逆向设计教学

逆向设计教学（精选8篇）

逆向设计教学 篇1

传统教学设计和逆向教学设计

1.逆向教学设计根据的是课程标准而非教材，强调“用教材”，而不是单纯的“教教材”。2.逆向教学设计强调评价先于教学实施，即在教学活动还没有开展之前就确定如何评价，使教学评价伴随整个教学过程。

3.传统教学设计目的性和方向性不强，容易在具体实施的过程中受到不确定因素的影响而发生改变，教师或者教学实施者难以做出及时和准确的调整；而逆向教学设计则避免了这个问题，在一开始就有确定的目标和方向，形成了一个宏观的框架，然后在这里面进行具体操作，教育者就容易调控。4.比较二者在教学活动中的优势以及对学生的成长，明显逆向教学设计更具先进性和实用性，能帮助老师和学生准确的定位。

逆向设计教学 篇2

翻转课堂,来源于美国科罗拉多州WoodlandParkHighSchool的化学教师——乔纳森·伯尔曼和亚伦·萨姆斯。他们为解决学校学生因学校所处地理条件特殊而导致的缺课、学习跟 不上的现象,开始尝试让学生在课前观看教学视频并完成教学内容的学习, 而在课堂进行面对面的讨论和辅导。这种新型的教学模式之后被广泛地关注,并被称之为“翻转课堂”。

翻转课堂让学生在课前完成对新知的学习,而在课堂中完成对新知的探讨与巩固,有利于促进学生对知识的深层次理解。然而,在实施翻转课堂的过程中,我们也发现存在许多问题,如教师对学习者课前自主学习的效果缺乏有效的了解,从而导致无法发掘学习者的学习疑问。本文尝试在逆向设计基础上,提出关于翻转课堂的教学设计策略,以期为翻转课堂的实践提供指导。

●逆向设计

逆向设计是美国哥伦比亚大学教授格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰所提出的。所谓的“逆向”并不是指其逻辑逆向,而是指与我们教学设计过程中的习惯性操作相比较,是逆向的。在习惯性的教学设计过程中,我们总是按照活动设计、安排结束之后,再制定相应的评价方式、标准,甚至于在某些情况下,教学设计过程中教师并未明确指出评价标准。然而,逆向设计强调在教学设计过程中首先要明确评价标准和评价方式,然后依据评价标准和评价方式进行教学活动设计、安排。逆向设计,它可以被看作是有目的的任务分析或有计划的指导,即先期确定的评价标准和评价方式是评价实施和教学设计的参照。[1]逆向设计遵循以下程序,整个设计过程分为三步,如图1所示。

1.明确预期的学习结果

预期的学习结果是指学习者在教学结束时应该掌握的知识与技能,并强调围绕知识与技能进行重点教学。威金斯和麦克泰强调在这个阶段对教学内容进行划分,以确定哪些内容是学习者必须掌握的,是需要学习者深入持久地理解的。他们提出对教学内容的三种类型,以一个套环结构表示(如下页图2)。图中最外层的圆圈是指学习者值得熟悉的内容,即是相对来说并不是教学重点的内容;中间层的圆圈是表示学习者应当着重知道和理解的内容,是保证学习者掌握重点内容所必需的;最里面的小圆圈是教学内容中最重要的一部分, 是学习者必须实现对其的深入理解,领会其内在的重要观点。

2.确定能证明学生达到预期学习结果的证据

确定能证明学生达到预期学习结果的证据,是指教师通过设计多种评价方式测试、考查学习者是否达到标准,以判断学习者是否已经掌握预期的学习结果。根据不同的学习结果,威金斯和麦克泰提出基于不同层级的教学内容的评价方式(如下页图2)。他们认为,对于需要持久地理解的内容或着重知道和理解的内容应考虑通过实践的评价方式进行评定;对于评价值得熟悉的内容或着重知道和理解的内容的掌握情况可采用传统的考试和考查的方式。

3.安排相关的教学活动

当确定持久性理解的教学内容和相应的评价方式、标准后,逆向设计的第三个阶段是考虑如何合理安排教学活动,使学生掌握知识与技能。确定持久性理解的教学内容可以帮助教师在教学活动过程中把主要的精力放在最重要的内容上;确定的评价方式可以使教师更加清醒地知道在教学活动中如何运用评价方式布置实践性、操作性的任务;明确的评价标准可以使教师在教学中快速、准确地了解学生的学习效果,以便及时调整教学方法、教学策略。

●基于逆向设计的翻转课堂教学设计策略

本文尝试从逆向设计的理念中寻找能够提高翻转课堂教学效率,促进学生理解的教学设计策略。

1.选择核心教学内容是首要任务

翻转课堂中的课前自主学习的学习资源强调短小精悍,以符合学生的认知负荷,如教学视频以微课件为最佳,时间控制在15分钟以内。此外,如果课前自主学习的学习资源中含有过多的内容,教师也无法保证对所有内容进行具体、深入的讲解。因此,在翻转课堂课前教学资源准备的过程中,教师就必须做出相应的教学内容选择, 确定哪些是最为关键的观点、内容, 才能够有效确保核心知识和技能被学生所吸收、理解。

选择核心的教学内容有四条筛选标准:1需要学习者深入持久地理解的内容是可以被应用于其他领域的重要知识,具有应用价值;2需要学习者深入持久地理解的内容是位于学科中心的重要观点和核心过程;3需要学习者深入持久地理解的内容是那些抽象的、非直观性的、容易被误解的,需要我们去揭示的重要观点;4需要学习者深入持久地理解的内容是融入了重要观点的事实、技能和学习活动,有利于激发学生的兴趣和潜能。[4]

2.评价方式、标准的确定先于教学活动设计

设计翻转课堂教学活动前应先明确学习评价的方式和标准,即通过何种形式评价学习者以及学生在完成教学活动后应该达到怎样的学习效果。评价方式、标准的确定先于教学活动设计的 效果有三个方面。第一,在翻转课堂的教学设计过程中,确定的评价方式有利于帮助教师思考采取怎样的学习指导策略,才能最有效地实现学生的知识和技能的掌握。第二,在翻转课堂的课前自主学习后,明确的评价标准可以帮助教师及时、快速地判断学生的学习程度,以便于调整翻转课堂的课前和课中这两个方面的实施。一方面,教师要审视课前自主学习设计过程中目标的设计是否有超越学生理解的范畴、评价理解的标准,以及与之相应的课前活动设计是否需要调整,最后还应思考教学视频资源设计是否要进行更有效的规划、设计; 另一方面,教师需要关注学生的理解程度,发现问题的所在,调整翻转课堂的课堂教学活动,促进学习者对知识的内化、理解。第三,明确的评价标准使得学习者在翻转课堂的学习有了清晰的学习目标,学习的方向性也更明确。

