《逆向工程与3D打印技术》全套教学课件

逆向工程与3D打印技术——机械工程关键能力培养创新全套可编辑PPT课件任务1软件与硬件系统安装任务2三维扫描任务3点云数据处理任务4

手柄的逆向建模任务5

叶轮的逆向建模任务6“门把手”逆向建模任务7

吸尘器的逆向建模任务8猫眼件的逆向建模任务1扫描仪硬件与软件系统的安装主要内容：CONTENTS逆向工程的定义01逆向工程的步骤02逆向工程的应用03逆向工程的前景04扫描仪硬件软件系统的安装05内容与目的：能力目标：能正确认识逆向工程的基本含义；

能完成数据采集系统软件和硬件的安装；知识目标：了解3D扫描仪的软件和硬件安装；

了解逆向工程的意义；素质目标：标准化作业理念与职业素质；思政目标:通过指导学生完成扫描仪系统软件和硬件系统的安装，培育学生仔细认真、一丝不苟的工匠精神。（做中学、学中做、边做边学）1.1逆向工程的概念逆向工程（Reverse

Engineering）：

大意是根据已有的产品，通过分析来推导出具体的实现方法。对现有的模型或样品，利用3D数字化测量仪器，准确、快速地测得其轮廓坐标，并进行三维CAD曲面重构，在此基础上进行再设计，实现产品“创新”。通过传统加工或者快速成形机制作样品。1.2逆向工程的步骤数据处理三维模型重构专用逆向软件：Imageware、GemagicRapidForm、Icem-SufCopyCAD、MagicRP专用CAD/CAM软件：UG、Pro/E、CATIA、Cimatron、I-Deas实物制造快速成型光固化成型（SLA）分层实体制造（LOM）熔融沉积技术（FDM）......2D图纸CNC加工虚拟制造模型后期制作模型展示

实物样件接触式测量三坐标测量机柔性关节臂测量仪三维激光扫描仪光栅照相式三维扫描仪CT扫描仪数据扫描非接触接触式测量正向设计和逆向设计比较逆向设计产品/实物/模型数据采集反求CAD建模实物→CAD

(容易)正向设计产品功能描述产品概念设计CAD模型

抽象→CAD

(艰难)1.3逆向工程的应用新产品开发产品的仿制与改型设计另外，逆向工程还可以应用于快速模具制造，快速原型制造，产品的数字化监测、医学领域断层扫描、服装、头盔等的设计制作、艺术品、考古文物的复制与博物馆藏品、古建筑的数字化，影视动画角色、场景、道具等三维虚拟物体的设计和创建逆向工程的应用场景-模具制造逆向工程的应用场景-文物修复大量应用于对考古物品的修复与原始数据的保存逆向工程的应用场景-特种服装特种服装(杨利伟的宇航服2003年进入宇宙中国太空第一人)1.4逆向工程的前景逆向工程做为一种非常高效的产品设计思路和方法，可以迅速、精确、方便地获得得实物的三维数据及模型。为产品提供先进的开发、设计及制造的技术支撑。它改变了传统产品设计开发模式,大大缩短了产品开发的时间周期,提高产品研发的成功率。目前，逆向工程在各个领域发挥着重要作用，比如汽车外观设计、医学上的人工器官等。但逆向工程的主要应用部分还是在模具专业上，它大大促进了我国制造业的发展。作为一个国家来说，吃透别人的技术仅仅是第一步，在此基础上结合国情进行再创造，变成有自主权和竞争力的新产品，才是反求工程的完整意义和目的。逆向工程技术优势快速复制：从产品实物快速获取产品CAD模型改良创新：在原有产品CAD模型上进行改良，实现快速二次开发作为正向设计的有益补充，贯穿于整个产品的开发过程提高创新能力的有效途径：获取优秀产品信息观察、剖析二次开发原创设计→→→“为什么要这样做”积累经验“应该怎样做”目的：汽车改造，减小风阻，在总体上减少对汽油的消耗。在消费领域，汽车节油性能的改进将成为一种趋势。一方面，对于机械构造的改进是进行节油优化的途径之一。另一方面，可以对汽车外形进行改进以减小阻力，达到较少油耗的目的，本案例主要针对该方面进行论述。奔驰SMART逆向工程案例分析2、三维扫描利用三维扫描仪对整车进行扫描，获取汽车外部三维数据。将汽车三维扫描数据导入三维逆向软件中进行处理，将处理后的数据导入软件中，对汽车外形进行逆向设计。奔驰SMART逆向工程案例分析奔驰SMART逆向工程案例分析模型形成：

