李晶晶 王琛
摘 要： SolidWorks軟體是產品設計專業必修的三維建模軟體之一。將逆向設計技術應用於Solidworks軟體的課程教學中，在培養學生正向建模思維和技能的同時，配合施以逆向設計訓練，鍛鍊逆向設計技能。使學生掌握產品建模中的正逆向設計方法，實現靈活運用。
關鍵詞： 逆向設計;三維建模;課程應用
中圖分類號： TP39 文獻標識碼： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.013
本文著錄格式：李晶晶，王琛. 逆向設計技術在SolidWorks軟體課程中的應用[J]. 軟體，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軟體是集實體建模、曲面造型、模型裝配和工程出圖等多個模塊於一體的三維設計軟體[1]。以其強大的功能和實用性在中小型製造企業中有廣泛的應用[2]。Solidworks軟體課程也是產品設計、工業設計專業必修的建模課程之一，國內很多高校的產品設計、工業設計專業均開設了《計算機輔助產品設計》、《SolidWorks產品設計》等相關課程[3]。在突出以設計實戰技能為核心的工業設計課程體系中，SolidWorks軟體是課程的基石[4]。SolidWorks軟體課程主要培訓的是正向建模的思維和技能[5]，軟體教學時主要從實體建模、模型裝配、曲面建模和工程出圖等模塊出發，對學生的建模技能進行培訓[6]。然而，對於一些較為複雜的模型：例如異形產品的複雜曲面，很難通過正向建模的方法得以實現[7]。因此，需要引入逆向設計的方法，主要應用軟體為Geomagic Wrap和Geomagic DesignX[8]。
逆向設計技術是圖形處理技術、數據處理技術、測量技術和加工技術相結合的技術[9]。近年來，逆向設計技術在各類產品的設計開發中得到越來越多的應用[10]。所謂逆向設計是將三維掃描設備獲取的實物樣件表面或內腔的三維點雲數據，輸入至封裝軟體（Geomagic Wrap）和逆向設計軟體（Geomagic DesignX）中進行三維重構，復現出實物樣件的三維實體數據[11]，並可在此基礎上進行原樣修改和再設計的過程[12]。本文將逆向設計方法引入到SolidWorks軟體教學中，在培訓學生正向建模思維和技能的同時，配合施以逆向設計培訓，鍛鍊逆向設計技能，從而使學生掌握產品建模中的正逆向設計方法，提高了學生的職業技能和創新能力[13]。逆向設計技術是將逆向設計技術在SolidWorks三維建模課程中的應用實例如下：
1 項目設計
項目設計是課程教與學的基礎，引入逆向設計的SolidWorks課程的項目設計從兩方面出發：一是培養學生的正向建模技能，二是培養學生的逆向設計思維。項目選用的模型實例為：帶有支撐裝置的風扇。包含風扇葉輪、葉輪軸和風扇支架三個部分。其中逆向設計的部分為風扇葉輪。學生可根據提供的風扇模型，通過三維掃描儀獲取點雲數據後對風扇模型進行逆向設計。正向建模的部分包含：一個與風扇葉輪配合的軸，以及連接軸的風扇支架。並進行裝配，以實現風扇葉輪的轉動。正向設計和建模的過程具有開放性，風扇支架的造型和功能由學生自行設計，設計方案自定。最終通過3D列印快速成型製作出風扇葉輪、葉輪軸和支架的實物，完成裝配效果的展示。
2 正向設計過程
正向設計和建模的過程是對學生SolidWorks軟體綜合應用技能的考察[14]。正向設計和建模過程中，葉輪軸的尺寸需要對葉輪連軸孔的直徑進行測繪，風扇支架也需要設計同直徑的連軸孔與葉輪軸進行裝配[15]。風扇支架的設計還包含了造型設計、結構設計和功能設計等方面。對於軟體應用熟練的學生，可以使用曲面設計、模型裝配等模塊的功能和命令;對於軟體應用生疏的學生，只能使用基礎實體建模的命令。正向設計結束的模型分別保存為零件，並導出STL文件。由於本項目是開放式命題，可以全面而有效的考察學生已經掌握的SolidWorks軟體操作技能，以及工業設計的綜合能力。