3.制定基于理解的评价标准

正如威金斯和麦克泰所说,“如果我们不清楚如何证明理解的实现,实现理解的目标也就不可能实现”。翻转课堂正是以促进学生对知识的深入理解为目标的。因此,制定学习者“理解”的评价标准,证明学习者理解的实现是非常关键的环节之一。威金斯和麦克泰认为理解具有六个维度,维度一到六分别代表了从低到高实现理解的程度,并且每一个维度都有其特定的功能和表现(如下页表)。具体阐述如下:1解释,能对现象、实施和数据进行全面、可靠和合理的解释说明;2释译,能够揭示故事的意义, 进行恰当的翻译,对所涉及的观点发表自己的看法,通过想象、轶事、例证和模型使以上观点个性化并易于为人所接受;3运用,能将所学的知识有效地运用于不同的环境之中;4洞察,能用批判的眼光看待事物,并顾全大局;5移情,能从别人可能认为陌生、悖于情理的东西中体会到其价值所在,具备敏锐的直观性洞察力;6自我认识,个人身上的某些特质如个人风格、偏见、构想及思维习惯等,它们对理解的实现可能起促进作用,也可能起阻碍作用。对此,个人应该能够明确地认识到:在哪些方面自己还未能理解并知道原因之所在。[5]在确定翻转课堂的学习评价标准过程中,我们可以充分利用“理解”的六个维度,判断学习者对教学内容的学习已经达到何种程度。例如,对于理解中“解释”程度的学习,我们可以通过其回答是能够精确、连贯的表达程度,还是合理、系统的表达程度,来判断学习者的学习效果, 并做出相应的评价。

●结语

翻转课堂的广泛应用,改变了传统的以“教”为中心的教学模式,建立起一种能够促进学生自我学习、自我建构知识的教学模式,具有巨大的教育应用价值。因此,如何使翻转课堂有效实施,提高翻转课堂教学效率是需要教育工作者深入探究的课题,只有深入研究并真正实施,才能促进翻转课堂更好、更快地发展。

摘要：翻转课堂的应用促进学习者的深度学习,改变了传统的灌输式的教学方式。我们尝试在逆向设计的概念基础上发掘能够提高学生对知识理解的翻转课堂教学设计策略,以促进学生的知识建构,实现学习者对知识的深入持久的理解。

逆向设计教学 篇3

关键词：逆向设计；翻转课堂；理解

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2015）13/14-0115-03

● 引言

翻转课堂，来源于美国科罗拉多州Woodland Park High School的化学教师——乔纳森·伯尔曼和亚伦·萨姆斯。他们为解决学校学生因学校所处地理条件特殊而导致的缺课、学习跟不上的现象，开始尝试让学生在课前观看教学视频并完成教学内容的学习，而在课堂进行面对面的讨论和辅导。这种新型的教学模式之后被广泛地关注，并被称之为“翻转课堂”。

翻转课堂让学生在课前完成对新知的学习，而在课堂中完成对新知的探讨与巩固，有利于促进学生对知识的深层次理解。然而，在实施翻转课堂的过程中，我们也发现存在许多问题，如教师对学习者课前自主学习的效果缺乏有效的了解，从而导致无法发掘学习者的学习疑问。本文尝试在逆向设计基础上，提出关于翻转课堂的教学设计策略，以期为翻转课堂的实践提供指导。

● 逆向设计

逆向设计是美国哥伦比亚大学教授格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰所提出的。所谓的“逆向”并不是指其逻辑逆向，而是指与我们教学设计过程中的习惯性操作相比较，是逆向的。在习惯性的教学设计过程中，我们总是按照活动设计、安排结束之后，再制定相应的评价方式、标准，甚至于在某些情况下，教学设计过程中教师并未明确指出评价标准。然而，逆向设计强调在教学设计过程中首先要明确评价标准和评价方式，然后依据评价标准和评价方式进行教学活动设计、安排。逆向设计，它可以被看作是有目的的任务分析或有计划的指导，即先期确定的评价标准和评价方式是评价实施和教学设计的参照。[1]逆向设计遵循以下程序，整个设计过程分为三步，如图1所示。

1.明确预期的学习结果

预期的学习结果是指学习者在教学结束时应该掌握的知识与技能，并强调围绕知识与技能进行重点教学。威金斯和麦克泰强调在这个阶段对教学内容进行划分，以确定哪些内容是学习者必须掌握的，是需要学习者深入持久地理解的。他们提出对教学内容的三种类型，以一个套环结构表示（如下页图2）。图中最外层的圆圈是指学习者值得熟悉的内容，即是相对来说并不是教学重点的内容；中间层的圆圈是表示学习者应当着重知道和理解的内容，是保证学习者掌握重点内容所必需的；最里面的小圆圈是教学内容中最重要的一部分，是学习者必须实现对其的深入理解，领会其内在的重要观点。

2.确定能证明学生达到预期学习结果的证据

确定能证明学生达到预期学习结果的证据，是指教师通过设计多种评价方式测试、考查学习者是否达到标准，以判断学习者是否已经掌握预期的学习结果。根据不同的学习结果，威金斯和麦克泰提出基于不同层级的教学内容的评价方式（如下页图2）。他们认为，对于需要持久地理解的内容或着重知道和理解的内容应考虑通过实践的评价方式进行评定；对于评价值得熟悉的内容或着重知道和理解的内容的掌握情况可采用传统的考试和考查的方式。

3.安排相关的教学活动

当确定持久性理解的教学内容和相应的评价方式、标准后，逆向设计的第三个阶段是考虑如何合理安排教学活动，使学生掌握知识与技能。确定持久性理解的教学内容可以帮助教师在教学活动过程中把主要的精力放在最重要的内容上；确定的评价方式可以使教师更加清醒地知道在教学活动中如何运用评价方式布置实践性、操作性的任务；明确的评价标准可以使教师在教学中快速、准确地了解学生的学习效果，以便及时调整教学方法、教学策略。

● 基于逆向设计的翻转课堂教学设计策略

本文尝试从逆向设计的理念中寻找能够提高翻转课堂教学效率，促进学生理解的教学设计策略。

1.选择核心教学内容是首要任务

翻转课堂中的课前自主学习的学习资源强调短小精悍，以符合学生的认知负荷，如教学视频以微课件为最佳，时间控制在15分钟以内。此外，如果课前自主学习的学习资源中含有过多的内容，教师也无法保证对所有内容进行具体、深入的讲解。因此，在翻转课堂课前教学资源准备的过程中，教师就必须做出相应的教学内容选择，确定哪些是最为关键的观点、内容，才能够有效确保核心知识和技能被学生所吸收、理解。

选择核心的教学内容有四条筛选标准：①需要学习者深入持久地理解的内容是可以被应用于其他领域的重要知识，具有应用价值；②需要学习者深入持久地理解的内容是位于学科中心的重要观点和核心过程；③需要学习者深入持久地理解的内容是那些抽象的、非直观性的、容易被误解的，需要我们去揭示的重要观点；④需要学习者深入持久地理解的内容是融入了重要观点的事实、技能和学习活动，有利于激发学生的兴趣和潜能。[4]

