《三維掃描與數(shù)字化設(shè)計A》教學(xué)大綱

《三維掃描與數(shù)字化設(shè)計A》教學(xué)大綱課程代碼：01150691課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時：32學(xué)時（其中：理論16學(xué)時，實驗16學(xué)時）先修課程：機械制圖、三維CAD、機械CAD/CAM等后續(xù)課程：無適用專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化開課單位：機械工程學(xué)院一、課程說明《三維掃描與數(shù)字化設(shè)計》是機械類專業(yè)的一門專業(yè)選修課程。本課程的主要任務(wù)是講解數(shù)字化掃描與逆向三維建模的關(guān)鍵技術(shù)問題，涉及逆向工程技術(shù)的基本概念、基本流程和基本方法，三維掃描儀的操作與實踐，以及三維數(shù)字化模型的逆向重構(gòu)。通過本課程的理論教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生在逆向工程方面的基本素養(yǎng)與職業(yè)能力，力求使學(xué)生領(lǐng)悟與學(xué)會應(yīng)用逆向技術(shù)來獲取復(fù)雜曲面產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，同時也為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及從事實際工作打下良好的基礎(chǔ)。二、課程目標(biāo) 通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：了解逆向工程工作流程、系統(tǒng)組成及相關(guān)概念；掌握三維掃描儀的操作及使用，點云及多邊形數(shù)據(jù)的處理步驟及方法，曲面重構(gòu)的方法，工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計過程及方法。課程目標(biāo)2：具備獨立思維能力、創(chuàng)新合作、利用逆向工程技術(shù)分析解決機械產(chǎn)品設(shè)計與制造的能力。課程目標(biāo)3：能夠合理使用技術(shù)資料，熟練應(yīng)用工具軟件，遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，樹立工程意識，工匠精神和奉獻(xiàn)精神。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《三維掃描與數(shù)字化設(shè)計》課程教學(xué)目標(biāo)對機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子、智能制造工程本科專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強度1.工程知識:能夠設(shè)計針對復(fù)雜智能產(chǎn)品問題的解決方案，設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。1.1能將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)等知識用于解決機械設(shè)計、機械制造等復(fù)雜工程問題。課程目標(biāo)1：了解逆向工程工作流程、系統(tǒng)組成及相關(guān)概念；掌握三維掃描儀的操作及使用，點云及多邊形數(shù)據(jù)的處理步驟及方法，曲面重構(gòu)的方法，工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計過程及方法。L4.研究分析：能夠能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜機械工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。4.2能夠基于科學(xué)原理，采用科學(xué)方法對機械零部件、結(jié)構(gòu)、裝置、控制系統(tǒng)制定實驗方案并實施。課程目標(biāo)2：具備獨立思維能力、創(chuàng)新合作、利用逆向工程技術(shù)分析解決機械產(chǎn)品設(shè)計與制造的能力。H6.工程與社會：能夠基于機械工程相關(guān)背景知識進(jìn)行合理分析，評價專業(yè)工程實踐和復(fù)雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。6.2能分析和評價解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，以及這些制約因素對方案實施的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。課程目標(biāo)3：能夠合理使用技術(shù)資料，熟練應(yīng)用工具軟件，在社會、法律及文化的約束的條件下，制定方案并承擔(dān)責(zé)任。H注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分見表2表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.逆向工程技術(shù)及三維掃描數(shù)字化技術(shù)概述1.1逆向工程技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍1.2逆向工程的數(shù)據(jù)采集設(shè)備簡介，三維掃描技術(shù)工作原理及設(shè)備及其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備及應(yīng)用1.3逆向工程技術(shù)的基本流程及關(guān)鍵技術(shù)介紹1.4逆向工程技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r教學(xué)要求：理解逆向工程技術(shù)的基本概念、定義；了解實施逆向工程所采用的主要測量設(shè)備；理解光柵式掃描儀工作原理；熟悉逆向工程工作流程；了解逆向工程技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，掌握光柵式掃描儀操作規(guī)范與數(shù)據(jù)采集過程。