化，以美国3D Systems公司生产的SLA系列成型机为代表。SLA是基于液态光敏树脂的光聚合原理，通过计算机来控制紫外光灯或激光使其固化成型。SLA成型方法简单、尺寸精度较高，但成型中有相的变化，翘曲变形较大，需要支撑结构。另外，SLA原材料有污染，气味很大，不利于健康。

2.分层实体制造（LOM）。LOM采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一层热熔胶，加工时用CO2激光器或刀具在计算机控制下进行切割，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型。LOM工艺翘曲变形小，成型时无需加支撑，但是，材料浪费大，且清除废料困难。

3.选择性激光烧结（SLS）。SLS工艺利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。其成型材料包括蜡粉、聚苯乙烯（PS）、工程塑料（ABS）等，近年来更多地采用复合粉末，粉粒直径为50?m～125?m。

4.熔融沉积造型（FDM）。熔融沉积法又被称为熔丝沉积法，是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在PLC控制下逐层堆积成型的一种方法。FDM工艺采用热塑性材料，如ABS、蜡、尼龙等，一般以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化后，从小孔挤出堆积成形。

四、基于实例教学改革的效果讨论

基于案例的实践教学，把原来比例抽象枯燥的理论教学部分融入实践环节中，可以极大地提高学生的学习积极性。逆向工程中的数据获取技术、图像处理技术及其模型重建技术涉及很多方面的知识，如计算机图形學、微分几何、图像处理等一些比较高深难懂的理论。实例教学结合硬件可以把这些抽象的理论知识在实践环节中简化，使学生更易理解和掌握。在快速制造环节中，包括机电控制技术、材料科学、计算机软件技术和数控技术等方面的知识，学生通过实践可以在实际的一层一层的快速制造中掌握这些理论知识。

通过对两届学生的理论考试和实际动手制作的实物可以看到，安全教学改革取得了以下几方面的效果。

改变了以前灌输式的理论教学，尤其之前一些难懂的理论课程，学生不易理解，教学效果很差。通过案例教学，采用互动和实践相结合的方式，学生更容易理解以前难理解的一些理论问题。

实际动手使学生的学习积极性得到了提高，学习的创造性思维得到了释放。通过对比以前的实物制作水平，发现案例教学后的学生作品明显好于以前。

通过案例教学，教师认识到可以根据不同课程的特点，以实践为先导，在实践中让学生理解理论知识，可以取得更好的理论教学效果。

【参考文献】

[1]刘伟军，孙玉文.逆向工程：原理、方法及应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]韦焜程.模具设计制造中逆向工程技术的应用[J].装备制造技术， 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.快速成型与快速制造技术[M].北京：国防工业出版社，2003：30-32.

[5]李玉蓉.快速成型技术的应用[J].科技信息， 2011 （13）： 95.