3 逆向設計過程
逆向設計過程是對學生逆向設計全流程應用技能的考察。逆向設計風扇葉輪前需要對葉輪模型進行逆向掃描，掃描使用的是光柵式三維掃描儀。掃描前需要對模型進行貼點處理。在模型表面V字型隨機貼點，貼點後將模型放置於平整的掃描平台上[16]。轉動掃描平台，多次掃描，獲得模型的點雲數據。將掃描好的模型點雲數據導入Geomagic Wrap軟體中進行降噪，去雜點處理。對處理後的點雲模型進行封裝，保存為STL格式。隨後，將STL文件導入至Geomagic DesignX軟體中進行逆向設計。逆向設計的過程是對封裝模型進行實體和曲面擬合的過程，實體擬合通過輪廓草圖和實體命令來實現，曲面擬合採用複雜曲面擬合的方法來實現[17]。完成一個葉片的逆向設計後陣列得到其餘葉片，並保存為STL文件。本項目中逆向設計過程主要是對學生逆向設計全流程的訓練和考察，通過對逆向設計全流程的體驗，可以讓學生熟悉逆向設計方法，掌握逆向設計技能。
4 模型製作與裝配
正逆向設計過程中保存的STL模型，最終通過3D列印快速成型製作出來[18]。優先選用熔融沉積（FDM）快速成型工藝進行模型製作，此快速成型工藝具有效率高、成本低、精度較高等特點。對於正逆向設計過程中，模型各部分零件尺寸的匹配和裝配功能的實現，可以通過3D列印出的實物模型來進行驗證[19]。同時，3D列印過程也是數字化設計與製造過程的最後一步。經過三維掃描、逆向設計、正向設計、正向建模和3D列印，學生參與了三維數字化設計與製造的全流程，鍛鍊了學生的3D思維和三維數字化應用技能[20]。提高了職業能力和創新意識。同時，教師將先進且實用的技術與專業學科進行交叉結合，對實踐教學進行不斷的設計和改革，實現了實踐教學良性的循環發展。
5 總結
隨著逆向設計技術和三維建模技術的不斷發展，其在高校課堂中的應用越來越多。本文通過改變傳統SolidWorks軟體教學的思維，在培養學生正向建模思維和技能的同時，配合施以逆向設計訓練，鍛鍊逆向設計技能。使學生掌握產品建模中的正逆向設計方法。培養了學生的創新思維和設計能力，提高了學生的工程實踐能力，推動了應用型人才的塑造。
參考文獻
[1]瞿娟， 郁舒蘭. 表情包的形態語義分析和認知[J]. 戲劇之家， 2019（04）： 222-223.
[2]第燁， 靳文奎. 基於老年人懷舊傾向的交互產品設計研究[J]. 戲劇之家， 2019（14）： 141-143.
[3]高玲玲， 徐偉. 縮短有限定製沙發平均生產周期的方法研究[J]. 家具， 2019， 41（2）： 13-17.
[4]周吉顏， 閆小星， 彭文文. 基於智能化理念的衣櫥設計探究[J]. 藝術科技， 2019， 32（09）： 58.
[5]李思熠， 閆小星， 彭文文. 家具中藤材料的運用研究[J]. 藝術科技， 2019， 32（09）： 61.
[6]蘇小卿， 閆小星， 彭文文. 情感化的適老家具設計[J]. 藝術科技， 2019， 32（09）： 65.
[7]徐然， 祁憶青. 天然染料研究及應用於木材染色的探討[J]. 家具， 2019， 40（06）： 5-8.
[8]李瑤瑤， 祁憶青. 香樟果色素上染木單板的染色性能[J]. 林業工程學報， 2019， 4（06）： 62-68.
[9]姚月姝， 祁憶青， 王丹. 冬季室內有害揮發物釋放特徵及防治措施[J]. 家具， 2018， 39（02）： 11-14+23.
[10]施嘉維， 祁憶青， 黃瓊濤， 等. 貼面用薄木拼花工藝數控化探索與分析[J]. 家具與室內裝飾， 2018（01）： 106- 109.