通过扫描数据导入设计软件中进行处理，获得汽车外形构造的三维模型。模型优化：

通过对扫描数据进行修改形成多个新的模型，对修改获得的不同模型进行模拟测试，通过测试得到各模型的风阻数据，通过比较数据的大小来选出最优的模型。奔驰SMART逆向工程案例分析5.投入生产：根据获得的最优模型使用快速原型技术进行生产，完成对于原始结构的优化。1.5扫描仪硬件和软件系统的安装单目产品（Win3DD三维扫描系统）介绍硬件系统结构扫描头云台调整云台旋转可使扫描头进行多角度转向三角架调整三角架可对扫描头高低进行调整软件安装建议配置1.处理器：IntelCorei33220(3.3GHz/L33M)2.内存:4GB以上;3.显卡:显存2GB以上;4.显示器:支持双显示器输出;谢谢观看逆向工程与3D打印技术——机械工程关键能力培养创新任务2模型数据扫描主要内容：CONTENTS数据采集方法分类01标定过程02扫描过程03扫描仪的注意事项及常见问题04扫描仪的日常养护05内容与目的：能力目标：能正确进行扫描；生成适用性较好的初始数据文件；知识目标：了解3D扫描的基本方法与操作流程；了解扫描技巧；素质目标：标准化作业理念与职业素质；思政目标：通过指导学生获取适用性较好的初始数据文件，培育学生仔细认真、一丝不苟的工匠精神。（做中学、学中做、边做边学）2.1数据采集方法分类2.2标定过程启动Win3DD扫描系统

