立足機械設計與制造專業(yè)平臺的逆向設計及制作特色方向建設探索*

◆劉松

在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從設計到產品的過程，即設計人員首先在大腦中構思產品的外形、性能和大致的技術參數(shù)等，然后在詳細設計階段完成各類數(shù)據(jù)模型，最終將這個模型轉入到研發(fā)流程中，完成產品的整個設計研發(fā)周期。這樣的產品設計過程稱為“正向設計”過程，即正向工程；反之，逆向工程產品設計可以認為是一個從產品到設計的過程。

逆向工程（又稱逆向技術）是一種產品設計技術再現(xiàn)過程，即對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產品的處理流程、組織結構、功能特性及技術規(guī)格等設計要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產品。逆向工程源于商業(yè)及軍事領域中的硬件分析。其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產信息的情況下，直接從成品分析，推導出產品的設計原理。簡單地說，逆向工程產品設計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產品，反向推出產品設計數(shù)據(jù)（包括各類設計圖或數(shù)據(jù)模型）的過程。

逆向工程技術發(fā)展時間并不長，是一門新興科學和朝陽產業(yè)，卻因為它的實用性與高效性已廣泛存在于汽車、航天航空、模具等行業(yè)之中，在逆向設計、質量檢查、來樣加工和模具設計中廣泛應用。

最近幾年，隨著逆向工程在非工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，如雕刻、文物保護、服裝、電影玩具等，這一缺口已越來越大。同時，逆向工程被廣泛地應用到新產品開發(fā)和產品改型設計、產品仿制、質量分析檢測等領域，它的優(yōu)勢表現(xiàn)在：

1）縮短產品的設計、開發(fā)周期，加快產品的更新?lián)Q代速度；

2）降低企業(yè)開發(fā)新產品的成本與風險；

3）加快產品的造型和系列化的設計；

4）適合單件、小批量的零件制造，特別是模具的制造，可進行直接制模與間接制模。

然而，與之相對的是這個行業(yè)巨大的人才缺口。在中國僅有少數(shù)的高校開設了這一專業(yè)，而且多是碩士研究生等科研人才，實用型人才很少，特別是在高職學院少有培養(yǎng)逆向工程方向的專業(yè)。鑒于此種能力與機械類專業(yè)密切相關，所以，以機械設計與制造專業(yè)為基礎，培養(yǎng)逆向設計及制作能力，既可以使老牌機械類專業(yè)走出低谷，再獲新生，又可以為此能力在高職教育中找到合適載體，走出極具時代特征、傳統(tǒng)與先進結合的人才培養(yǎng)之路。

將逆向工程技術融入傳統(tǒng)機械設計與制造類人才培養(yǎng)模式，必須了解兩類工程的知識模塊構成，以原人才培養(yǎng)模式的課程體系為基礎，進行改進制定。

1 正向工程與逆向工程的工作過程分析

如圖1所示，逆向工程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、逆向建模、數(shù)模比對及優(yōu)化、樣本生產、精密檢測、產品優(yōu)化、批量生產等；正向工程包括市場調查或客戶需求、功能設計、結構設計、模擬優(yōu)化及檢測、材料選擇、生產試制、精密檢測、產品優(yōu)化、批量生產等。

2 基于正向、逆向工程工作過程的知識構成探討

將逆向工程技術融入傳統(tǒng)機械設計與制造類人才培養(yǎng)模式，必須了解兩類工程的知識模塊構成。以原人才培養(yǎng)模式的課程體系為基礎，剔除與整合相對滯后的、專業(yè)性不強的、應用性較弱的知識模塊，融入逆向工程技術人才必須具備的設備操作、軟件處理、綜合應用等能力的培養(yǎng)。

從圖1中可以清晰地看到，兩類工程都包括前期準備、創(chuàng)新設計、產品制造、后期優(yōu)化及生產四大部分。一種產品的出現(xiàn)，極大部分成本在于設計過程，正向工程中為功能設計、結構設計、模擬優(yōu)化、材料選擇等。而逆向工程中，只要一次性投入設備和軟件成本，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、逆向建模、數(shù)模比對及優(yōu)化等過程實現(xiàn)，對于設計及制造方面的專業(yè)技術人才的綜合素質要求相對低很多，只需要專門相關技術人員，就可以完成不同行業(yè)、不同層次的設計與制造，成本低很多，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。當然，逆向工程是站在巨人肩膀上的，仿制的目的是為了更好更快地實現(xiàn)優(yōu)化設計，形成自我風格和個性化的創(chuàng)造性設計，這也是設計與制造工作者的畢生使命。

