逆向設(shè)計(jì)技術(shù)在SolidWorks軟件課程中的應(yīng)用

李晶晶 王琛

摘 ?要： SolidWorks軟件是產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)必修的三維建模軟件之一。將逆向設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于Solidworks軟件的課程教學(xué)中，在培養(yǎng)學(xué)生正向建模思維和技能的同時(shí)，配合施以逆向設(shè)計(jì)訓(xùn)練，鍛煉逆向設(shè)計(jì)技能。使學(xué)生掌握產(chǎn)品建模中的正逆向設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)用。

關(guān)鍵詞： 逆向設(shè)計(jì);三維建模;課程應(yīng)用

中圖分類號： TP39 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.013

本文著錄格式：李晶晶，王琛. 逆向設(shè)計(jì)技術(shù)在SolidWorks軟件課程中的應(yīng)用[J]. 軟件，2020，41（09）：4950

【Abstract】： SolidWorks software is one of the compulsory 3D modeling software for product design majors. Applying reverse design technology to the course teaching of Solidworks software， while cultivating students forward modeling thinking and skills， it also cooperates with reverse design training to exercise reverse design skills. Enable students to master the forward and reverse design methods in product modeling and realize flexible use.

【Key words】： Reverse design; Three-dimensional modeling; Curriculum application

0 ?引言

SolidWorks軟件是集實(shí)體建模、曲面造型、模型裝配和工程出圖等多個(gè)模塊于一體的三維設(shè)計(jì)軟件[1]。以其強(qiáng)大的功能和實(shí)用性在中小型制造企業(yè)中有廣泛的應(yīng)用[2]。Solidworks軟件課程也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)必修的建模課程之一，國內(nèi)很多高校的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)均開設(shè)了《計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)》、《SolidWorks產(chǎn)品設(shè)計(jì)》等相關(guān)課程[3]。在突出以設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)技能為核心的工業(yè)設(shè)計(jì)課程體系中，SolidWorks軟件是課程的基石[4]。SolidWorks軟件課程主要培訓(xùn)的是正向建模的思維和技能[5]，軟件教學(xué)時(shí)主要從實(shí)體建模、模型裝配、曲面建模和工程出圖等模塊出發(fā)，對學(xué)生的建模技能進(jìn)行培訓(xùn)[6]。然而，對于一些較為復(fù)雜的模型：例如異形產(chǎn)品的復(fù)雜曲面，很難通過正向建模的方法得以實(shí)現(xiàn)[7]。因此，需要引入逆向設(shè)計(jì)的方法，主要應(yīng)用軟件為Geomagic Wrap和Geomagic DesignX[8]。

逆向設(shè)計(jì)技術(shù)是圖形處理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、測量技術(shù)和加工技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)[9]。近年來，逆向設(shè)計(jì)技術(shù)在各類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中得到越來越多的應(yīng)用[10]。所謂逆向設(shè)計(jì)是將三維掃描設(shè)備獲取的實(shí)物樣件表面或內(nèi)腔的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，輸入至封裝軟件（Geomagic Wrap）和逆向設(shè)計(jì)軟件（Geomagic DesignX）中進(jìn)行三維重構(gòu)，復(fù)現(xiàn)出實(shí)物樣件的三維實(shí)體數(shù)據(jù)[11]，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行原樣修改和再設(shè)計(jì)的過程[12]。本文將逆向設(shè)計(jì)方法引入到SolidWorks軟件教學(xué)中，在培訓(xùn)學(xué)生正向建模思維和技能的同時(shí)，配合施以逆向設(shè)計(jì)培訓(xùn)，鍛煉逆向設(shè)計(jì)技能，從而使學(xué)生掌握產(chǎn)品建模中的正逆向設(shè)計(jì)方法，提高了學(xué)生的職業(yè)技能和創(chuàng)新能力[13]。逆向設(shè)計(jì)技術(shù)是將逆向設(shè)計(jì)技術(shù)在SolidWorks三維建模課程中的應(yīng)用實(shí)例如下：

1 ?項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)是課程教與學(xué)的基礎(chǔ)，引入逆向設(shè)計(jì)的SolidWorks課程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)從兩方面出發(fā)：一是培養(yǎng)學(xué)生的正向建模技能，二是培養(yǎng)學(xué)生的逆向設(shè)計(jì)思維。項(xiàng)目選用的模型實(shí)例為：帶有支撐裝置的風(fēng)扇。包含風(fēng)扇葉輪、葉輪軸和風(fēng)扇支架三個(gè)部分。其中逆向設(shè)計(jì)的部分為風(fēng)扇葉輪。學(xué)生可根據(jù)提供的風(fēng)扇模型，通過三維掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后對風(fēng)扇模型進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。正向建模的部分包含：一個(gè)與風(fēng)扇葉輪配合的軸，以及連接軸的風(fēng)扇支架。并進(jìn)行裝配，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉輪的轉(zhuǎn)動。正向設(shè)計(jì)和建模的過程具有開放性，風(fēng)扇支架的造型和功能由學(xué)生自行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案自定。最終通過3D打印快速成型制作出風(fēng)扇葉輪、葉輪軸和支架的實(shí)物，完成裝配效果的展示。