2.评价方式、标准的确定先于教学活动设计

设计翻转课堂教学活动前应先明确学习评价的方式和标准，即通过何种形式评价学习者以及学生在完成教学活动后应该达到怎样的学习效果。评价方式、标准的确定先于教学活动设计的效果有三个方面。第一，在翻转课堂的教学设计过程中，确定的评价方式有利于帮助教师思考采取怎样的学习指导策略，才能最有效地实现学生的知识和技能的掌握。第二，在翻转课堂的课前自主学习后，明确的评价标准可以帮助教师及时、快速地判断学生的学习程度，以便于调整翻转课堂的课前和课中这两个方面的实施。一方面，教师要审视课前自主学习设计过程中目标的设计是否有超越学生理解的范畴、评价理解的标准，以及与之相应的课前活动设计是否需要调整，最后还应思考教学视频资源设计是否要进行更有效的规划、设计；另一方面，教师需要关注学生的理解程度，发现问题的所在，调整翻转课堂的课堂教学活动，促进学习者对知识的内化、理解。第三，明确的评价标准使得学习者在翻转课堂的学习有了清晰的学习目标，学习的方向性也更明确。

3.制定基于理解的评价标准

正如威金斯和麦克泰所说，“如果我们不清楚如何证明理解的实现，实现理解的目标也就不可能实现”。翻转课堂正是以促进学生对知识的深入理解为目标的。因此，制定学习者“理解”的评价标准，证明学习者理解的实现是非常关键的环节之一。威金斯和麦克泰认为理解具有六个维度，维度一到六分别代表了从低到高实现理解的程度，并且每一个维度都有其特定的功能和表现（如下页表）。具体阐述如下：①解释，能对现象、实施和数据进行全面、可靠和合理的解释说明；②释译，能够揭示故事的意义，进行恰当的翻译，对所涉及的观点发表自己的看法，通过想象、轶事、例证和模型使以上观点个性化并易于为人所接受；③运用，能将所学的知识有效地运用于不同的环境之中；④洞察，能用批判的眼光看待事物，并顾全大局；⑤移情，能从别人可能认为陌生、悖于情理的东西中体会到其价值所在，具备敏锐的直观性洞察力；⑥自我认识，个人身上的某些特质如个人风格、偏见、构想及思维习惯等，它们对理解的实现可能起促进作用，也可能起阻碍作用。对此，个人应该能够明确地认识到：在哪些方面自己还未能理解并知道原因之所在。[5]在确定翻转课堂的学习评价标准过程中，我们可以充分利用“理解”的六个维度，判断学习者对教学内容的学习已经达到何种程度。例如，对于理解中“解释”程度的学习，我们可以通过其回答是能够精确、连贯的表达程度，还是合理、系统的表达程度，来判断学习者的学习效果，并做出相应的评价。

● 结语

翻转课堂的广泛应用，改变了传统的以“教”为中心的教学模式，建立起一种能够促进学生自我学习、自我建构知识的教学模式，具有巨大的教育应用价值。因此，如何使翻转课堂有效实施，提高翻转课堂教学效率是需要教育工作者深入探究的课题，只有深入研究并真正实施，才能促进翻转课堂更好、更快地发展。

参考文献：

[1]冯翠典，高凌飚.促进学生理解的评价——威金斯的理解力评价观及启示[J].教育测量与评价，2009（7）：4-9.

逆向工程毕业设计总结 篇4

题目名称：风扇叶片的非接触测量和三维建模研究

年 级：2004级 ■本科 □专科 学生学号：20045659 学生姓名：都方军 指导教师：乐莉 学生单位：制造科学与工程学院 技术职称：副教授 学生专业：机械0408 教师单位：制造学院

西 南 科 技 大 学 教 务 处 制 风扇叶片的非接触测量和三维建模研究

摘要： 随着计算机技术的迅速发展，计算机三维造型技术特别是逆向工程技术在工业 上已经得到了广泛的应用。为了解决风扇叶片难以精确测量的问题，本文研究了风扇叶 片外形的逆向工程造型方法，并对逆向工程概念、方法进行系统的阐述。通过光学扫描 仪的非接触测量获取风扇叶片表面的云状数据,并利用imageware和geomagic软件对测 量数据进行处理,且基于nurbs曲面重构理论进行叶片造型表面重构,最终实现了风扇的 曲面重构，产生风扇的三维模型及二维图。与传统的正向设计方法相比,该方法提高了 工作效率,缩短了新产品的开发周期。

关键词：逆向工程； 非接触测量； 点云； 建模

fan blade non-contact measurement and 3d modeling geomagic, the measurement data is processed and nurbs surface reconstruction based on the theory blade shape surface reconstruction, the ultimate realization of a fan surface reconstruction, being designed with the traditional method, the method improves the working efficiency, shorten the development cycle of new products.key words: reverse engineering;non-contact measurement;point cloud;modeling 目录

第1章 绪论.............................................................1 1.1 引言............................................................1 1.2 课题提出的背景及意义............................................1 1.21逆向工程在国内外研究状况....................................1 1.22逆向工程的原理及特点........................................2 1.23逆向工程的流程及应用领域....................................3 1.24课题的目的及意义............................................5 1.3 研究内容........................................................5 第2章 逆向工程软硬件设备及过程.........................................5 2.1 扫描设备........................................................5 2.2 点云处理软件....................................................8 2.3 曲面处理软件....................................................8 2.4 实体建模软件...................................................10 2.5 实体三维数据的扫描.............................................12 2.6 点云处理.......................................................13 2.7 曲面重构.......................................................14 2.8 实体建模.......................................................19 2.9 后续加工处理...................................................20 第3章 建立风扇叶片数模的具体步骤......................................22 3.1 风扇叶片逆向开发的流程.........................................22 3.2 模型分析.......................................................22 3.3 扫描...........................................................22 3.4 点云数据处理...................................................34 3.4.1 清除噪点....................................................343.4.2 手动注册...................................................35 3.4.3 全局注册...................................................36 3.4.4 合并.......................................................36 3.4.5 补洞.......................................................37 3.4.6 边界优化...................................................37 3.4.7 简化数据及保存.............................................37 3.5 曲面造型.......................................................38 3.5.1 对齐点云...................................................39 3.5.2 建立圆柱面.................................................40 3.5.3 建立球面...................................................40 3.5.4 建立球底面.................................................40 3.5.5 偏移球面及上下底面.........................................41 3.5.6 剪切中间凹槽及洞...........................................41 3.5.7 建立小圆柱及洞.............................................42 3.5.8 提取一个叶片及建立曲面.....................................42 3.5.9 偏移扇叶曲面并倒角.........................................43 3.5.10 建立另外2个叶片面........................................43 3.5.11 数据转化导出通用格式......................................44 3.6 实体造型.......................................................44 3.6.1 数据导入...................................................45 3.6.2 曲面缝合及模型实体化.......................................46 3.6.3 产生风扇叶片的二维图.......................................46 结论....................................................................48 参考文献................................................................53 致谢....................................................................54篇二：逆向工程毕业设计开题报告 毕业论文开题报告

