增材制造工艺与应用 教案 项目二 任务2 认识三维扫描及逆向建模

增材制造工艺与应用教案课程名称增材制造工艺与应用课题名称（项目、任务、情境）项目二认识增材制造前处理任务2认识三维扫描及逆向建模授课地点理实一体实训室课时教学目标知识目标掌握逆向建模基本流程能力（技能）目标能正确使用扫描仪进行逆向建模。情感目标培养学生严谨、精益求精的工匠精神。教学重点难点重点掌握扫描仪的分类难点掌握扫描仪的使用方法教学资源多媒体教学课件、教材能力训练任务及案例使用扫描仪进行逆向建模课堂反思

步骤时间分配教学内容教学方法教学手段学生活动旧课复习正向建模的常规流程：（1）产品功能设计（2）概念设计（3）细节设计（4）cad模型的创建（5）模型导出提问法PPT展示问题，引发学生思考抢答，赢得平时成绩告知本节课我们学习项目二认识增材制造前处理任务2认识三维扫描及逆向建模讲授法引入任务描述：学习并认识三维扫描仪的种类、特性及使用方式，总结各类扫描仪的特点，能够针对实际情况选择合适的扫描仪；了解逆向建模的定义及简单操作。讲授法操练1.什么是扫描仪3D扫描仪(3DScanner)是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。收集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。2.扫描仪的分类3D扫描仪的制作并非依赖单一技术，各种不同的重建技术都有其优缺点，成本与售价也有高低之分。仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮(高反照率)、镜面或半透明的表面，而激光技术不适用于脆弱或易变质的表面。扫描仪的分类如图2-1扫描仪的分类所示：接触式接触式测量又称为机械测量（图2-2所示），这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机是接触式三维测量仪中的典型代表，它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。根据测量传感器的运动方式和触发信号产生方式的不同，一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。图2-1扫描仪的分类图2-2三坐标测量仪接触式三维扫描的优点：适用性强、精度高(可达微米级别)，不受物体光照和颜色的限制，适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单的实体测量。缺点:由于采用接触式测量，可能损伤探头和被测物表面，故不能对软质的物体进行测量，应用范围受到限制；精度受环境温度、湿度影响；同时采集速度受到机械运动的限制，测量速度慢、效率低；无法实现全自动测量;接触测头的扫描路径不可能遍布被测曲面的所有点，它获取的只是关键特征点，因而，它的测量结果往往不能反映整个零件的形状，在行业中的应用具有一定的限制。(2)非接触式现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展。各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度，以及易于在计算机控制下实施自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向（如图2-3所示）。3D激光扫描仪的特点:①非接触式测量，主动扫描光源；②数据采样率高；③高分辨率、高精度；④数字化采集、兼容性好；⑤可与外置数码相机、GPS系统配合使用，极大地扩展了三维激光扫描技术的使用范围。图2-3光学线性手持扫描仪讲授法PPT课件笔记记录深化3.光学扫描仪的使用流程（1）前处理①检查物体表面是否反光、太暗或为透明材质，物体表面如出现这三种情况中的任意一种，都将影响扫描仪的扫描质量，需进行显现剂喷涂处理；②针对不同的零件，需要进行标记点的粘贴，用来提高扫描精度及扫描拼接；③针对特征的复杂程度，选择合理的解析度；④根据现场实际的环境光强度，选择合理的曝光度。（2）扫描细节扫描过程中注意扫描仪到扫描物体之间的扫描距离与扫描仪的移动速度，这将直接影响扫描最终结果的质量。在扫描中，需灵活的使用手肘，手腕等关节，且使用者目光需时刻关注电脑中所显示的扫描情况。（3）扫描后处理扫描的后处理主要是对计算机采集到的数据进行处理，需要对扫描文件中无用的杂点、噪点、扫描缺陷进行简单修补及处理，对于彩色扫描仪，可直接在扫描软件内完成贴图工作。最终，将扫描完成的数据生成为.STL格式即可打印或进行逆向建模。4.点云处理及逆向建模扫描仪在扫描物体后，所得到的数据多为点云（.asc.iges）及三角面片体（.stl.obj），部分扫描仪软件可对扫描的文件进行简单的处理及封装，但大部分效果不尽人意，因此需要专业的对点云及面片处理的软件来优化扫描点云，国内市场常用的软件有：Geomagic、imageware等。(1)点云数据处理点云数据处理的一般流程（如图2-4所示），对于特征相对简单，经过图2-4所示流程后，基本可以达到3D打印的要求，如有更高的要求或修改意向，可进行更深程度的逆向建模或对扫描模型进行雕刻处理。（2）逆向建模逆向建模（ReverseModeling），是基于现实中存在的人物、物品等进行逆向建模的一种方式。逆向建模的技术发展日新月异，目前逆向建模技术逐渐的成熟。逆向建模技术中包括：点云逆向建模、照片逆向建模、三维扫描逆向建模等技术。逆向建模是一种不同的建模思路，无论采用哪种逆向建模的技术，最终都将转化为多边形或者三角面的数字模型。生成的模型可用于数字可视化、影视、游戏及其他科研使用。逆向为一种建模思路，因此对于软件的要求并不高，理论上所有正向建模软件均可进行逆向设计，以三维扫描逆向建模技术为例，如图2-5为逆向常规流程。

图2-5逆向工程实施流程（3）STL格式文件STL是一种利用三角面片表达三维实体表面模型的文件格式，由美国3DSystems公司于1988年制定，在工业界被广泛应用。目前，几乎所有的增材制造系统和大部分CAE系统都采用STL文件作为数据交换格式。大多CAD软件都可以导出STL文件格式,但不能对STL文件编辑处理。STL文件从其产生之初就应用于增材制造领域中，被作为制件切片、大制件分割、支撑生成等数据处理的主要数据模型。另外，由于增材制造成形空间有限等原因，对于尺寸较大的制件需要对其STL模型进行分割处理。尽管STL文件从其产生至今，不论是在研究方面还是在应用方面都取得了可喜的进展,但仍存在明显不足，其中最突出的就是STL文件可编辑性差。为了解决STL文件可编辑性差的问题，增材制造系统大多采用自行开发的软件系统，目前可用的，可编辑性高的stl编辑软件有：UG（1926后的版本）、MaterialiseMagics、Geomagic及部分不通用的独立切片软件。讲授法讲授法PPT展示图片PPT展示图片笔记记录笔记记录训练 分组讨论：正、逆向建模的区别是什么？光学扫描仪的优点与缺点分别是什么？抢答法PPT展示抢答，为小组得分总结1.什么是扫描仪2.扫描仪的分类3