逆向工程在機械學(xué)科實踐教學(xué)中的運用與研究

周敘榮 毛建秋 徐波 祝世超

摘 要：逆向工程是一種實用、快捷、高效的先進制造技術(shù)，主要是消化已有的先進技術(shù)以最短的時間創(chuàng)新運用到現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中，近年來其在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用價值尤為突出。為了培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，許多院校開始把逆向工程技術(shù)增加到工科專業(yè)實踐教學(xué)中去。作者結(jié)合所屬學(xué)院課程建設(shè)的自身特點，介紹了逆向工程實踐課程，課程包括點云數(shù)據(jù)采集、逆向建模、創(chuàng)新優(yōu)化、加工制造等，從課程安排、教學(xué)實施以及成績評價等方面進行了探討。

關(guān)鍵詞：逆向工程? 實踐教學(xué)? 點云數(shù)據(jù)? 逆向建模

中圖分類號：GXXX? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號： 1674-098X（20XX）XX（X）-XXXX-XX

Abstract：Reverse Engineering is a practical， fast and efficient advanced manufacturing technology， which mainly digests the existing advanced technology to innovate the application of modern product design in the shortest time. In recent years， its application value in the field of intelligent manufacturing is particularly prominent. In order to cultivate applied innovative talents， many colleges and universities began to add Reverse Engineering technology to the practical teaching of engineering majors. Combined with the characteristics of the course construction of the college， the author introduces the reverse engineering practice course， which includes point cloud data acquisition， reverse modeling， innovation optimization， processing and manufacturing， and discusses the course arrangement， teaching implementation and performance evaluation.

Key Words：Reverse Engineering; Practice teaching; Point cloud data; Reverse modeling

中國要從制造大國邁向智造強國[1]，需要依靠科技來發(fā)展智能制造，國內(nèi)急需大量智能化的復(fù)合型專業(yè)人才，智能制造在機械領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾碌陌l(fā)展趨勢，而逆向工程是智能制造、創(chuàng)新創(chuàng)造的主要實現(xiàn)方式之一。近年來逆向工程技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是在智能設(shè)計制造領(lǐng)域，運用逆向工程技術(shù)，可以對現(xiàn)有實物產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)進行模型反求、優(yōu)化再設(shè)計、快速制造。這樣通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外現(xiàn)有的先進技術(shù)并迅速加以吸收消化，在極短的時間內(nèi)可以優(yōu)化設(shè)計制造出新的產(chǎn)品，可實現(xiàn)小批量、多品種、個性化的產(chǎn)品，搶占市場的一席之地[2]。針對市場對逆向工程技術(shù)的需求，為培養(yǎng)滿足市場需求的智能制造型人才，國內(nèi)一些院校相繼增設(shè)了逆向工程課程或增開了相應(yīng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[3]。

1 逆向工程含義

逆向工程，又稱反向工程、逆向技術(shù)、反求工程、抄數(shù)等，是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)重復(fù)再現(xiàn)過程，運用逆向思維，由結(jié)果推原理，吸收并改善原理的過程。往往用逆向工程分析已有產(chǎn)品，消化吸收和挖掘蘊含其設(shè)計方法，加以創(chuàng)新，快速制作出外形和功能相似而又不一樣的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法不同，逆向工程是利用三維掃描測量儀或三坐標(biāo)測量儀，快速、準(zhǔn)確地測量實物表面數(shù)據(jù)或輪廓，得到的數(shù)據(jù)加以點云處理，再進行曲面構(gòu)建，重構(gòu)得到三維實體數(shù)據(jù)模型，最后通過3D打印、數(shù)控加工或機械加工制造出實物，全過程如圖1所示。逆向工程以其獨特的應(yīng)用價值廣泛應(yīng)用于智能制造、汽車模具、醫(yī)學(xué)影像、文物修復(fù)、藝術(shù)品的仿制和破損零件的修復(fù)等方面[4]。