题 目 某典型零件的逆向工程与注塑模设计

学生姓名学号 所在院(系)专业班级 指导教师

2013 年 3月 5 日篇三：逆向工程的毕业设计 目录 毕业设计.......................................................................................................错误！未定义书签。0 摘要...........................................................................................................................................1 1 逆向工程..................................................................................................................................2 1.1 定义..........................................................................................................................................2 1.2 逆向工程的研究与发展.........................................................................................................3 1.3 逆向工程系统..........................................................................................................................4 1.4 逆向工程的关键技术..............................................................................................................4 1.5 逆向工程与正向工程的区别.................................................................................................6 1.6 逆向工程的应用......................................................................................................................7 2 maxscan激光扫描仪................................................................................................................8 3 geomagic studio.....................................................................................................................10 4 imageware...............................................................................................................................13 5 其它.........................................................................................................................................14 6 后记.........................................................................................................................................14 0 摘要

随着中国加入wto，经济迅速发展，改革开放不断深入，工业发展越来越快，就要求我们能够快速制造，提高生产力，从而降低成本，基于maxscan逆向工程就是在这个大背景下迅速发展起来的，它是通过扫描小物体，获取点云数据，再通过一些软件处理，得到我们想要的东西。

逆向工程，也有称逆向技术，是通过对某种产品的结构、功能、运作进行分析、分解、研究后，制作出功能相近，但又不完全一样的产品过程。逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害，但是在实际应用上，反而可能会保护知识产权所有者。例如在积体电路领域，如果怀疑某公司侵犯知识产权，可以用逆向工程技术来寻找证据。1逆向工程

1.1 定义 逆向工程（又名反向工程，reverse engineering-re）是对产品设计过程的一种 描述。在2007年初，我国相关的法律为逆向工程正名，承认了逆向技术用于学习研究的合法性。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从设计到产品的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后在详细设计阶段完成各类数据模型，最终将这个模型转入到研发流程中，完成产品的整个设计研发周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。逆向工程产品设计可以认为是一个从产品到设计的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品，反向推出产品设计数据（包括各类设计图或数据模型）的过程。从这个意义上说，逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。比如早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。随着计算机技术在各个领域的广泛应用，特别是软件开发技术的迅猛发展，基于某个软件，以反汇编阅读源码的方式去推断其数据结构、体系结构和程序设计信息成为软件逆向工程技术关注的主要对象。软件逆向技术的目的是用来研究和学习先进的技术，特别是当手里没有合适的文档资料，而你又很需要实现某个软件的功能的时候。也正因为这样，很多软件为了垄断技术，在软件安装之前，要求用户同意不去逆向研究。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。软件的逆向工程可以用多种方法实现，主要的三类软件逆向工程是：通过观察信 息交换进行分析。主要流行于对协议做逆向工程，它使用总线分析器和数据包嗅探器，例如，为了访问一个总线连接或一个计算机网络连接并揭示其上的通信数据就可以使用这种方法。通过分析总线或网络的活动，做出一个独立的实现用以模拟那些活动。此法对设备驱动的逆向工程特别有用。在进行嵌入式系统的逆向工程时，厂商特意引进的工具有时能产生极大的促进作用，例如jtag端口或其他的调试法。在microsoft windows中，底层的调试器很受欢迎，例如softice。使用反汇编器进行反汇编。仅借助机器码助记符读取和理解已经被编译成原始机器码的程序。此法对任何计算机程序都有效，但是相当耗时，特别是对于不熟悉机器码的人。interactive disassembler是一个很受欢迎的反汇编工具。使用反编译器进行反编译。对只有机器码或字节码形式的程序，重建高级语言形式的源代码。这种方法得到的源代码结果不是唯一的。

1.2 逆向工程的研究与发展1980年始欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程这块领域。1990年初期包括台湾在内，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。逆向工程的硬件最早是运用仿制加工设备，制作出来的成品品质粗糙。后来有接触式扫瞄设备，运用探针接触工件取得产品外型。再来进一步开发非接触式设备，运用照相或激光技术，计算光线反射回来的时间取得距离。

逆向工程软件部分品牌包括surfacer(imageware)、icem、copycad、rapid form等。逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。十一年前在逆向工程上，只能运用catia等cad/cam高阶曲面系统。市场后来发展出两套主流产品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。到最近四年来，发展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算，速度快。逆向工程在台湾的发展轨迹持续在进行，工研院曾写过一套逆向工程软件，学术界不少研究团队也将逆向工程领域作为研究主题，开发出具不同功能的系统软件，但是最后这些软件都没有真正落实到产业界应用。工研院的团队后来也结束逆向工程研究，转而开发其它主题。原有的研发成果后继无人，殊为可惜。1998年，newpower启动了逆向工程的一些项目，要求是把客户的现有源代码转变成设计，如果需要的话，进一步转化成产品需求规约。这恰恰与类似于v模型的标准开发过程模型相逆。这样一来，客户就可以容易地维护他们的产品（需求，设计，源代码等等），而不需要想以前那样，每次改动产品都需要直接修改源代码。

是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。目前，逆向工程，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。通俗说，从某种意义上说，逆向工程就是仿造。这里的前提是默认我们传统的设计制造为“正向工程（当然，没有这种说法）”。

软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示过程，逆向工程是设计的恢复过程。逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取数据结构、体系结构和程序设计信息。

1.3 逆向工程系统 目前研究或应用中的系统可分以下几类：

(1)针对具体应用开发的系统开发了一种针对机械零件识别的逆向工程系统，此系统只能识别由平面组成的零件。开发了基于微机的逆向工程系统主要用于仿制空军部门淘汰的零件。(2)专用曲面拟合软件系统曲面拟合是逆向工程的关键过程，开发了拟合3d激光扫描数据的软件包，数据点被交互的划分区域，拟合曲面输入通用cad系统进行相交、延伸、过渡、建立完整的cad模型。此系统只处理标准的二次曲面。

(3)与商用cad系统的结合有些系统直接把数字化系统与商用cad系统结合，kwok开发的系统将cmm与autocad结合起来，每测一个点的坐标，自动转化为iges格式，系统具有实时可视化功能。

(4)测量与拟合的集成

以上系统中数字化与曲面拟合是两个分离的过程，为了提高测量精度，用拟合结果指导测量，减少测量数据，出现了测量与拟合的集成系统。liang-chia提出的集成系统，首先由用户交互地划分测量边界，每个面片的测量中实时进行b2样条曲面拟合，用拟合结果进行下一个测量点的位置预测，用实测值与预测值的误差控制测量精度和拟合精度。(5)与快速原形制造的结合

缩短产品制造的周期是逆向工程的目的之一，近年来出现了数字化系统直接用子制造的逆向工程与快速制造的集成系统，jones c开发了由激光扫描结果产生螺旋线数控加工路径的系统。