2 ?正向設(shè)計(jì)過程

正向設(shè)計(jì)和建模的過程是對學(xué)生SolidWorks軟件綜合應(yīng)用技能的考察[14]。正向設(shè)計(jì)和建模過程中，葉輪軸的尺寸需要對葉輪連軸孔的直徑進(jìn)行測繪，風(fēng)扇支架也需要設(shè)計(jì)同直徑的連軸孔與葉輪軸進(jìn)行裝配[15]。風(fēng)扇支架的設(shè)計(jì)還包含了造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)等方面。對于軟件應(yīng)用熟練的學(xué)生，可以使用曲面設(shè)計(jì)、模型裝配等模塊的功能和命令;對于軟件應(yīng)用生疏的學(xué)生，只能使用基礎(chǔ)實(shí)體建模的命令。正向設(shè)計(jì)結(jié)束的模型分別保存為零件，并導(dǎo)出STL文件。由于本項(xiàng)目是開放式命題，可以全面而有效的考察學(xué)生已經(jīng)掌握的SolidWorks軟件操作技能，以及工業(yè)設(shè)計(jì)的綜合能力。

3 ?逆向設(shè)計(jì)過程

逆向設(shè)計(jì)過程是對學(xué)生逆向設(shè)計(jì)全流程應(yīng)用技能的考察。逆向設(shè)計(jì)風(fēng)扇葉輪前需要對葉輪模型進(jìn)行逆向掃描，掃描使用的是光柵式三維掃描儀。掃描前需要對模型進(jìn)行貼點(diǎn)處理。在模型表面V字型隨機(jī)貼點(diǎn)，貼點(diǎn)后將模型放置于平整的掃描平臺上[16]。轉(zhuǎn)動掃描平臺，多次掃描，獲得模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將掃描好的模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中進(jìn)行降噪，去雜點(diǎn)處理。對處理后的點(diǎn)云模型進(jìn)行封裝，保存為STL格式。隨后，將STL文件導(dǎo)入至Geomagic DesignX軟件中進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。逆向設(shè)計(jì)的過程是對封裝模型進(jìn)行實(shí)體和曲面擬合的過程，實(shí)體擬合通過輪廓草圖和實(shí)體命令來實(shí)現(xiàn)，曲面擬合采用復(fù)雜曲面擬合的方法來實(shí)現(xiàn)[17]。完成一個(gè)葉片的逆向設(shè)計(jì)后陣列得到其余葉片，并保存為STL文件。本項(xiàng)目中逆向設(shè)計(jì)過程主要是對學(xué)生逆向設(shè)計(jì)全流程的訓(xùn)練和考察，通過對逆向設(shè)計(jì)全流程的體驗(yàn)，可以讓學(xué)生熟悉逆向設(shè)計(jì)方法，掌握逆向設(shè)計(jì)技能。

4 ?模型制作與裝配

正逆向設(shè)計(jì)過程中保存的STL模型，最終通過3D打印快速成型制作出來[18]。優(yōu)先選用熔融沉積（FDM）快速成型工藝進(jìn)行模型制作，此快速成型工藝具有效率高、成本低、精度較高等特點(diǎn)。對于正逆向設(shè)計(jì)過程中，模型各部分零件尺寸的匹配和裝配功能的實(shí)現(xiàn)，可以通過3D打印出的實(shí)物模型來進(jìn)行驗(yàn)證[19]。同時(shí)，3D打印過程也是數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造過程的最后一步。經(jīng)過三維掃描、逆向設(shè)計(jì)、正向設(shè)計(jì)、正向建模和3D打印，學(xué)生參與了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的全流程，鍛煉了學(xué)生的3D思維和三維數(shù)字化應(yīng)用技能[20]。提高了職業(yè)能力和創(chuàng)新意識。同時(shí)，教師將先進(jìn)且實(shí)用的技術(shù)與專業(yè)學(xué)科進(jìn)行交叉結(jié)合，對實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行不斷的設(shè)計(jì)和改革，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)良性的循環(huán)發(fā)展。

5 ?總結(jié)

隨著逆向設(shè)計(jì)技術(shù)和三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展，其在高校課堂中的應(yīng)用越來越多。本文通過改變傳統(tǒng)SolidWorks軟件教學(xué)的思維，在培養(yǎng)學(xué)生正向建模思維和技能的同時(shí)，配合施以逆向設(shè)計(jì)訓(xùn)練，鍛煉逆向設(shè)計(jì)技能。使學(xué)生掌握產(chǎn)品建模中的正逆向設(shè)計(jì)方法。培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和設(shè)計(jì)能力，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，推動了應(yīng)用型人才的塑造。

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