逆向设计技术在SolidWorks软件课程中的应用

来源:用户上传      作者:李晶晶 王琛

　　摘  要： SolidWorks软件是产品设计专业必修的三维建模软件之一。将逆向设计技术应用于Solidworks软件的课程教学中，在培养学生正向建模思维和技能的同时，配合施以逆向设计训练，锻炼逆向设计技能。使学生掌握产品建模中的正逆向设计方法，实现灵活运用。
　　关键词： 逆向设计;三维建模;课程应用
　　中图分类号： TP39    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.013
　　本文著录格式：李晶晶，王琛. 逆向设计技术在SolidWorks软件课程中的应用[J]. 软件，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軟件是集实体建模、曲面造型、模型装配和工程出图等多个模块于一体的三维设计软件[1]。以其强大的功能和实用性在中小型制造企业中有广泛的应用[2]。Solidworks软件课程也是产品设计、工业设计专业必修的建模课程之一，国内很多高校的产品设计、工业设计专业均开设了《计算机辅助产品设计》、《SolidWorks产品设计》等相关课程[3]。在突出以设计实战技能为核心的工业设计课程体系中，SolidWorks软件是课程的基石[4]。SolidWorks软件课程主要培训的是正向建模的思维和技能[5]，软件教学时主要从实体建模、模型装配、曲面建模和工程出图等模块出发，对学生的建模技能进行培训[6]。然而，对于一些较为复杂的模型：例如异形产品的复杂曲面，很难通过正向建模的方法得以实现[7]。因此，需要引入逆向设计的方法，主要应用软件为Geomagic Wrap和Geomagic DesignX[8]。
　　逆向设计技术是图形处理技术、数据处理技术、测量技术和加工技术相结合的技术[9]。近年来，逆向设计技术在各类产品的设计开发中得到越来越多的应用[10]。所谓逆向设计是将三维扫描设备获取的实物样件表面或内腔的三维点云数据，输入至封装软件（Geomagic Wrap）和逆向设计软件（Geomagic DesignX）中进行三维重构，复现出实物样件的三维实体数据[11]，并可在此基础上进行原样修改和再设计的过程[12]。本文将逆向设计方法引入到SolidWorks软件教学中，在培训学生正向建模思维和技能的同时，配合施以逆向设计培训，锻炼逆向设计技能，从而使学生掌握产品建模中的正逆向设计方法，提高了学生的职业技能和创新能力[13]。逆向设计技术是将逆向设计技术在SolidWorks三维建模课程中的应用实例如下：
　　1  项目设计
　　项目设计是课程教与学的基础，引入逆向设计的SolidWorks课程的项目设计从两方面出发：一是培养学生的正向建模技能，二是培养学生的逆向设计思维。项目选用的模型实例为：带有支撑装置的风扇。包含风扇叶轮、叶轮轴和风扇支架三个部分。其中逆向设计的部分为风扇叶轮。学生可根据提供的风扇模型，通过三维扫描仪获取点云数据后对风扇模型进行逆向设计。正向建模的部分包含：一个与风扇叶轮配合的轴，以及连接轴的风扇支架。并进行装配，以实现风扇叶轮的转动。正向设计和建模的过程具有开放性，风扇支架的造型和功能由学生自行设计，设计方案自定。最终通过3D打印快速成型制作出风扇叶轮、叶轮轴和支架的实物，完成装配效果的展示。
　　2  正向设计过程
　　正向设计和建模的过程是对学生SolidWorks软件综合应用技能的考察[14]。正向设计和建模过程中，叶轮轴的尺寸需要对叶轮连轴孔的直径进行测绘，风扇支架也需要设计同直径的连轴孔与叶轮轴进行装配[15]。风扇支架的设计还包含了造型设计、结构设计和功能设计等方面。对于软件应用熟练的学生，可以使用曲面设计、模型装配等模块的功能和命令;对于软件应用生疏的学生，只能使用基础实体建模的命令。正向设计结束的模型分别保存为零件，并导出STL文件。由于本项目是开放式命题，可以全面而有效的考察学生已经掌握的SolidWorks软件操作技能，以及工业设计的综合能力。
　　3  逆向设计过程
　　逆向设计过程是对学生逆向设计全流程应用技能的考察。逆向设计风扇叶轮前需要对叶轮模型进行逆向扫描，扫描使用的是光栅式三维扫描仪。扫描前需要对模型进行贴点处理。在模型表面V字型随机贴点，贴点后将模型放置于平整的扫描平台上[16]。转动扫描平台，多次扫描，获得模型的点云数据。将扫描好的模型点云数据导入Geomagic Wrap软件中进行降噪，去杂点处理。对处理后的点云模型进行封装，保存为STL格式。随后，将STL文件导入至Geomagic DesignX软件中进行逆向设计。逆向设计的过程是对封装模型进行实体和曲面拟合的过程，实体拟合通过轮廓草图和实体命令来实现，曲面拟合采用复杂曲面拟合的方法来实现[17]。完成一个叶片的逆向设计后阵列得到其余叶片，并保存为STL文件。本项目中逆向设计过程主要是对学生逆向设计全流程的训练和考察，通过对逆向设计全流程的体验，可以让学生熟悉逆向设计方法，掌握逆向设计技能。 　　4  模型制作与装配
　　正逆向设计过程中保存的STL模型，最终通过3D打印快速成型制作出来[18]。优先选用熔融沉积（FDM）快速成型工艺进行模型制作，此快速成型工艺具有效率高、成本低、精度较高等特点。对于正逆向设计过程中，模型各部分零件尺寸的匹配和装配功能的实现，可以通过3D打印出的实物模型来进行验证[19]。同时，3D打印过程也是数字化设计与制造过程的最后一步。经过三维扫描、逆向设计、正向设计、正向建模和3D打印，学生参与了三维数字化设计与制造的全流程，锻炼了学生的3D思维和三维数字化应用技能[20]。提高了职业能力和创新意识。同时，教师将先进且实用的技术与专业学科进行交叉结合，对实践教学进行不断的设计和改革，实现了实践教学良性的循环发展。
　　5  总结
　　随着逆向设计技术和三维建模技术的不断发展，其在高校课堂中的应用越来越多。本文通过改变传统SolidWorks软件教学的思维，在培养学生正向建模思维和技能的同时，配合施以逆向设计训练，锻炼逆向设计技能。使学生掌握产品建模中的正逆向设计方法。培养了学生的创新思维和设计能力，提高了学生的工程实践能力，推动了应用型人才的塑造。
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