1.4 逆向工程的关键技术

当前使用的逆向工程系统存在以下不足之处：

(1)大多数系统是针对具体的应用而开发，数据处理往往针对特定的测量设备、测量对象，通用性差。

(2)曲面拟合系统大多是对于代数二次曲面，对自由曲面，特别是由大数据量散乱点拟合自由曲面，系统一般没有此功能

(3)数据区域分割往往要交互操作，降低了cad建模的速度，自动化程度低；(4)系统集成化程度低，有些系统只侧重与曲面的拟合，有些系统只侧重于与特定制造技术的结合，系统只包含简单几何数据，不符合现代设计制造的并行思想。几何建模是逆向工程的关键环节，同时也是影响逆向工程速度的瓶颈问题，因此，提高逆向工程几何建模的自动化程度和通用性是目前逆向工程研究的一个重点方向。作者提出了一种逆向工程几何建模自动化系统，具有体现设计意图的特征建模的特点，数据点的组织方式不限，输出的b-rep模型与现有商用cad系统完全兼容。系统的关键技术在于特征的自动提取、组合自由曲面的光滑连接。

提高系统的集成性，有些情况cad 模型并不是必需的，或者为了最快的制造产品，需要数字化系统与cmm 的直接结合；另外，有些产品(例如注塑模、注塑件的设计)需要多次进行cae 分析，由数据点直接产生cae 模型，可极大地提高产品的设计、分析过程，在上一节已有一些集成系统的应用实例，大多是根据具体情况的部分集成，邢渊提出了完整的逆向工程集成系统框架，具有cad、cae、cam 多个数据接口，采用了面向对象的集成方法。关键技术是通用、开放的产品数据库结构。

三坐标测量可分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以细分为点触发式和连续式数据采集方法。对于航空航天、汽车等行业，大型样件的测量一般可以选用接触式测量，以满足精度要求。因为，接触式测量中的点触发式测量可以通过人为规划，使得在大曲率或曲率变化剧烈的区域获得较多的测量点，而在相对平坦的区域则可以测量较少的点。结合造型方法，人工对被测物体进行区域规划，测量对物体形状起关键作用的特征线和曲线网格，数据点可以根据需要组织成模型重建软件所需要的形式，然后根据特征线及曲线网格重建物体的cad模型，减少了数据处理的难度和工作量。其唯一的缺点是测量效率较低。

逆向设计教学 篇5

摘要：以车门为例，采用三维激光扫描方式提取三维数据信息及进行数据化预处理，用UG软件实现模型重建，并对其中的关键技术作进一步的分析与研究。实践证明，基于逆向工程技术的产品重构可提高产品的研发速度，缩短产品上市的周期。

关键词：逆向工程;车门;数字化处理;UG软件;三维重建

1前言

传统的产品设计是从概念设计到产生工程图纸，通过工程图纸指导加工制造出产品，它是一个正向或顺向的设计过程。而逆向工程是相对于传统的产品设计流程提出的，它是先有实物模型(产品原型或油泥模型)，通过相关的数字化技术采集到实物表面的点云数据，经过相关逆向软件处理后导入三维几何造型软件建立CAD数字模型，然后根据CAD模型仿造出相同的实物产品或在原有设计基础上制作出功能相近，但又不完全一样的新产品。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，逆向工程技术在航天、汽车、电子产品、工艺品行业及医学等方面得到了较大程度的应用，特别适合具有复杂形状的零部件产品设计，它在提高产品设计的精度、修复还原损坏或磨损零件、检测产品、缩短新产品设计周期、加快产品的更新换代速度及减少企业设计开发新产品的成本等方面起到了举足轻重的作用。逆向工程技术被企业接受已有近十年左右的时间，历史虽短，但是它具有广阔的应用前景和抢占市场先机的优势，特别是对提高企业产品竞争力方面具有巨大的推动作用，已经引起了国内外众多企业的关注和应用。在产品开发过程中，逆向工程技术常被企业认为是消化、吸收先进技术的重要方法之一，是企业推进自身快速发展的一条捷径，更是企业实现新产品快速开发并迅速推向市场的一种技术手段。本文以某企业项目中的车门零件开发为例，通过对其产品原型进行数据采集、预处理、CAD模型重建及优化设计，详细分析了逆向工程在产品设计中的应用。

2数据采集与预处理

2.1数据采集

在逆向工程技术设计时，需要从样件中提取三维数据信息。样件表面的空间数据采集是逆向工程中的重要阶段，它是用一定的设备对样件进行测量来获取物体的空间表面数据，目前常用的采集方法主要分为接触式测量和非接触式测量两种。其中，接触式测量常用的设备有三坐标测量机和机械手等，主要依靠测头与模型表面相接触进行扫描获取零件的表面数据，其测量精度高、成本低，缺点是测量速度慢，接触扫描过程中因摩擦力和弹性变形的存在易引起模型产生变形从而导致测量误差，对细微部分的测量也受到限制，因此适合扫描材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体。非接触式测量方法有激光扫描、照片扫描和断层扫描，其中激光测量速度快、精度高，不会产生由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，获得的点云信息量大，精度高，能最大限度地反映被测表面的真实形状，适用于各种软硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。本文采用GOM公司生产的ATOS光学扫描仪来进行扫描，该系统采用的是结构光投影测量法，它被认为是目前三维形状测量中最好的方法之一。它拥有扫描速度较快，对于大曲面的扫描精度较高。由于测量设备有一定的测量范围限制，数据采集过程中不可能通过一次定位获取待测模型所有表面的数据点信息，必须经过仔细分析选择尽可能少的装夹次数进行装夹，分块测量。由于扫描是采用光学原理，为了反光，扫描前在可在模型表面均匀喷涂一层显影剂，并在平缓的样件表上上粘贴上参考点。参考点的布置应保证被测物转到任意角度后系统在此位置上能找到多于4个以上的参照点，保证测量系统在任意位置随机扫描时各次所扫得的数据能重合成一整体，保证测量坐标系的准确定位及分部分扫描的合并数据能构成整个样件的数值模型。对于大件物体，结合GOM公司的TRITOP照相技术，能够轻易扫描完整的零件表面。

2.2数据预处理

Imageware和Geomagic是著名的专用逆向工程软件，其中Imageware软件具有强大的点云处理和NURBS曲面重构功能，被广泛应用于汽车、航空和消费家电等领域，Geomagic软件具有NURBS曲面重构功能，人工参与较少，主要应用于玩具和工艺品等领域。根据软件的特点，本文选择Imageware软件对点云数据进行处理，具体步骤如下：

(1)首先导入由扫描仪处理后的数据。合并点云，删除多余点云，删除零件体外的杂点。

(2)本次扫描是车门内外板一起进行扫描，所以需要对点云进行分割。其中内板、外板的点云需分开单独进行存放，方便后续的模型重构。

(3)由于整个扫描数据是由一张张图像拼接而成，且在扫描过程中不可避免受到振动、镜面反射或零件粗糙的表面等因素的影响，测量中会产生数据噪声，噪声不仅会增加曲率或法矢的估算误差，影响数据分块，而且还会破坏曲面模型的光顺性，需对点云进行数据除噪。

