《三维扫描与数字化设计A》教学大纲

《三维扫描与数字化设计A》教学大纲课程代码：01150691课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（其中：理论16学时，实验16学时）先修课程：机械制图、三维CAD、机械CAD/CAM等后续课程：无适用专业：机械设计制造及其自动化开课单位：机械工程学院一、课程说明《三维扫描与数字化设计》是机械类专业的一门专业选修课程。本课程的主要任务是讲解数字化扫描与逆向三维建模的关键技术问题，涉及逆向工程技术的基本概念、基本流程和基本方法，三维扫描仪的操作与实践，以及三维数字化模型的逆向重构。通过本课程的理论教学，培养学生在逆向工程方面的基本素养与职业能力，力求使学生领悟与学会应用逆向技术来获取复杂曲面产品的三维数字模型，同时也为后续专业课程的学习以及从事实际工作打下良好的基础。二、课程目标 通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：了解逆向工程工作流程、系统组成及相关概念；掌握三维扫描仪的操作及使用，点云及多边形数据的处理步骤及方法，曲面重构的方法，工业产品数字化设计过程及方法。课程目标2：具备独立思维能力、创新合作、利用逆向工程技术分析解决机械产品设计与制造的能力。课程目标3：能够合理使用技术资料，熟练应用工具软件，遵守工程职业道德和规范，树立工程意识，工匠精神和奉献精神。三、课程目标与毕业要求《三维扫描与数字化设计》课程教学目标对机械设计制造及其自动化、机械电子、智能制造工程本科专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识:能够设计针对复杂智能产品问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。1.1能将数学、自然科学、工程科学等知识用于解决机械设计、机械制造等复杂工程问题。课程目标1：了解逆向工程工作流程、系统组成及相关概念；掌握三维扫描仪的操作及使用，点云及多边形数据的处理步骤及方法，曲面重构的方法，工业产品数字化设计过程及方法。L4.研究分析：能够能够基于科学原理并采用科学方法对复杂机械工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.2能够基于科学原理，采用科学方法对机械零部件、结构、装置、控制系统制定实验方案并实施。课程目标2：具备独立思维能力、创新合作、利用逆向工程技术分析解决机械产品设计与制造的能力。H6.工程与社会：能够基于机械工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。6.2能分析和评价解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，以及这些制约因素对方案实施的影响，并理解应承担的责任。课程目标3：能够合理使用技术资料，熟练应用工具软件，在社会、法律及文化的约束的条件下，制定方案并承担责任。H注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分见表2表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.逆向工程技术及三维扫描数字化技术概述1.1逆向工程技术的发展及其应用范围1.2逆向工程的数据采集设备简介，三维扫描技术工作原理及设备及其他数据采集设备及应用1.3逆向工程技术的基本流程及关键技术介绍1.4逆向工程技术发展状况教学要求：理解逆向工程技术的基本概念、定义；了解实施逆向工程所采用的主要测量设备；理解光栅式扫描仪工作原理；熟悉逆向工程工作流程；了解逆向工程技术发展状况，掌握光栅式扫描仪操作规范与数据采集过程。重点：逆向工程技术的基本概念、定义、工作流程，三维扫描技术工作原理及设备。难点：光栅投影式扫描仪的工作原理与精度标定。281、32.点云处理软件教学2.1点云数据处理背景及特点2.2GeomagicWrap软件界面及基本操作2.3点云处理案例讲解教学要求：理解点云数据优化处理的目的；掌握点云处理软件的基本操作；熟悉点云数据处理的方法。重点：GeomagicWrap软件界面及基本操作。难点：点云数据优化处理技巧及质量评价。201、33.逆向建模软件教学3.1逆向建模软件功能简介3.2GeomagicDesignX软件界面及基本操作3.3逆向建模案例讲解教学要求：理解点云数据优化处理的目的；掌握点云处理软件的基本操作；熟悉点云数据处理的方法。重点：逆向建模软件的基本操作，如坐标系调整、领域组划分、特征曲线拟合、曲面编辑与裁剪等。难点：模型重构技巧与建模思路。421、2、34产品创新设计案例典型工业产品的逆向设计过程与结构创新案例讲解教学要求：了解工业产品设计开发过程中的正逆向建模；理解产品创新设计的概念；熟悉逆向工程技术在行业中的应用。重点:数字化设计中正逆向建模结合应用。难点：产品结构创新设计思路。861、2、3合计16162.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.简单产品的三维数据采集实验内容：对简单产品进行三维扫描实验要求：认知三维扫描仪的结构与原理；熟悉设计的基本操作；熟悉工业产品的扫描前处理操作与技巧；对简单模型进行三维数据采集。412.复杂产品的三维数据采集实验内容：对复杂机械产品进行数据采集。实验要求：掌握三维扫描策略与方案对比分析；对扁平状，结构细小、复杂且完整面较小、较少，对体类，壳体类等产品进行三维扫描；尽可能少贴或者不贴标志点进行产品的三维数据采集；了解点云数据的预处理方法；掌握点云数据处理操作方法，对已扫描产品进行点云数据的处理。414.