[11]談梅霞， 祁憶青. 常見的甲醛含量檢測方法研究[J]. 家具與室內裝飾， 2017（04）： 84-85.
[12]閆小星， 錢星雨， 張岱遠， 等. 矽烷偶聯劑改性水性UV木器面漆性能研究[J]. 林業工程學報， 2018， 3（02）： 149-152.
[13]閆小星， 錢星雨， 張岱遠， 等. 環氧生漆在水曲柳木材上的塗飾工藝研究[J]. 林產工業， 2018， 45（01）： 27-29+52.
[14]邊鋆， 閆小星， 張嘉鈺. 具象化設計下的新中式兒童官帽椅[J]. 戲劇之家， 2019（28）： 119.
[15]孔璋倩， 閆小星， 尹太玉， 等. 生態設計在宋代家具中的應用——以劉松年椅為例[J]. 藝術科技， 2019， 32（12）： 55.
[16]錢雅琦， 閆小星， 彭文文. 論「成癮」設計[J]. 藝術科技， 2019， 32（11）： 59.
[17]鄧曉瑜， 閆小星， 尹太玉， 等. 淺析回收材料再利用的創新家具設計[J]. 藝術科技， 2019， 32（10）： 31.
[18]吳雅竹， 閆小星， 彭文文. 市面上兒童家具所存在的問題研究[J]. 藝術科技， 2019， 32（09）： 48.
[19]瞿娟， 郁舒蘭. 基於用戶體驗的快消品設計研究[J]. 戲劇之家， 2019（05）： 115-117.
[20]李爽， 徐偉. 板式家具生產物流管理研究[J]. 家具與室內裝飾， 2019（11）： 66-67.
摘 要： SolidWorks軟體是產品設計專業必修的三維建模軟體之一。將逆向設計技術應用於Solidworks軟體的課程教學中，在培養學生正向建模思維和技能的同時，配合施以逆向設計訓練，鍛鍊逆向設計技能。使學生掌握產品建模中的正逆向設計方法，實現靈活運用。
關鍵詞： 逆向設計;三維建模;課程應用
中圖分類號： TP39 文獻標識碼： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.013
本文著錄格式：李晶晶，王琛. 逆向設計技術在SolidWorks軟體課程中的應用[J]. 軟體，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軟體是集實體建模、曲面造型、模型裝配和工程出圖等多個模塊於一體的三維設計軟體[1]。以其強大的功能和實用性在中小型製造企業中有廣泛的應用[2]。Solidworks軟體課程也是產品設計、工業設計專業必修的建模課程之一，國內很多高校的產品設計、工業設計專業均開設了《計算機輔助產品設計》、《SolidWorks產品設計》等相關課程[3]。在突出以設計實戰技能為核心的工業設計課程體系中，SolidWorks軟體是課程的基石[4]。SolidWorks軟體課程主要培訓的是正向建模的思維和技能[5]，軟體教學時主要從實體建模、模型裝配、曲面建模和工程出圖等模塊出發，對學生的建模技能進行培訓[6]。然而，對於一些較為複雜的模型：例如異形產品的複雜曲面，很難通過正向建模的方法得以實現[7]。因此，需要引入逆向設計的方法，主要應用軟體為Geomagic Wrap和Geomagic DesignX[8]。
逆向設計技術是圖形處理技術、數據處理技術、測量技術和加工技術相結合的技術[9]。近年來，逆向設計技術在各類產品的設計開發中得到越來越多的應用[10]。所謂逆向設計是將三維掃描設備獲取的實物樣件表面或內腔的三維點雲數據，輸入至封裝軟體（Geomagic Wrap）和逆向設計軟體（Geomagic DesignX）中進行三維重構，復現出實物樣件的三維實體數據[11]，並可在此基礎上進行原樣修改和再設計的過程[12]。本文將逆向設計方法引入到SolidWorks軟體教學中，在培訓學生正向建模思維和技能的同時，配合施以逆向設計培訓，鍛鍊逆向設計技能，從而使學生掌握產品建模中的正逆向設計方法，提高了學生的職業技能和創新能力[13]。逆向設計技術是將逆向設計技術在SolidWorks三維建模課程中的應用實例如下：