启动Win3DD扫描系统，启动专用计算机、硬件系统，使扫描系统预热5~10分钟，以保证标定状态与扫描状态尽可能相近。

点击桌面快捷图标启动软件，点击“扫描标定切换”按钮，进入软件标定界面软件标定界面扫描距离调整调整扫描距离根据界面左上角的标定指示操作，开始标定。调整标定板将标定板放置在视场中央，通过调整硬件系统的高度以及俯仰角，使两个十字叉尽可能重合。标定步骤一步骤一：将标定板水平放置，调整扫描距离后点击“标定”，此时完成了第一步。标定步骤二步骤二：标定板不动，调整三脚架，升高硬件系统高度40mm，满足要求后单击“下一步”，完成第二步。标定步骤三步骤三：标定板不动，调整三脚架，使硬件系统高度降低80mm，单击“下一步”，然后再调整三脚架，将硬件系统升高40mm，进入下一步。标定步骤四步骤四：硬件系统高度不变，将标定板旋转90°垫起与相机同侧下方一角，角度约为20°，让标定板正对光栅投射器，完成第四步。步骤五：硬件系统高度不变，垫起角度不变，将标定板沿同一方向旋转90°完成第五步。标定步骤五标定步骤六步骤六：硬件系统高度不变，垫起角度不变，将标定板沿同一方向旋转90°完成第六步。标定步骤七步骤七：硬件系统高度不变，将标定板沿同一方向旋转90°，垫起与相机异侧一边，角度约为30°，让标定板正对相机，完成第七步。标定步骤八步骤八：硬件系统高度不变，垫起角度不变，将标定板沿同一方向旋转90°完成第八步。标定步骤九步骤九：硬件系统高度不变，垫起角度不变，将标定板沿同一方向旋转90°完成第九步。标定步骤十步骤十：硬件系统高度不变，垫起角度不变，将标定板沿同一方向旋转90°完成第十步。标定计算结果显示在上述十步全部完成后，在标定信息显示区给出标定结果。标定不成功会提示“标定误差较大，请重新标定”2.3扫描过程标志点要尽量贴在工件的平面区域或曲率较小的曲面，且距离工件边界较远一些；标志点不要贴在一条直线上，且一定避免对称粘贴；公共标志点至少为4个，由于图像质量、拍摄角度等多方面原因，有些标志点不能正确识别，因而建议用尽可能多的标志点，一般5～7个为宜。粘贴的标志点要保证扫描策略的顺利实施，并使标志点在长度、宽度、高度方向均应合理分布。粘贴标志点标志点粘贴示意图：错误粘贴方式正确粘贴方式1新建工程扫描过程：点击“新建工程”按钮，会弹出如图所示对话框。步骤一：调整扫描距离：测量距离扫描工件步骤一扫描工件步骤二步骤二：单帧扫描（点击“”，系统将自动进行单帧扫描。结果在如图所示的“三维点云显示区”显示三维点云数据。）扫描工件步骤三步骤三：检查工程信息。（每次单帧扫描完成后，都应该检查“工程信息树状显示区”的工程信息。树状显示各节点的含义。）标志点不足提示信息需再次扫描情况重复步骤2继续进行下次扫描，如果本次扫描所提取出的标志点与之前提取出的标志点公共点少于3个，扫描软件系统则会弹出提示对话框，同时不会进行拼接处理，这时需要调整被扫描工件，然后重新进行本次扫描。保存点云数据点击“保存按钮”或“工程管理”下拉菜单下的“点云另存为”选项对点云进行保存处理。点云文件另存为文件可与以下软件无缝衔接退出软件退出软件提示框项目工作全部完成后，退出扫描软件系统。如有未保存点云数据，软件系统会给出提示框。然后关闭扫描系统与专用计算机，待扫描系统的散热风扇停止后切断扫描系统与专用计算机电源。2.3扫描仪的注意事项及常见问题Win3D三维扫描系统系统安装环境要求本系统适用于WindowXP及Windows7（旗舰版）操作系统。系统对专用计算机硬件配置的要求：标准配置CPU：IntelCore2P8700以上；内存：4GB以上；显卡：显存1GB以上;显示器：支持双显示器输出;Win3D三维扫描系统线缆使用注意事项避免出现非正常使用的人为拖拽、碾压、拉扯、弯折等行为！线缆拔除时严禁拉拽红色方框之外的线缆任何区域！标志点最少提取范围Win3D三维扫描系统标定、扫描等注意事项标定注意事项（标定的每步都要将标定板上至少88个标志点(如图)被提取出来才能继续下一步标定。）扫描注意事项扫描时外部环境光线不要太强，暗室操作效果更佳深色或反光的物体要喷显像剂进行扫描（注：显像剂要喷的均匀且薄）扫描物体表面需光滑，否则后期处理会清理不干净显像剂深色物体反光物体4.4常见故障现象一：软件系统不能正常启动（常见的故障现象与原因，以及解决措施阐述如下，如依据措施仍不能有效解决问题，请及时与公司技术部联系，公司会提供高效的服务。）故障现象：软件系统不能正常启动，在启动时弹出如图所示对话框故障原因：未插加密狗或加密狗接触不良。解决措施：重新插拔加密狗，重新启动软件系统。电脑上加密狗加密狗现象二：程序不能正常启动。在启动时弹出如图所示对话框。故障原因：相机未正常连接或接触不良。解决措施：检查相机USB线是否正确连接或是否有松动之处。如确认已连接且接触良好，但仍不能正常工作且出现上述现象时，可以更换此专用计算机USB插口。如上述措施仍不能解决问题，可能是相机或控制线损坏，请及时与公司技术部联系。故障原因：相机未正常连接或接触不良。现象三：软件系统不能正常启动。在启动时出现如图所示对话框。故障原因：软件协助功能组件没有安装或部分组件丢失。解决措施：重新安装软件协助组件驱动程序。现象四：软件系统不能正常启动在启动时出现如图所示对话框.故障原因：解决措施：光栅投射器VGA线连接不正确或接触不良重新拔插光栅投射器VGA线光栅投射器与VGA线传输问题重新启动专用计算机及硬件系统光栅投射器或线缆损坏如确认已连接且接触良好，但仍提示此对话框，检查电脑双显示器设置是否正确1扫描系统环境要求2.4日常维护logoWin3DD三维扫描系统不宜在强光照射（如太阳光）下使用。2扫描头的维护擦试镜头时要用镜头纸。在使用标定板之前，操作人员需双手戴上手套进行标定，用完后及时放入专用存储箱内。3标定板的维护谢谢观看逆向工程与3D打印技术——机械工程关键能力培养创新任务3点云数据处理主要内容：CONTENTS软件介绍

