高校工程訓(xùn)練開設(shè)“逆向工程”實(shí)訓(xùn)課程的探索與研究

牛國棟+吳三川+王洪博+李生

摘要：“逆向工程”是先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分，在工程訓(xùn)練課程中開設(shè)逆向工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，豐富了工程訓(xùn)練的內(nèi)容，開闊了參訓(xùn)大學(xué)生的視野，提高了實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)施過程、考核方式等方面對(duì)該課程做了探討，為相關(guān)院校提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：逆向工程；三維掃描；3D打印；工程訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）22-0147-02

逆向工程（Reverse Engineering，RE）又稱反求工程，起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢測(cè)，是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋的回路。逆向工程的應(yīng)用越來越廣泛，涵蓋工程、醫(yī)學(xué)、考古、文物修復(fù)等多學(xué)科門類，嘗試將逆向工程引入工程訓(xùn)練教學(xué)，豐富了工程訓(xùn)練的教學(xué)內(nèi)容，開闊了大學(xué)生的視野，提高了實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

一、開設(shè)逆向工程實(shí)訓(xùn)課程的意義

工程訓(xùn)練是現(xiàn)代高等工程教育的重要組成部分，是一門實(shí)踐性的技術(shù)基礎(chǔ)課，是大學(xué)生熟悉零件的常用加工方法及其所用的主要設(shè)備和工具，了解新工藝、新技術(shù)、新材料在現(xiàn)代機(jī)械制造中的應(yīng)用，拓寬工程知識(shí)背景的重要途徑[1]。逆向工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，吸引越來越多的院校開設(shè)這門課程[2]。大部分是將逆向工程作為一門專業(yè)課程進(jìn)行開設(shè)，僅覆蓋少數(shù)學(xué)科專業(yè)，如何讓更多的學(xué)生學(xué)習(xí)逆向工程技術(shù)的專業(yè)知識(shí)，掌握產(chǎn)品快速開發(fā)的過程和方法，是教育工作者面臨的一項(xiàng)緊迫課題[4]。

二、逆向工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容

逆向工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生真正掌握逆向工程相關(guān)知識(shí)和技能。教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容為：（1）了解逆向工程的基本概念及主要技術(shù)，應(yīng)用和意義；（2）了解常用的三維數(shù)據(jù)采集方法，學(xué)習(xí)三維掃描儀的基本操作方法，采集零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（3）學(xué)習(xí)逆向軟件的使用方法，反求生成3D模型；（4）學(xué)習(xí)熔融沉積式快速成型機(jī)基本工作原理，硬件和軟件構(gòu)成、應(yīng)用及特點(diǎn)，成型過程流程及工藝，并打印出產(chǎn)品。學(xué)習(xí)該課程后應(yīng)達(dá)到以下要求：了解逆向工程的流程、關(guān)鍵技術(shù)，掌握三維數(shù)據(jù)獲取、三維模型的建立以及模型快速制造等基本能力，學(xué)會(huì)相關(guān)軟件及設(shè)備的基本操作技能，培養(yǎng)利用逆向技術(shù)完成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力[3]。由于該課程教學(xué)信息量大，教學(xué)時(shí)間短，所以要精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，充分開發(fā)大學(xué)生潛能。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，師生圍繞案例展開充分的研討和分析，制定工藝方案，完成逆向工程的完整過程的學(xué)習(xí)，最終快速制造出作品，在教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)采用教學(xué)展板、作品展櫥、多媒體觸屏學(xué)習(xí)機(jī)等進(jìn)行輔助教學(xué)，擴(kuò)大課堂教學(xué)信息量。在課程安排上，采用“精講多練”的方式，讓學(xué)生邊學(xué)邊練，圍繞著案例實(shí)踐，教師巡回指導(dǎo)，逐個(gè)點(diǎn)評(píng)，最后進(jìn)行總結(jié)歸納，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的教學(xué)效果。

三、“逆向工程”實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施

1.開設(shè)逆向工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的軟硬件條件。逆向工程實(shí)訓(xùn)課程的開設(shè)要具備基本條件，要有三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備、3D打印設(shè)備、必要的逆向工程軟件以及相應(yīng)的教學(xué)設(shè)施及場(chǎng)地。我中心現(xiàn)有北京某公司生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)光光柵照相式三維掃描儀一臺(tái)，配有Geomagic逆向軟件，北京某公司生產(chǎn)的FDM打印機(jī)4臺(tái)，自制3D打印機(jī)2臺(tái)。軟件方面，制定了“逆向工程”實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、教案、教學(xué)掛圖、視頻自學(xué)資料，實(shí)訓(xùn)報(bào)告等，保證教學(xué)過程順利開展。