重點：逆向工程技術(shù)的基本概念、定義、工作流程，三維掃描技術(shù)工作原理及設(shè)備。難點：光柵投影式掃描儀的工作原理與精度標(biāo)定。281、32.點云處理軟件教學(xué)2.1點云數(shù)據(jù)處理背景及特點2.2GeomagicWrap軟件界面及基本操作2.3點云處理案例講解教學(xué)要求：理解點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理的目的；掌握點云處理軟件的基本操作；熟悉點云數(shù)據(jù)處理的方法。重點：GeomagicWrap軟件界面及基本操作。難點：點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理技巧及質(zhì)量評價。201、33.逆向建模軟件教學(xué)3.1逆向建模軟件功能簡介3.2GeomagicDesignX軟件界面及基本操作3.3逆向建模案例講解教學(xué)要求：理解點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理的目的；掌握點云處理軟件的基本操作；熟悉點云數(shù)據(jù)處理的方法。重點：逆向建模軟件的基本操作，如坐標(biāo)系調(diào)整、領(lǐng)域組劃分、特征曲線擬合、曲面編輯與裁剪等。難點：模型重構(gòu)技巧與建模思路。421、2、34產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計案例典型工業(yè)產(chǎn)品的逆向設(shè)計過程與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新案例講解教學(xué)要求：了解工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中的正逆向建模；理解產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的概念；熟悉逆向工程技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。重點:數(shù)字化設(shè)計中正逆向建模結(jié)合應(yīng)用。難點：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計思路。861、2、3合計16162.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.簡單產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)采集實驗內(nèi)容：對簡單產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描實驗要求：認(rèn)知三維掃描儀的結(jié)構(gòu)與原理；熟悉設(shè)計的基本操作；熟悉工業(yè)產(chǎn)品的掃描前處理操作與技巧；對簡單模型進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集。412.復(fù)雜產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)采集實驗內(nèi)容：對復(fù)雜機械產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實驗要求：掌握三維掃描策略與方案對比分析；對扁平狀，結(jié)構(gòu)細(xì)小、復(fù)雜且完整面較小、較少，對體類，殼體類等產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描；盡可能少貼或者不貼標(biāo)志點進(jìn)行產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)采集；了解點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法；掌握點云數(shù)據(jù)處理操作方法，對已掃描產(chǎn)品進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的處理。414.逆向造型實例操作實驗內(nèi)容：機械產(chǎn)品的逆向處理。實驗要求：根據(jù)所給的點云數(shù)據(jù)，按照操作順序依次完成點云處理，建立坐標(biāo)系，模型重構(gòu)。81合計16教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，同時結(jié)合慕課、學(xué)習(xí)通資源，以比賽案例和實踐項目為引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生積極參與，完成數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、逆向重建技術(shù)、創(chuàng)新設(shè)計與3D打印整個逆向過程，從而提升學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，以及團(tuán)隊合作交流的能力。在實驗環(huán)節(jié)中，通過教師教學(xué)理論的講解，實際案例演示以及學(xué)生動手操作的方法，來完成逆向工程工作的所有流程，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。課程資源庫1.推薦教材：（1）劉然慧.《3D打印-GeomagicDesignX逆向建模設(shè)計實用教程》.化學(xué)工業(yè)出版社.2017.（2）成思源.《GeomagicDesignX逆向建模技術(shù)及應(yīng)用》.