(4)降噪后的点云有可能存在大量的冗余数据，过密的点云不但存在计算工作量大，而且可能影响其光顺性。因此，在曲面造型前需要按一定要求进行数据采样，减少测量点的`数量，以便后续建模的需要。

3实体造型重构和检查

3.1实体造型重构

实体造型重构是逆向工程的最关键、最复杂的环节，因为后续的产品加工制造、快速成型与虚拟仿真都需要CAD模型的支持。实体造型重构不仅需要设计师能熟练应用软件，还要尽可能地了解到原有产品的设计思想，分析模型的类型、品质与建模思路。好的逆向设计，需要对产品有足够的理解，需要了解零件及零件特征的使用功能、判断零件是否存在变形等多方面因素。比如，零件在焊接成总成后，原来是平面的地方会变形为曲面，因此就需要多方面评估此处是按照曲面构建还是按照平面构建。这样做出的逆向模型，才能符合原设计者的设计意图。在逆向设计时，首先了解其曲面是自由或初等解析曲面(如平面、圆柱面或圆锥面等)，对自由曲面考虑具有方便调整曲线和曲面的模块，对初等解析曲面件则考虑直接利用旋转、拉伸、扫描、混合等简单的建模命令完成。其次了解样件曲面是A级曲面(如汽车、摩托车的车身外表件)、B级曲面(不重要的表面，比如汽车的内饰件表面)或其他要求更低的曲面，对于A级曲面考虑对曲面调整的同时动态更新检测结果。最后结合样件的特点选择合理的建模方法，必要时再进行改进实现创新设计，工作中尽可能地做到提高建模的质量与效率。常用的实体建模软件有Pro/E、UG、CATIA等，本案例主要采用UG软件创建三维实体造型。打开UG软件，选择“导入”――“STL”，将之前处理好的STL文件导入UG软件，使用软件中的“建模”模块进行逆向设计，可以方便而快速地创建曲面和特征。首先重构特征线并调整其光顺度，通过“扫掠”和“网格曲面”构建出产品的大体外观轮廓，其次构建细部特征，比如窗框等，最后进行适当的倒圆、裁剪，并将曲面进行加厚和实体化，得到车门零件的实体造型.

3.2模型检查

车门的造型曲面是由点云数据经过曲线提取、曲面构建、特征构建等逐步完成的，在各步骤中不可避免的会产生一些误差。所以利用点云分析功能，将最终逆向而得的产品表面与点云数据进行比较是很有必要的。通过云图将偏差显示出来，可直观地看到三维模型与点云之间的差别，如图5所示，最后由设计师根据设计经验并结合产品的特性，针对误差较大的区域进行分析，决定是否有必要进行修正和优化。

4结语

本文通过ATOS扫描仪对车门零件进行数据采集，利用Im-ageware软件对所获取的表面点云数据进行降噪和压缩处理，并利用UG软件强大的曲面造型和特征设计功能完成实体建模，整个设计过程需要多种设备和多种软件配合完成，软件集成化程度低，需要大量的人机交互工作，专业性很强，因此提高软件的智能化水平是今后逆向工程的一个发展趋势。其次，逆向工程技术与设计师的经验与水平有着密切的关系，但由于其蕴含着对已有科学、技术的继承和应用的借鉴，所设计的产品具有起点高、周期短、成效快、成本低等的优势。因此，在市场经济竞争机制日益激烈的未来，逆向工程将在制造业中必将得到更广泛的应用。

参考文献:

[1]王宵.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,.

[2]UGS.ImagewareComponentsHelp[K].美国:UGS,2004.

[3]诸刚.逆向工程技术在汽车后视镜设计中的应用[J].工程塑料应用,,3(43):76-79.

逆向设计教学 篇6

一、课题的背景

现在，作文教学成了初中语文教学的重头戏。教师和学生都投入了很大的精力，花费了不少时间，但往往事倍功半，效果不尽如人意。尤其作文批改数量大任务重，教师苦不堪言，然而学生对于教师的作文评价，感到反馈不及时，常常是到评讲时，上次作文的题目都已经忘了。艾宾浩斯遗忘曲线告诉我们，如果知识不进行及时巩固复习，那么遗忘的速度是会很快的，因而必须及时对学生的作文进行反馈。为了改变作文批改的这种状况，不少语文教师和研究者进行了实践探索和理论研究。他们注意到了学生处于作文批改的被动地位，要求还给学生批改作文的主动权，让学生动起来。四川师范大学的马正平教授呼吁让“学生由被动的配角变为主角，由边缘走向中心”。注意到了对作文批改标准的探索和研究。钟显林老师提出了“作文评价体系由语文标准、教学标准和价值标准构成的”，主张依照这三个标准去批改作文。加强了对作文批语的研究。周连森老师从心理分析的角度，介绍了三种受学生欢迎的作文批语：鼓励性、表扬性的批语，认真、精细的批语，新颖、有味的批语。这些探索和研究，都表明了作文批语开始走向学生，走向成熟。注意到了调动多元力量参与作文批改。当代的作文批改模式多种多样，有教师的批改，有学生之间的相互批改，有学生的自我批改；但大多遵循着一次性的批、改模式。深知作文批改的朱自清先生就说过，“一次要改去许多毛病，势必做不到”。作文是一项相当复杂的活动，每次作文批改只能相对地“治疗”一部分毛病。要想彻底的“治愈”，必须开放作文批改过程，实现即时批改与延时批改的有机结合。为了解决一次作文批改量大的问题,我尝试利用“病文评改”和“优秀作文点评”进行作文教学的促进，做“以改促写”，逆向作文教学的尝试，并把它作为自己的“个人课题”进行研究。

二、研究的目标：

旨在提高学生的写作水平，搞好教师对学生的辅导。着重解决两个方面的问题：

（一）学生的问题。在目前作文教学中存在着许多问题，学生不愿意写，不会写，应付差事，质量差。

（二）教师的问题。教师批改负担重，批改质量差等，严重影响了学生作文水平的提高。最终，使绝大多数学生能达到中学语文教学大纲的要求，基本消灭不会写作文的差等生，优等生更优，个性特长得到充分发展，以促进学生语文质量的普遍提高。