2.逆向工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施過程。逆向工程實(shí)訓(xùn)課程既涉及理論知識(shí)，更涉及三維掃描、逆向建模和3D打印的實(shí)踐知識(shí)，其知識(shí)量大，對(duì)設(shè)備和師資要求高，而工程訓(xùn)練課程具有以實(shí)踐操作為主，受眾學(xué)生專業(yè)廣、人數(shù)多等特點(diǎn)，所以要采取相應(yīng)措施和辦法[4]。實(shí)施過程如下：（1）理論講授。工程訓(xùn)練教學(xué)以實(shí)踐操作為主，所以該項(xiàng)目理論講授學(xué)時(shí)較少，輔以視頻和實(shí)物為媒介，簡(jiǎn)要而直觀地介紹逆向工程的基本概念和主要技術(shù)、逆向測(cè)量設(shè)備、點(diǎn)云處理及逆向建模，3D打印的基本方法和工藝。（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步重要階段，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。常用的數(shù)據(jù)采集方法主要有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。我中心采用結(jié)構(gòu)光光柵照相式三維掃描儀，結(jié)構(gòu)光掃描可在極短時(shí)間內(nèi)獲得復(fù)雜工件表面的完整點(diǎn)云，與接觸式測(cè)量相比，非常適合逆向工程訓(xùn)練課程中作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，根據(jù)學(xué)科專業(yè)不同，由教師給定課程任務(wù)，或者學(xué)生根據(jù)要求自選任務(wù)。以現(xiàn)場(chǎng)零件為例，介紹掃描方案的擬定，并演示零件的三維掃描方法和過程，要求學(xué)生分組操作，制定掃描方案，操作三維掃描儀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多角度拍攝，采集零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并保存。（3）反求生成3D模型。逆向工程建模軟件主要有Imageware、Geomagic、CopyCAD、RapidForm等，根據(jù)實(shí)際情況，我中心采用Geomagic軟件進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，要求學(xué)生熟練掌握從拍攝獲取點(diǎn)云到生成STL格式文件的全部操作過程[4]。在Geomagic軟件中導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，先進(jìn)行點(diǎn)著色使其更直觀，刪除體外孤點(diǎn)，采樣處理減少點(diǎn)云密度，除噪處理優(yōu)化點(diǎn)的排列，進(jìn)行封裝得到多邊形模型[5]。在多邊形階段進(jìn)行填充孔，去除特征用于快速去除對(duì)象上的腫塊和壓痕，砂紙命令用于光順或松弛對(duì)象上的區(qū)域，簡(jiǎn)化多邊形，多邊形修復(fù)，邊界優(yōu)化等操作。進(jìn)入精確曲面階段，編輯輪廓線和曲面片，擬合曲面創(chuàng)建NURBS曲面。如需對(duì)曲面等進(jìn)行優(yōu)化處理，可保存為IGS或其他格式導(dǎo)入正向CAD軟件進(jìn)行編輯；如果模型不需考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可保存為OBJ格式導(dǎo)入Sculptris軟件，直觀地進(jìn)行雕刻和形狀處理。最終保存為STL格式文件，用于3D打印。（4）產(chǎn)品快速制造。3D打印的工藝方法有幾十種之多，我中心采用北京某公司生產(chǎn)的FDM打印機(jī)。將STL格式模型導(dǎo)入打印機(jī)應(yīng)用程序，通過自動(dòng)布局、幾何變換等對(duì)模型進(jìn)行編輯，然后進(jìn)行分層切片，將三維CAD模型轉(zhuǎn)化為二維幾何信息，通過分層制造，最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型，打印出產(chǎn)品。最后經(jīng)過去除支撐、打磨等后處理，使零件精度、表面粗糙度達(dá)到要求。

3.考核評(píng)價(jià)與總結(jié)歸納?？己耸潜ＷC教學(xué)質(zhì)量和反饋教學(xué)問題的重要手段。逆向工程實(shí)訓(xùn)考核分為理論考核、實(shí)訓(xùn)報(bào)告、實(shí)踐考核三部分。該課程以實(shí)踐操作為主，所以實(shí)踐考核占60%，理論考核部分占20%，實(shí)訓(xùn)報(bào)告占20%。理論考核采用自主研發(fā)的工程訓(xùn)練理論考試系統(tǒng)進(jìn)行上機(jī)考試，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閱卷、自動(dòng)評(píng)分。理論試題庫涵蓋該項(xiàng)目理論講授部分和實(shí)踐操作部分全部?jī)?nèi)容。實(shí)踐考核采取對(duì)三維掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)處理、3D打印作品分項(xiàng)評(píng)分之和。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目結(jié)束之前，學(xué)生先對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行自我總結(jié)，從中了解學(xué)生對(duì)教師及教學(xué)過程的要求和建議。指導(dǎo)老師也要對(duì)訓(xùn)練過程和結(jié)果進(jìn)行分析，找出成績(jī)與不足，進(jìn)行小結(jié)。不斷完善教學(xué)過程，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性。學(xué)生通過以上環(huán)節(jié)的實(shí)踐訓(xùn)練，可以體驗(yàn)到逆向工程的完整流程，學(xué)習(xí)逆向工程思維，培養(yǎng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

本文對(duì)高校工程訓(xùn)練課程開展逆向工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行了研究，討論了從三維掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型重建到通過3D打印實(shí)現(xiàn)快速制造的完整流程，下一步將探討三維掃描與激光加工、數(shù)控加工進(jìn)行對(duì)接的逆向工程訓(xùn)練項(xiàng)目，以便進(jìn)一步擴(kuò)充該訓(xùn)練課程的內(nèi)容。工程訓(xùn)練課程開展逆向工程實(shí)訓(xùn)，豐富了工程訓(xùn)練的內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生逆向工程思維能力，提高了大學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，提升了大學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

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Study to Set "Reverse Engineering" Course in Engineering Training

NIU Guo-dong，WU San-chuan，WANG Hong-bo，LI Sheng

（Shandong University of Technology，Zibo，Shandong 255049，China）

Abstract：Reverse engineering technology is important components in advanced manufacturing technology."Reverse engineering" training course enriches the content of college engineering training，broadens horizons of students，enhances students' comprehensive and innovative ability，lay a solid foundation for studying follow-up courses. We discuss the teaching content and teaching method，implementation process，examination method in this paper. It provides reference for the related colleges.

Key words：reverse engineering；three-dimensional scanning；3D printing；engineering training