2 逆向工程實踐教學(xué)內(nèi)容

逆向工程實踐教學(xué)內(nèi)容涉及逆向工程的全部實施過程，從實物樣品的數(shù)據(jù)掃描到逆向建模，再創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計，最后將優(yōu)化后的零件制造加工出來，全部過程如圖2所示，其中點云數(shù)據(jù)采集和逆向建模是重點教學(xué)內(nèi)容。具體如下，在實物樣品點云數(shù)據(jù)獲取階段，涉及教學(xué)內(nèi)容主要是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的使用。通過對三維激光掃描儀設(shè)備進行講解，使學(xué)生很直觀地了解掃描儀的數(shù)據(jù)采集原理，并在現(xiàn)場演示三維激光掃描儀點云數(shù)據(jù)采集。逆向建模階段教學(xué)內(nèi)容主要是教授逆向設(shè)計流程和逆向工程軟件的使用，逆向設(shè)計流程包括點云處理、網(wǎng)格封裝、曲面構(gòu)建、三維重構(gòu)等，可以使用Geomagic、Copycad、Rapidform、CATIA、UG等逆向工程軟件進行反求，選擇較易上手的Geomagic Design X講解典型逆向建模案例，并讓學(xué)生進行案例操練，使學(xué)生了解逆向建?；玖鞒?，并最終熟練掌握逆向操作要領(lǐng)。創(chuàng)新設(shè)計階段是吸收逆向求得到的模型并進行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計，以提高或改進產(chǎn)品的性能與外觀，旨在鍛煉和提高學(xué)生對產(chǎn)品功能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、創(chuàng)新優(yōu)化的能力。加工制造階段訓(xùn)練學(xué)生的3D打印技術(shù)、數(shù)控編程能力和出工程圖樣的能力。整個過程涵蓋了機械類學(xué)生應(yīng)該要掌握的知識和能力，既要掌握理論又要學(xué)會操作，使學(xué)生能夠正確掌握機械設(shè)計與機械制造的相關(guān)知識和技能[5]。

3 逆向工程實踐教學(xué)實施過程

逆向工程實踐教學(xué)主要為機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)、材料成型及控制工程專業(yè)等本科生開設(shè)的。教學(xué)形式采用線上線下混合式——即線下傳統(tǒng)課堂和線上網(wǎng)絡(luò)課堂相結(jié)合的方式進行教學(xué)，教師在組織教學(xué)時，一邊在實驗室進行實際操作演練，并講授重點難點知識;另外再借助線上或移動教學(xué)平臺，將事先拍攝的操作流程或選擇的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源上傳，學(xué)生可以課外自主學(xué)習(xí)與回放學(xué)習(xí);教師在線上線下與學(xué)生互動，解答學(xué)生疑惑[6]。實踐教學(xué)過程堅持“實踐為主、配合講練、有問必答”的原則，分為基本操作訓(xùn)練、工程實踐訓(xùn)練和總結(jié)與評價3個階段進行。

3.1基本操作訓(xùn)練階段

3.1.1設(shè)備認知與操作

逆向工程的第一步是使用3D掃描設(shè)備獲取點云數(shù)據(jù)，涉及設(shè)備的了解和操作測量演練，根據(jù)其測量方式分有非接觸式測量設(shè)備如激光掃描儀和接觸式測量設(shè)備如三坐標(biāo)測量儀[7]。為了使學(xué)生對三維掃描技術(shù)相關(guān)設(shè)備的了解，在實驗室安排了掃描設(shè)備認知與操作訓(xùn)練課。第一步，利用圖片和文字形式集中講授三維掃描測量相關(guān)設(shè)備的構(gòu)造、原理及使用方法。第二步，講授典型案例讓學(xué)生掌握操作要領(lǐng)，本文涉及的掃描儀是由上海數(shù)造機電科技股份有限公司制造的3DSS型三維掃描儀，屬于非接觸式測量。課程結(jié)束后將相關(guān)資料上傳至線上供學(xué)生課后復(fù)習(xí)與回顧。最后把學(xué)生分成幾個小組，每組學(xué)生分別進行3D掃描操作演練。

3.1.2軟件學(xué)習(xí)

逆向工程軟件種類繁多，目前主流使用且成熟的逆向反求軟件主要有Geomagic、Catia、RapidForm、Imageware以及CopyCAD等商用軟件[8]，其中常用于點云的處理有Geomagic Wrap、CopyCAD等，常用于逆向建模有Geomagic Design X、Catia等。