三、研究的内容

（一）精选有病范文让学生评改。每组正副两个组长，一组六人，一个班级共分七个小组。小组讨论，组长汇总，但每人必须提出自己的评改意见，出了问题找组长算账。

教师的任务，精选例文，每组文章皆不相同，检查每组的批阅效果。

（二）分阶段进行。如

第一阶段（2013年9月3日——2013年9月20日）： 让学生互阅，看卷面是否整洁，标点符号有无明显的错误，查出错别字，找出病句，要写总评等等。

要求：学生要打草稿的，刚开始进行。即构思立意、列纲起草，学生要有草稿作文本。第二阶段（2013年10月——2013年12月）：

学生互阅，选材是否围绕中心，是否有典型性，段落层次是否清晰，开头是否呼应，写总评等等。

要求：作文批改后，要修改加工，应做到改后的作文要好一点。第三阶段（2014年1月——2014年4月）：

《语文课程标准》要求：写作初中时，应能在45分钟内完成不少于600字的习作。要求：统一批改符号，便于互评、讨论和教师审阅。

四、研究思路与方法

（一）研究思路：教学活动是一种双边活动，教与学互为条件，互相依存。教学的方式体现了师生双向反馈的教学相长过程，使他们体验到自己是学习的主人。

（二）研究方法：

１、首先给学生讲清本实验的目的宗旨，达到全体学生的理解配合，做好前期的思想准备工作。

２、将作文批改主体参与的具体办法讲给学生，明确目标，内容，方法。具体做法如下；

第一、小组内互批（或小组之间互相调换批改）

第二、学生批阅。要求严格按照批改指导认真批阅，有眉批尾批，等级实行百分制，要量化（如错一个字扣2分等），并签有自己的名字。

第三、每组推荐同学朗读评改的作文，并将自己的修改意见和批语也一并读出来，供大家共同讨论，分析、借鉴，对批改中的问题或不足，师生共同分析，探讨，以不断提高学生的批阅能力。

第四、学生批改完后，收交教师，教师再做审批，主要是看学生批阅的细不细，有什么不当的地方，及时发现问题，总结不足，下次纠正。使学生的批改有章可循，有据可依，并逐步规范化。

五、参考文献

（一）施树森《怎样使同学注意作文批改》《谈作文批改》天津大众书店1952年10月出版。

（二）马正平《中学写作教学新思维》中国人民大学出版社2003年版。

（三）钟显林《论作文评价》《吉安师专学报》（哲学社会科学）1997（11）。

（四）张隆华主编《中国语文教育史纲》湖南师范大学出版社1991年版。

弯管零件逆向设计方法的研究 篇7

弯管零件应用广泛, 但由于其空间结构上的复杂性, 测量弯管零件比较困难, 进而导致仿制弯管零件的困难。利用三坐标测量机, 可以在较短时间内测得大量弯管零件表面上的点。利用最小二乘法可以求解得到弯管零件的各项参数的近似值。试验证明, 利用该方法得到的弯管零件的参数误差在许可范围之内, 符合实际生产的需要。

1计算原理

弯管零件的结构为直段与弯段相连接, 两直段中必为弯段, 两弯段中必为直段 (否则数控弯管机无法加工) 。弯管零件的主要参数为其关键点坐标 (即弯管零件上相邻两直段中心线的交点坐标) 、弯曲部分的弯曲半径以及所加工的管子的半径。

弯管零件的拟合可以分为直段部分拟合和弯段部分拟合, 直段部分的拟合目标为圆柱, 弯段部分的拟合目标为圆环。本文仅就直段部分的拟合做出分析研究。

首先, 圆柱面方程为:

undefined。 (1)

其中:x0、y0、z0、m、n、l、R为圆柱面参数, o (x0, y0, z0) 为圆柱面轴线上的任意一点, R为圆柱半径;r= (l, m, n) 为沿着圆柱面轴线方向的单位矢量, 由于r为单位矢量, 故m2+n2+l2=1。假设圆柱半径R可由其他手段测量得到, 则只需测量5个独立的参数即可确定唯一的圆柱面方程。

对于弯管零件来说, 其最重要的参数是关键点 (两相邻直段中心轴线的交点) 坐标, 将这些点顺次相连得到的空间折线即可近似表示出管件的空间形状。为了求解交点, 可采用以下若干方法:

(1) 利用最小二乘法分别求得两直段圆管中心线的方程, 然后再根据得到的两个直线方程求其交点。但由计算得到的各个参数均存在一定误差, 这导致交点有可能不存在。此时需要用两线上距离最近的点来代替关键点, 其误差难以控制。

(2) 假设有:

undefined。 (2)

undefined。 (3)

其中: (x0, y0, z0) 为相邻两圆柱中心线的交点;矢量 (l1, m1, n1) 和 (l2, m2, n2) 分别为两直段的方向矢量;点 (x1, y1, z1) 为第一个直段上的点;点 (x2, y2, z2) 为第二个直段上的点。

先利用最小二乘法求得第一个直段的轴线方程为:

undefined。 (4)

其中:点 (x, y, z) 为轴线上的点;k为参数。分别将x, y, z表示为参数方程形式代入式 (3) , 则式 (3) 将转化为关于参数k以及该段圆柱方向矢量的方程。该方法可保证最后求得的关键点对相邻两直段圆柱中的某一段误差最小。

(3) 由式 (2) 、式 (3) 可以看出, 相邻两直段的方程中有一个公共的点 (x0, y0, z0) , 即相邻两直段中心线的交点。以此为纽带, 将式 (2) 、式 (3) 构成方程组联立, 然后将各个测量点代入, 即可得到一个方程组。此时, 待求解参数则扩充为:

X= (x0, y0, z0, l1, m1, n1, l2, m2, n2) 。 (5)

需注意的是, 其中只有7个参数是线性无关的。实际上, 如果在计算过程中直接使用l, m, n的话, 其单位矢量的约束关系m2+n2+l2=1很难保证。为此, 使用球坐标来代替矢量 (l, m, n) 将会很方便, 即有:

undefined

。 (6)

其中:φ, θ为球坐标变量。从而使得待求变量为:

X= (x0, y0, z0, φ1, θ1, φ2, θ2) 。 (7)

然后直接利用最小二乘法求解此非线性方程组即可。由于此方法两直段方程相互之间的影响, 会有对初始值要求较高、收敛因子难以适当选取和迭代次数较多才能收敛等问题。

如果在计算过程中精度需求一般的话, 前两种方法得到的结果是能够满足需要的。如果需要更精确的结果, 则可采用第3种方法。需注意的是, 使用第3种方法如果参数选择不恰当的话, 很有可能达不到前两种方法的精度, 而且迭代次数多, 计算量大。

以上3种方法都用到了最小二乘法, 并且所求解的都是非线性方程组, 所以本文使用Levenberg-Marquardt迭代法进行求解。

2管件轴向矢量初值的确定

Levenberg-Marquardt迭代法比高斯牛顿法收敛区间较大, 但仍需要给出比较接近精确解的初始值, 下面提供一种方法可以满足要求。

在给定坐标系OXYZ情况下, 此空间中任意一个圆柱先绕OZ轴旋转一定角度α后再绕OX轴旋转一定角度β, 圆柱将会垂直于OXY平面。此时圆柱在OXY平面上的投影将是一个圆, 圆心即为圆柱中轴线的投影。在得到此投影圆的圆心坐标 (xc, yc) 之后, 设有点a (xc, yc, 0) 和单位矢量b (0, 0, 1) , 分别将其沿着OX轴旋转-β后再绕OZ轴旋转-α, 经过变换后的点a′是圆柱轴向中心线上的一点, 矢量b′是圆柱的轴向矢量。如果能够求得两次旋转的角度α和β, 则能够唯一地确定一个空间圆柱。