1 項目設計
項目設計是課程教與學的基礎，引入逆向設計的SolidWorks課程的項目設計從兩方面出發：一是培養學生的正向建模技能，二是培養學生的逆向設計思維。項目選用的模型實例為：帶有支撐裝置的風扇。包含風扇葉輪、葉輪軸和風扇支架三個部分。其中逆向設計的部分為風扇葉輪。學生可根據提供的風扇模型，通過三維掃描儀獲取點雲數據後對風扇模型進行逆向設計。正向建模的部分包含：一個與風扇葉輪配合的軸，以及連接軸的風扇支架。並進行裝配，以實現風扇葉輪的轉動。正向設計和建模的過程具有開放性，風扇支架的造型和功能由學生自行設計，設計方案自定。最終通過3D列印快速成型製作出風扇葉輪、葉輪軸和支架的實物，完成裝配效果的展示。
2 正向設計過程
正向設計和建模的過程是對學生SolidWorks軟體綜合應用技能的考察[14]。正向設計和建模過程中，葉輪軸的尺寸需要對葉輪連軸孔的直徑進行測繪，風扇支架也需要設計同直徑的連軸孔與葉輪軸進行裝配[15]。風扇支架的設計還包含了造型設計、結構設計和功能設計等方面。對於軟體應用熟練的學生，可以使用曲面設計、模型裝配等模塊的功能和命令;對於軟體應用生疏的學生，只能使用基礎實體建模的命令。正向設計結束的模型分別保存為零件，並導出STL文件。由於本項目是開放式命題，可以全面而有效的考察學生已經掌握的SolidWorks軟體操作技能，以及工業設計的綜合能力。
3 逆向設計過程
逆向設計過程是對學生逆向設計全流程應用技能的考察。逆向設計風扇葉輪前需要對葉輪模型進行逆向掃描，掃描使用的是光柵式三維掃描儀。掃描前需要對模型進行貼點處理。在模型表面V字型隨機貼點，貼點後將模型放置於平整的掃描平台上[16]。轉動掃描平台，多次掃描，獲得模型的點雲數據。將掃描好的模型點雲數據導入Geomagic Wrap軟體中進行降噪，去雜點處理。對處理後的點雲模型進行封裝，保存為STL格式。隨後，將STL文件導入至Geomagic DesignX軟體中進行逆向設計。逆向設計的過程是對封裝模型進行實體和曲面擬合的過程，實體擬合通過輪廓草圖和實體命令來實現，曲面擬合採用複雜曲面擬合的方法來實現[17]。完成一個葉片的逆向設計後陣列得到其餘葉片，並保存為STL文件。本項目中逆向設計過程主要是對學生逆向設計全流程的訓練和考察，通過對逆向設計全流程的體驗，可以讓學生熟悉逆向設計方法，掌握逆向設計技能。
4 模型製作與裝配
正逆向設計過程中保存的STL模型，最終通過3D列印快速成型製作出來[18]。優先選用熔融沉積（FDM）快速成型工藝進行模型製作，此快速成型工藝具有效率高、成本低、精度較高等特點。對於正逆向設計過程中，模型各部分零件尺寸的匹配和裝配功能的實現，可以通過3D列印出的實物模型來進行驗證[19]。同時，3D列印過程也是數字化設計與製造過程的最後一步。經過三維掃描、逆向設計、正向設計、正向建模和3D列印，學生參與了三維數字化設計與製造的全流程，鍛鍊了學生的3D思維和三維數字化應用技能[20]。提高了職業能力和創新意識。同時，教師將先進且實用的技術與專業學科進行交叉結合，對實踐教學進行不斷的設計和改革，實現了實踐教學良性的循環發展。
5 總結
隨著逆向設計技術和三維建模技術的不斷發展，其在高校課堂中的應用越來越多。本文通過改變傳統SolidWorks軟體教學的思維，在培養學生正向建模思維和技能的同時，配合施以逆向設計訓練，鍛鍊逆向設計技能。使學生掌握產品建模中的正逆向設計方法。培養了學生的創新思維和設計能力，提高了學生的工程實踐能力，推動了應用型人才的塑造。
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