教學(xué)任務(wù)是為學(xué)生理清建模思路，熟練建模流程，教學(xué)形式采用“教—練—教”形式。首先在實踐課堂上教師將掃描得到的點云數(shù)據(jù)通過常用軟件Geomagic Wrap進行點云處理、網(wǎng)格封裝等過程的講授，再用常用反求軟件Geomagic Design X講授曲面構(gòu)建、三維重構(gòu)等過程操作。其次，在課下學(xué)生根據(jù)教師講授的過程與上傳的經(jīng)典案例視頻，自己動手練習(xí)，并最終逆向得到三維模型。最后，教師根據(jù)學(xué)生練習(xí)過程中出現(xiàn)的問題進行集中答疑與個別指點，區(qū)別對待不同類型不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，確保每一位學(xué)生都能弄懂并熟練地使用逆向工程軟件。

3.1.3創(chuàng)新設(shè)計

逆向建模完成后學(xué)生利用熟悉的三維軟件Solidworks或UG或Pro/E或Catia進行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計，訓(xùn)練學(xué)生使用三維軟件及創(chuàng)新設(shè)計的能力，此階段教師僅做答疑。

3.1.4模型加工制造

創(chuàng)新設(shè)計完成后進入模型的加工制造階段，此階段可以分別訓(xùn)練學(xué)生的3D打印能力、數(shù)控編程能力和出工程圖樣能力。教師主要講授3D打印使用原理、切片程序的生成操作、實施3D打印、打印后零件后處理等內(nèi)容，然后按小組訓(xùn)練以上打印任務(wù)。另外訓(xùn)練學(xué)生將反求優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入UG NX中完成數(shù)控加工程序編寫，最后將加工程序?qū)霐?shù)控機床完成零件的數(shù)控加工。再者，課下安排學(xué)生完成工程圖樣的尺寸標(biāo)注，編寫加工工藝。通過3D打印、數(shù)控加工、機械加工3種不同方式制造出來，體會3種加工技術(shù)的相近之處與不同之點，更好地掌握3種加工應(yīng)用場合。

3.2實踐訓(xùn)練

在完成上述階段的培訓(xùn)和教學(xué)后，應(yīng)分組實施實踐培訓(xùn)環(huán)節(jié)。在本課程中，學(xué)生將被分成幾個小組，每組將完成教師分配的基本訓(xùn)練任務(wù)。每組學(xué)生使用3DSS三維掃描儀獲取給定實物模型的點云數(shù)據(jù)，使用逆向工程軟件Geomagic Design X完成逆向建模，然后使用3D軟件進行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計。最后將優(yōu)化設(shè)計升級的數(shù)字模型通過DOGO480型3D打印機出來或數(shù)控機床加工出來。教師分配的基礎(chǔ)任務(wù)所有學(xué)生必須完成，以此來評價學(xué)生的課程成績，有余力的學(xué)生完成額外挑戰(zhàn)任務(wù)，如編寫工藝、使用非教師教授軟件完成逆向建模、逆向建模其他復(fù)雜零件等，可以獲得加分。鼓勵學(xué)生組隊參加全國3D大賽中的“3D打印&智能制造”賽事。逆向建模后3D打印的作品如圖3、圖4所示。

3.3成績評價

實踐訓(xùn)練完成后，學(xué)生就逆向工程訓(xùn)練過程中的得失進行總結(jié)，體會3種不同制造的差異，撰寫實踐總結(jié)報告。教師依據(jù)學(xué)生平時表現(xiàn)、逆向工程掌握熟悉程度、提交作業(yè)和總結(jié)報告進行綜合評價?？己顺煽兎峙淙绫?所示。

4 結(jié)語

經(jīng)過多次逆向工程實踐教學(xué)，綜合分析表明，對機械類學(xué)生進行逆向工程實踐訓(xùn)練，可以使學(xué)生了解和掌握最前沿的逆向工程技術(shù)，學(xué)會使用逆向技術(shù)中使用的設(shè)備和軟件。

通過三維掃描儀的操作、逆向軟件的應(yīng)用以及3D打印技術(shù)的實訓(xùn)、數(shù)控加工技術(shù)的演練、工程圖樣和工藝的編寫，學(xué)生對逆向工程、創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計、數(shù)控加工、機械加工等機械學(xué)科知識有了進一步的了解和更深層次的認識。特別是對三維掃描、3D打印、數(shù)控機床等新設(shè)備、新技術(shù)新工藝的認識與實踐，很好地激發(fā)了學(xué)生對逆向技術(shù)的好奇心。

參? 考? 文? 獻

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