綜上所述，如圖2所示，可以將基于逆向工程的機械設計與制造專業(yè)人才的培養(yǎng)所必須具備的能力分為公共基礎能力、專業(yè)基礎能力、創(chuàng)新設計能力、實體制造能力等四大部分。通過比對分析，在具備高技能公共基礎能力和機械設計與制造的專業(yè)基礎能力上，兩類工程中最核心的構成都是創(chuàng)新設計、實體制造兩大類知識。在此將兩者進行一定融合，創(chuàng)新設計包括正向創(chuàng)新設計和逆向創(chuàng)新設計；實體制造包括減材或增材加工制造和CAD模擬制造。在對崗位能力和技術特點進行分析后，認為可以通過相應的理論學習與實踐訓練獲得四類能力。

3 機械設計與制造專業(yè)教學平臺上的實現(xiàn)方式分析

出發(fā)點是將逆向工程融入專業(yè)教學中，并作為機械設計制造專業(yè)的特色進行建設，所以必須立足原有的學科體系和項目教學模塊，通過對培養(yǎng)此方向人才所需要的知識模塊進行知識結構與課程內容整合，在一定的載體上實現(xiàn)理論教學和實踐訓練，通過四門課程形成此方向的核心能力，具備一定創(chuàng)新設計及實體制造能力。

這四門課程內容及其主要作用為：

1）先進制造技術，簡單了解時代前沿的先進制造技術及設計工藝，包括先進材料成型工藝、先進加工設備、先進制造工藝、逆向及正向設計制造等；

2）PRO/E，完成數(shù)字化制造及數(shù)控加工基礎學習，掌握三維建模及正向設計，為逆向工程軟件學習奠定基礎；

3）數(shù)字化制造及逆向工程，完成逆向工程設計和逆向工程制造理論及軟件學習，包括逆向工程簡介、與正向工程區(qū)別、逆向工程軟件學習（點云數(shù)據(jù)處理、三維建模、數(shù)模比對）、三維成型原理介紹、3D打印設備學習，3D打印材料了解、CNC處理等；

4）精密檢測及創(chuàng)新設計實訓，完成創(chuàng)新設計實訓精密檢測實訓教學，包括三坐標測量儀原理及實踐、三維掃描儀操作、產品逆向建模及比對檢測、基于PRO/E或Geomegic的創(chuàng)新設計、產品打印。

經(jīng)過以上分析，對新的機械設計與制造（逆向工程方向）的課程體系進行修改，詳見圖3。

4 實現(xiàn)載體

在機械制造傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)的基礎上，根據(jù)專業(yè)教學的特點，結合機械制造技術的發(fā)展趨勢，以企業(yè)實際生產過程為主線，應用先進制造技術，整合構建一個三維立體創(chuàng)新設計與制作平臺的環(huán)境和載體，培養(yǎng)逆向工程創(chuàng)新型高技能人才是十分必要的。

設備及材料方面 籌建“精密檢測及創(chuàng)新設計實訓室”，包括復合式三坐標測量機、三維測量系統(tǒng)、教學型3D打印機及材料、FDM或MJM型3D打印機及材料。

軟件方面 籌建“虛擬教學實訓室”，完成仿真三坐標測量教學系統(tǒng)、三維測量軟件、PRO/E等軟件教學，為逆向和正向設計制造打下基礎。

課程建設方面 依托設備及軟件，進行先進制造技術、數(shù)字化制造及逆向工程、精密檢測及創(chuàng)新設計實訓、PRO/E等四門核心骨干課程的開發(fā)與建設。

師資及教學平臺方面 順應國家和廣東省先進制造技術在教育方向上的發(fā)展趨勢，積極參加“先進制造技術——3D打印”方面的國培或省培項目，增強逆向工程方向師資力量，借助原機械設計與制造專業(yè)教學資源，進行機械類公共課和正向工程教學與實踐，搭建逆向工程特色方面的機械設計與制造專業(yè)的特色平臺。

5 總結

根據(jù)現(xiàn)代機械專業(yè)的建設特點和學院的實際發(fā)展狀況，積極引入先進制造技術及裝備，開展先進制造技術的教學培訓工作。結合企業(yè)崗位發(fā)展的需要設置對口專項技能培養(yǎng)方案，提高對新裝備、新技術、新工藝的掌握能力。大力培養(yǎng)掌握先進制造技術的高素質、復合型制造技能型人才，適應于企業(yè)技術進步對人才的需求，為地方經(jīng)濟建設發(fā)展服務。

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