01软件操作界面02点云处理案例03内容与目的：能力目标：了解逆向工程技术的应用；

熟悉GeomagicDesignX软件操作界面；知识目标：逆向工程技术概述；

掌握GeomagicDesignX软件的基本操作；素质目标：通过引进DX逆向建模技术，激发学生不甘急起

直追的责任感和使命感；思政目标：通过介绍当前逆向设计技术现状，激发学生爱

国热情并树立为祖国富强而努力的目标。3.1GeomagicDesignX软件介绍背景：

该软件拥有强大的点云处理能力和正向建模能力，可以与其他三维软件无缝衔接，适合工业零部件的逆向建模工作。特点：四大逆向工程软件之一；专业的参数化逆向建模软件；可以打开文件较大的扫描数据；逆向软件，速度快，效率高；易学易用常用于参与比赛。3.2操作界面简介操作界面简介GeomagicDesignX基本操作界面由菜单栏、工具栏、特征树、模型树、显示/帮助/视点、精度分析、属性等部分组成，①菜单栏：包含程序中所有的功能，如文件操作等。②工具面板：由面片、领域组、点云、面片草图、草图、3D面片草图、3D草图七部分构成，每一种模式都有其对应的工具栏，便于创建和编辑特征。③工具栏：在工具栏中，会根据模型显示区实体或曲线来激活相应命令，例如创建出实体的时候，“布尔运算、剪切实体”等编辑实体的命令就会显示激活状态。在工具栏区域单击鼠标右键，选择“自定义”，可以定制工具栏。④特征树：GeomagicDesignX使用参数化履历建模的模式。参数化履历模式允许存储构建几何形状并创建实体，同样也可存储操作的顺序和它们彼此之间的关系。在重新编辑更改特征时，可以双击特征，也可以选中某一特征单击鼠标右键选择编辑，若删除特征，则关联特征也将失效。⑤模型树：通过分类显示的所有创建的特征。此窗口可以用来选择和控制特征实体的可见性。点击显示/隐藏图标可以在隐藏和显示之间切换。⑥显示、帮助、视点：显示、帮助、视点、特征树和模型树都在同一个窗口显示，见表2-1，使用以上按钮就可以实现切换。⑦精度分析：对于检查实体、面片、草图的质量方面来说非常重要。在创建曲面之后，可直接检查扫描数据和所创建的曲面之间的偏差。精度分析在默认模式、面片模式以及2D/3D草图模式下均可用。GeomagicDesignX常用操作