逆向造型实例操作实验内容：机械产品的逆向处理。实验要求：根据所给的点云数据，按照操作顺序依次完成点云处理，建立坐标系，模型重构。81合计16教学方法及手段理论教学以课堂讲授为主，同时结合慕课、学习通资源，以比赛案例和实践项目为引导，鼓励学生积极参与，完成数据采集技术、数据处理技术、逆向重建技术、创新设计与3D打印整个逆向过程，从而提升学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，以及团队合作交流的能力。在实验环节中，通过教师教学理论的讲解，实际案例演示以及学生动手操作的方法，来完成逆向工程工作的所有流程，培养学生的实际动手能力，激发学生的创新能力。课程资源库1.推荐教材：（1）刘然慧.《3D打印-GeomagicDesignX逆向建模设计实用教程》.化学工业出版社.2017.（2）成思源.《GeomagicDesignX逆向建模技术及应用》.清华大学出版社.2016.2.参考书（1）《逆向工程项目式实训教程》，黄诚驹主编，高等教育出版社，2004年；（2）《逆向工程基础及应用实例教程》，张晋西主编，清华大学出版社，2011年；（3）《逆向工程技术综合实践》，成思源主编，电子工业出版社，2010年；（4）《逆向建模技术与产品创新设计》，张学昌主编，北京大学出版社，2009年；（5）《GeomagicDesignX三维建模案例教程》，杨晓雪主编，机械工业出版社，2016年；（6）《三维数字化建模与逆向工程》，张德海主编，北京大学出版社，2016年。3.期刊（1）周小东，成思源，杨雪荣.面向创新设计的逆向工程技术研究[J].机床与液压.2015,43（19）:25-28.（2）周小东，成思源，杨雪荣，等.基于逆向工程的参数化优化设计[J].组合机床与自动化加工技术.2016（3）:37-40.（3）赵文勇，刘湘波，吴海江，等.基于逆向工程的焊接过程有限元模拟[J].机械工程学报.2018,54（2）:102-109.（4）雷蔓，吕健，刘征宏，等.基于逆向工程与3D打印的工艺品保护与开发[J].制造业自动化.2014,36（5）:141-144.（5）FrancescoBuonamici,MonicaCarfagni,RoccoFurferi.Reverseengineeringofmechanicalparts:Atemplate-basedapproach[J].JournalofComputationalDesignandEngineering.2018（5）:145-159.4.网络资源（1）三维天下./.（2）思看科技./.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况、课堂回答问题和线上自学情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√433实验10（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√10作业20（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√1073上机测试60（1）根据上机测试完成质量单独评分，满分100分；（2）重点考察学生应用逆向建模软件进行数据处理与模型重建的内容，体现出对逆向工程软件应用的理解程度，检验学生分析解决实际问题的能力。（3）以上机测试评分乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√252510合计：100分493516八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以作业、课堂讨论、课内实验、期末考试对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末上机实操和作业评价、课堂讨论、课内实验等过程性评价成绩组成。其中：上机测试考核成绩为100分（权重为60%），重点考察学生应用逆向建模软件进行数据处理与模型重建的内容，体现出对逆向工程软件应用的理解程度，检验学生分析解决实际问题的能力；作业评价、课堂讨论、课内实验等过程性评价成绩为100分（权重为40%）。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现10到课率≥90%，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%，在线自学完成度超过90%。到课率≥80%，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%，在线自学完成度超过80%。到课率≥80%，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%，在线自学完成度超过70%。到课率≥80%，偶尔参与教学活动，在线自学完成度超过60%。到课率＜80%，不参与教学活动，在线自学完成度较低。实验10实验预习认真，能够熟练掌握方法与步骤，实验操作过程熟练、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果详实、结论清晰、讨论合理实验前有预习，能够掌握方法与步骤，实验操作过程正确、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果正确、讨论适当实验前有预习，基本能够掌握方法与步骤，实验操作过程基本正确、无协作，实验结果基本正确，讨论一般实验前有预习，不能掌握方法与步骤，实验操作过程基本正确，无协作，实验结果基本正确，无讨论没有预习，不能完成实验；实验操作步骤有误；实验结果不正确，没有分析讨论。