假设有圆柱面上的n个点 (Xi, Yi, Zi) , i=1, 2, …, n。在这些点经过绕OZ轴和OX轴的两次旋转变换后, 再将其投影到OXY平面上。若进行投影时圆柱垂直于OXY平面, 则投影后的n个测量点将分布在一个圆上, 否则这些点在OXY平面上沿其轴线投影呈带状分布。利用最小二乘法对这些点进行圆拟合, 可以得到拟合后的圆心坐标, 然后计算拟合误差值t (t≥0) :

undefined。 (8)

其中:点 (xc, yc) 为最小二乘拟合后得到的圆心坐标;Xi′, Yi′为投影点。可以想象, 当且仅当圆柱垂直于OXY平面时, 才能得到最小误差t (理论情况下t=0) 。为了确定角度α和β, 采用二维格点法进行优化搜索, 优化搜索流程图见图1。

因为只有在圆柱垂直于OXY平面的情况下, 误差t才会取得最小值0。所以在整个搜索过程中得到的最小值都应该是圆柱接近于垂直时才能得到的。测量点的空间分布和点的个数可以保证在圆柱不垂直于OXY平面时t>0。

如果计算后得到的误差值t不满足精度, 则缩短区间使得步长值变小, 直至误差t小于给定值。此时得到的角度即为能使空间圆柱变换为近乎垂直OXY平面的角度α (绕OZ轴) 和β (绕OX轴) 。所以按照α和β对点 (xc, yc, 0) 和矢量 (0, 0, 1) 进行逆向变换 (先绕OX轴再绕OZ轴, 角度分别为-α和-β) , 即可得到圆柱轴线上的一点和圆柱的轴向矢量。经实验验证, 该方法准确度较高。影响其搜索速度的主要因素是测量点的个数, 如果测量点个数在20个左右的话, 单个圆柱的计算耗时较少。

至此, 就确定了空间圆柱所需要的5个独立参数, 为后续求解步骤提供了初始值。事实上, 圆柱上的点一般是由坐标测量机测量得到的, 在测量误差范围较小的情况下, 使用该方法所获取的初始值与空间圆柱的真实参数也是极为接近的。

3计算实例

圆柱1轴线与OZ轴重合, 先绕OX轴旋转45o, 再绕OZ轴旋转45o。圆柱2轴线与OZ轴重合, 先绕OX轴旋转120o, 再绕OZ轴旋转60o。两圆柱直径均为20, 加入随机误差-0.005～0.005。利用本文所述方法3解得的管件关键点及误差见表1 (相对于直径, 坐标最大误差为0.11%) 。管道矢量初值确定:圆柱轴线与OZ轴重合, 直径20, 加入随机误差-0.005～0.005, 确定的初值结果见表2。拟合后的管道如图2所示。

4结论

主要研究了利用最小二乘法计算弯管零件关键点的方法, 并给出了快速求解计算所需初始参数值的方法。利用该方法对测量点进行拟合从而得到弯管零件的关键点。实验的结果证实了该方法的有效性。

摘要：弯管零件用途广泛, 但由于其空间的复杂性, 不易测量与仿制。利用三维坐标测量机, 可以在较短时间内测得大量弯管零件表面上的点。利用数值方法, 即可得到弯管零件各项参数的近似值。在单段圆柱拟合的基础上, 重点关注弯管零件关键点的求解, 同时给出了一种快速确定弯管矢量初值的方法。

关键词：弯管零件,最小二乘法,逆向设计

参考文献

[1]顾步云, 周来水, 刘胜兰, 等.逆向工程中二次曲面拟合方法的研究[J].机械制造与自动化, 2003, 33 (1) :11-14.

[2]孙庆.基于点云的二次曲面特征提取理论和技术研究[D].杭州:浙江大学, 2003:10-30.

[3]袁亚湘, 孙文瑜.最优化理论与方法[M].北京:科学出版社, 1997.

逆向设计教学 篇8

关键词：导管；CATIA；逆向工程

中图分类号：TH126 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0001-02

近年来，随着数字制造技术的迅速发展，国内导管的制造水平得到了很大的提高，非焊接导管已基本可以通过数控弯管机进行加工，但对于焊接类导管，在实际装配中需要随时进行调整，其形状与原导管的差异也会较大，这就给更改理论模型带来了很大困难。

根据模型与零件出现的先后关系，我们可以将生产过程分为正向工程与逆向工程。逆向工程的思路是通过已有的产品来进行三维模型设计，由于其独特性，既能满足数字化制造的需要，又可以在原产品的基础上进行升级。目前在汽车、医疗、航空、航天、虚拟环境等多个领域得到应用。同样，通过逆向工程将敲修后的导管零件转化为三维模型，是导管制造的有效方法。

1 导管制造

导管零件结构形式为双端口或多端口；端口一般为圆形，过渡段带扩口或者缩口。由于飞机空间有限，为了尽可能节省导管所占空间，必须将导管弯曲成各种形状，同时避免互相干涉。在实际生产装配中，导管零件通常需要重新制造。通常需要先敲修导管形成实样，并以实样为依据，制造出零件模胎。这种方法不易控制导管的各部位尺寸，工作较为费力，工作量大。即使由有经验的工人进行操作，并且工装制造也麻烦。

2 逆向工程

2.1 定 义

逆向工程，是指用某种手段对实物或工装进行测量，根据测量数据通过CAD方法重构实物CAD模型的方法。

2.2 CATIA逆向功能

对于CATIA的逆向工程，主要是利用点云或者网格设计出模型建立的的基本元素：点、线和面。经过优化处理，建立模型，使之达到符合要求的状态。CATIA逆向工程主要的模块为数字化曲面编辑Digtized Shape Editor（简称DSE）以及快速曲面创建Quick Surface Reconstruction（简称QSR），两者分别针对逆向设计中的两个阶段。部分逆向扫描设备采集形成的为点云。由于点云包含数量极其庞大的点，不利于设计时分辨零件特征。针对这个问题，需要通过DSE模块，将点云形成网格。网格无法直接用于零件生产，还需要在QSR模块下，将网格处理为表面质量更好的曲面。

3 导管逆向建模方法

3.1 扫描要求

采用逆向技术解决导管制造的优点在于可以完全保留敲修后的轮廓。为更好的进行扫描操作以及后期的逆向设计，导管表面应具备较好的光滑度，不应出现变化过于剧烈的部位。

3.2 点云筛选

一般情况下，扫描的点云数据量较大，需要依据零件表面的曲度变化，如图1所示，筛选合适的数据量，使得既可以保留表面的重要特征，又能提高运算效率，并且更好的利用系统空间。从设计角度考虑，曲度大的部位，需要多一些的点表示零件特征；曲度小的部位，选择少量的点即可表示零件形状。由于导管类零件大部分表面的曲度比较类似，因此通常采用平均取点的过滤方式，如图2所示。