清華大學(xué)出版社.2016.2.參考書（1）《逆向工程項目式實訓(xùn)教程》，黃誠駒主編，高等教育出版社，2004年；（2）《逆向工程基礎(chǔ)及應(yīng)用實例教程》，張晉西主編，清華大學(xué)出版社，2011年；（3）《逆向工程技術(shù)綜合實踐》，成思源主編，電子工業(yè)出版社，2010年；（4）《逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計》，張學(xué)昌主編，北京大學(xué)出版社，2009年；（5）《GeomagicDesignX三維建模案例教程》，楊曉雪主編，機械工業(yè)出版社，2016年；（6）《三維數(shù)字化建模與逆向工程》，張德海主編，北京大學(xué)出版社，2016年。3.期刊（1）周小東，成思源，楊雪榮.面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程技術(shù)研究[J].機床與液壓.2015,43（19）:25-28.（2）周小東，成思源，楊雪榮，等.基于逆向工程的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù).2016（3）:37-40.（3）趙文勇，劉湘波，吳海江，等.基于逆向工程的焊接過程有限元模擬[J].機械工程學(xué)報.2018,54（2）:102-109.（4）雷蔓，呂健，劉征宏，等.基于逆向工程與3D打印的工藝品保護(hù)與開發(fā)[J].制造業(yè)自動化.2014,36（5）:141-144.（5）FrancescoBuonamici,MonicaCarfagni,RoccoFurferi.Reverseengineeringofmechanicalparts:Atemplate-basedapproach[J].JournalofComputationalDesignandEngineering.2018（5）:145-159.4.網(wǎng)絡(luò)資源（1）三維天下./.（2）思看科技./.七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核評價細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況、課堂回答問題和線上自學(xué)情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√433實驗10（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√10作業(yè)20（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?073上機測試60（1）根據(jù)上機測試完成質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）重點考察學(xué)生應(yīng)用逆向建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與模型重建的內(nèi)容，體現(xiàn)出對逆向工程軟件應(yīng)用的理解程度，檢驗學(xué)生分析解決實際問題的能力。（3）以上機測試評分乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?52510合計：100分493516八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以作業(yè)、課堂討論、課內(nèi)實驗、期末考試對學(xué)生進(jìn)行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┥蠙C實操和作業(yè)評價、課堂討論、課內(nèi)實驗等過程性評價成績組成。其中：上機測試考核成績?yōu)?00分（權(quán)重為60%），重點考察學(xué)生應(yīng)用逆向建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與模型重建的內(nèi)容，體現(xiàn)出對逆向工程軟件應(yīng)用的理解程度，檢驗學(xué)生分析解決實際問題的能力；作業(yè)評價、課堂討論、課內(nèi)實驗等過程性評價成績?yōu)?00分（權(quán)重為40%）。2.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)10到課率≥90%，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于90%，在線自學(xué)完成度超過90%。到課率≥80%，認(rèn)真參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于80%，在線自學(xué)完成度超過80%。到課率≥80%，偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于70%，在線自學(xué)完成度超過70%。到課率≥80%，偶爾參與教學(xué)活動，在線自學(xué)完成度超過60%。到課率＜80%，不參與教學(xué)活動，在線自學(xué)完成度較低。實驗10實驗預(yù)習(xí)認(rèn)真，能夠熟練掌握方法與步驟，實驗操作過程熟練、規(guī)范，遵規(guī)守紀(jì)、團(tuán)結(jié)協(xié)作，實驗結(jié)果詳實、結(jié)論清晰、討論合理實驗前有預(yù)習(xí)，能夠掌握方法與步驟，實驗操作過程正確、規(guī)范，遵規(guī)守紀(jì)、團(tuán)結(jié)協(xié)作，實驗結(jié)果正確、討論適當(dāng)實驗前有預(yù)習(xí)，基本能夠掌握方法與步驟，實驗操作過程基本正確、無協(xié)作，實驗結(jié)果基本正確，討論一般實驗前有預(yù)習(xí)，不能掌握方法與步驟，實驗操作過程基本正確，無協(xié)作，實驗結(jié)果基本正確，無討論沒有預(yù)習(xí)，不能完成實驗；實驗操作步驟有誤；實驗結(jié)果不正確，沒有分析討論。