常用操作是最基本的操作，除可以通过菜单完成以外，还可以利用工具栏中的常用操作快捷按钮快速完成，如图1-2所示。图

1-2

常用工具栏①

新建：创建新建文件（Ctrl+N）；②

打开：打开既存文件（Ctrl+O）；③

保存：保存作业中的文件（Ctrl+S）；④

导入：导入文件；⑤

输出：输出选择的要素；⑥

设置：变更设置（可更改鼠标操作方式等）；⑦

撤销：撤销前面的操作（Ctrl+Z）；⑧

恢复：恢复前面操作（Ctrl+Y）；

视图操作显示和隐藏视图GeomagicDesignX提供了一系列对视图进行控制的按钮与快捷键视点切换方法根据世界坐标系，应用视点功能可以从不同的定义方向查看模型，如图1-3所示。每个视点的功能及其快捷方式如下。①主视图：将视点改为主视图（Alt+1）；②后视图：将视点改为后视图（Alt+2）；③左视图：将视点改为左视图（Alt+3）；④右视图：将视点改为右视图（Alt+4）；⑤俯视图：将视点改为俯视图（Alt+5）；⑥仰视图：将视点改为仰视图（Alt+6）；⑦等轴视图：将视点改为标准的等轴视图（Alt+7）；⑧逆时针旋转视点：90°逆时针旋转视点；⑨顺时针旋转视点：90°顺时针旋转视点；⑩翻转视点：沿垂直轴水平翻转视。123456789⑩选择模式的操作在模型视图中，鼠标的光标有两种模式。一种是选择模式，另一种是视图模式，见表1-3。点击鼠标中间的按键可切换这两种模式。只有在鼠标光标是选择模式时才可以选择特征，选择特征的方法，见表1-4。3.3点云处理1.1点云模式点云模式——包含清理和编辑点云的功能，并且能够创建面片。

3.1点云处理案例由于疫情防控需要某厂家急需赶制一批测温仪，利用扫描仪点云数据采集，然后使用GeomagicDesignX软件进行处理和封装，保存成STL格式为后续建模做准备。1）扫描数据导入2）点处理阶段3）对齐阶段4）多边形阶段谢谢观看逆向工程与3D打印技术——机械工程关键能力培养创新学习情境4遥控手柄的逆向建模主要内容：CONTENTS领域编辑工具的使用

01遥控手柄的逆向建模02内容与目的：能力目标：掌握领域组编辑的原理及方法；掌握GeomagicDesignX基本建模；知识目标：领域组编辑的原理及方法；GeomagicDesignX基本建模；素质目标：动手能力；设计能力；社会实践能力；思维能力思政目标：通过指导学生掌握GeomagicDesignX基本建模等操作方

法，树立从基本做起，脚踏实地干事业的雄心。关键知识点划分领域步骤1:领域组文件的导入选择插入>导入命令，导入Region_Group.stl文件。领域组模式点击工具面板上的(领域组)进入领域组模式。

1领域编辑工具的使用步骤2:自动分割自动分割将自动打开自动分割对话框树，参照下图设置选项，单击OK按钮。注意：敏感度选项是将几何形状、圆角、自由曲面等领域分类为形状特征的基准。希望把光滑连接的领域作为1个领域组时，将滑块向左移；如果希望细分领域时，将滑块向右移。

步骤3:追加选择模式将选择模式切换到(画笔选择模式)，如下图绘制选择领域。追加点击工具条上的(追加)，将其作为一个领域。

步骤4:缩小选择领域为了限定仅选择面片上的领域，点击工具条上的(领域过滤器)。如下图选择领域。缩小点击2次(缩小)按钮，来缩小领域。

步骤5:合并选择领域如下图，选择独立的5个领域。

步骤5:合并合并点击工具条上的(合并)按钮，将这些选择的领域合并为一个领域。注意：如果要分割这一领域，选择领域并点击工具条上的(分离)按钮。

步骤5:合并选择领域如下图、选择相互独立的3个领域。合并点击工具条上的(合并)按钮。选择的领域将合并为1个领域。

步骤6:分割选择过滤器再次点击(领域过滤器)，退出领域过滤器选择模式。涂刷选择按住Alt键拖动鼠标左键，可以改变涂刷的大小。分割如下图，用涂刷在面片上绘制分割线。

步骤7:插入涂刷选择如下图用涂刷在面片上绘制领域。按住Ctrl键选择不需要的领域可以解除其选择。

步骤7:插入插入点击工具条上的(插入)按钮，可以在模型上追加新的领域。

注意：(清除)命令可以从选择的领域删除小的簇。要清除的簇由过滤标准来控制。簇的大小可以用单元面的数量和领域的大小来定义。下图显示的是清除操作后的结果。

逆向建模案例—手柄某无人机配件厂企业需要生产一批遥控手柄，利用扫描仪点云数据采集，然后使用GeomagicDesignX软件进行处理和封装，保存成STL格式后，现需要对模型进行重构。主要建模思路划分领域基本形体拉伸面片拟合切割境界拟合切割按钮制作圆角及精确度分析1）划分领域2）手动对齐3）拉伸实体4）倒角5）面片拟合切割6）境界拟合切割7）拉伸切割按钮制作、圆角后完善细节，最后AccuracyAnalyzer确认完成的实体和扫描数据间的偏差。7）数据输出谢谢观看逆向工程与3D打印技术——机械工程关键能力培养创新学习情境5叶轮的逆向建模主要内容：CONTENTS面片拟合

01叶轮的逆向建模02关键知识点面片拟合步骤1:领域组划分完后，选择“模型”→“面片拟合”命令，将会弹出“面片拟合”对话框，在领域下选择要拟合的曲面领域，在分辨率下选取“控制点数”，分别输入“U控制点数”和“V控制点数”的具体数值，在“拟合选项”下，调整“平滑”数值。

步骤2:单击下一步进入第二阶段，在“精度分析”下，点击“偏差”，查看曲面的精度，精度在公差范围内，边界点变形程度小，即可单击。反之，则需要点击“变形的控制程度”“修复边界点”，然后选择合适的网格密度，来调整网格的边界点，以及再次单击下一步进入第三阶段，重新设置机械臂调整等距线。

逆向建模案例—叶轮深圳某科技公司制造的工业风机出现故障，经检查，叶轮叶片破顺，需要更换。为了节约成本，公司欲将叶片批量生产，可提供叶轮一个和三维数据（.stl）主要建模思路划分领域实体回转面片拟合及阵列大叶片面片拟合及阵列小叶片圆角圆角及精确度分析1）划分领域2）基本形体回转3）叶片放样4）修剪大叶片及圆周阵列5）修剪小叶片及圆周阵列6）基础曲面及切割实体7）圆角及AccuracyAnalyzer确认完成的实体和扫描数据间的偏差。

8）数据输出谢谢观看逆向工程与3D打印技术——机械工程关键能力培养创新学习情境6门把手的逆向建模主要内容：CONTENTS主要建模步骤

01关键知识点02逆向建模案例—门把手门把手的逆向建模主要建模思路对齐，追加参照线与参照平面筒体曲面拉伸面片拟合与放样生成曲面形体面片草图曲面拟合与剪切精确度分析曲面放样光润联接关键技能点1.追加参照线与参照面2.生成筒体1）面片草图2.生成筒体2）拉伸筒体圆柱曲面2.生成筒体3）划分领域，拟合曲面并曲面剪切生成筒体截面曲面3.拇指形体曲面建模1）插入领域并面片拟合3.拇指形体曲面建模2）剪切曲面3.拇指形体曲面建模3）草图并拉伸剪切3.拇指形体曲面建模5）另一面插入领域，面片拟合3.拇指形体曲面建模4）修剪、放样并缝合3.拇指形体曲面建模6）面片草图3.拇指形体曲面建模7）拉伸，剪切3.拇指形体曲面建模8）以平面1绘草图，拉伸剪切4.联接曲面光润放样1）3D草图,绘相连的两条样条曲线4.联接曲面光润放样2）剪切曲面4.联接曲面光润放样3）放样4.联接曲面光润放样4）缝合、赋厚、圆角

5.AccuracyAnalyzer确认完成的实体和扫描数据间的偏差。

6.数据输出²依次点击文件-输出，选择要输出的模型，点击对钩。选择输出位置与格式，点击保存。或以“另存为”的方式保存。谢谢观看逆向工程与3D打印技术