逆向工程實踐課程的研究和探索

□劉 利 劉江麗

一、引言

現(xiàn)代市場經(jīng)濟(jì)中人們的消費(fèi)觀升級，需求也不斷升級，并體現(xiàn)為多元化和個性化。因而市場產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也加快。創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略成為了大力推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的動力。也正是為順應(yīng)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，順應(yīng)市場的所需，高校對于人才的培養(yǎng)也越來越重視學(xué)生的創(chuàng)新能力部分[1]。

逆向工程作為一種通過對目標(biāo)產(chǎn)品的逆向分析和研究來實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化與再創(chuàng)造的過程,可以實現(xiàn)快速創(chuàng)新設(shè)計。逆向工程以先進(jìn)產(chǎn)品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，通過現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、測量技術(shù)對已有產(chǎn)品進(jìn)行建模、仿真，最終實現(xiàn)優(yōu)化既有產(chǎn)品和再創(chuàng)造的過程[2]。通過逆向工程各個階段的實踐參與，學(xué)生可以在多方面鍛煉和提高創(chuàng)新意識和能力，為今后參與企業(yè)實踐或科研工作打下良好的基礎(chǔ)。因而逆向工程實踐課程的開設(shè)在教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景[3～4]。

二、教學(xué)資源

逆向工程過程中較為重要的環(huán)節(jié)丈量實際物體的尺寸。上海大學(xué)測量訓(xùn)練室通過多年的建設(shè)，各種測量設(shè)備齊全，包括各種型號常用普通測量器具和精密測量儀器，可以實現(xiàn)多種工件類型的不同幾何尺寸的測量。其中包括德國托米三坐標(biāo)測量機(jī)自動型一臺和手動型一臺、結(jié)構(gòu)光源的三維掃描儀一臺、工業(yè)計量型智能光學(xué)追蹤3D掃描系統(tǒng)HyperScan一套和Gscan智能全彩手持式三維掃描儀一臺。

托米三坐標(biāo)測量機(jī)可以通過傳感測頭與樣件接觸獲得樣件表面空間坐標(biāo)信息。HyperScan3D掃描系統(tǒng)，可以通過手持式的雙鏡頭傳感器利用激光測距法快速地采集整個樣件表面的大量密集點集，且其作為工業(yè)計量型儀器可達(dá)到工業(yè)級精度要求。GScan智能全彩手持式三維掃描儀作為一臺白光掃描儀，在快速獲取物體3D數(shù)據(jù)的同時，還通過拍照記錄物體本身的色彩信息，并且可輸出貼圖完整的模型。中心測量訓(xùn)練室的建設(shè)一直緊隨科技的革新，不斷更新設(shè)備和技術(shù)，順應(yīng)時代的發(fā)展。

實驗室?guī)熧Y隊伍中包含了多名碩士學(xué)歷實驗室和高級技術(shù)人員，教師人員研究方向豐富且實驗經(jīng)驗豐富，長期從事實驗教學(xué)，并接受校外服務(wù)。

上海大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院空間的首批創(chuàng)客空間和創(chuàng)新工作室開設(shè)在上海大學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，創(chuàng)客空間中學(xué)生創(chuàng)新活動頻繁，以比賽為載體或以項目為載體的多專業(yè)跨學(xué)科的創(chuàng)新工作如火如荼地開展。學(xué)生的創(chuàng)新過程需要各方面的支持，中心也積極參與和配合學(xué)生工作。

總而言之上海大學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心測量實訓(xùn)室有著強(qiáng)大的設(shè)備支持和專業(yè)化的教師團(tuán)隊建設(shè)，能為學(xué)生的創(chuàng)新需求提供很有力的支撐。搭建一個面向?qū)W生開放的逆向工程實踐教育空間，由學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和完成項目任務(wù)，實驗室教師提供知識講解和項目服務(wù)。

三、教學(xué)思路和教學(xué)設(shè)計

中心逆向工程課程搭建由測量訓(xùn)練室承擔(dān)主要工作，課程結(jié)構(gòu)由主線和輔線構(gòu)成，針對不同專業(yè)需求、不同項目需求和不同年級階段的學(xué)生受眾的需求，將課程主線再做分支，細(xì)化課程內(nèi)容。課程開放形式采用預(yù)約制和選學(xué)制，定期開放課程，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，提供學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性并且兼顧不同教學(xué)需求。

課程主線圍繞逆向工程核心步驟展開，具體細(xì)化數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)處理-逆向建模-加工制作步驟的知識模塊[5]。主線之外，對于初步接觸逆向工程的同學(xué)來說，在這一方向的了解不夠，無法進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。中心還設(shè)有輔助支線的學(xué)習(xí)課程，以簡單產(chǎn)品為例，貫穿其三維掃描、逆向建模和加工制造流程的講解，通過這個公共的案例，使學(xué)生連貫地理解課程知識，快速掌握逆向工程的入門知識。

四、教學(xué)實施

(一)課程主線。課程分層次詳解各種細(xì)節(jié)并作相應(yīng)課程延伸。主要內(nèi)容圍繞數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、逆向建模和加工制造等四部分進(jìn)行。

1.數(shù)據(jù)采集。此階段會圍繞所用設(shè)備進(jìn)行展開，每臺設(shè)備選用相應(yīng)樣件進(jìn)行講學(xué)。講解設(shè)備適用的樣件特征和設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式。例三座標(biāo)測量機(jī)有較高的精度，可以較為精確地還原樣件特征，但是三坐標(biāo)測量機(jī)的點觸式測量，只能獲得樣件表面一些基礎(chǔ)點的信息，對于其原特征的一些細(xì)節(jié)的構(gòu)建需要根據(jù)模型進(jìn)行修改和添加。同樣對于曲面構(gòu)建中微平面構(gòu)建工作大。使用時要權(quán)衡模型精度需求和采集速度需求因素。HyperScan掃描系統(tǒng)可以在較短的時間內(nèi)獲取樣件表面大量數(shù)據(jù)，測量速度和精度的考慮上有很好的結(jié)合。但是對于不同樣件表面，如高亮面、黑色件、深孔特征等樣件的測量有不同的結(jié)果，不同的表面有不同的測量技巧。針對不同大小的樣件，因為測量系統(tǒng)測量范圍限制，也有不同的數(shù)據(jù)采集方法，對于體積和面積較大的樣件要通過貼點換站來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼合采集。Gscan手持式設(shè)備使用簡單，可以較快獲取樣件三維信息，并且可以獲得樣件色彩，但精度較低，數(shù)字信息獲取較為粗糙，適用樣件精度要求低、造型特征較為重要的樣件。

該階段課程涉及到設(shè)備了解和操作測量演練。針對每一種設(shè)備，課程中都安排有總體概述講解部分，分解延伸的設(shè)備細(xì)節(jié)講解和最終的設(shè)備間對比聯(lián)系的講解部分。

2.數(shù)據(jù)處理。此階段主要工作是三維掃描儀獲得的龐大樣件點云數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)處理的首要是對龐大點云的處理。點云數(shù)據(jù)的處理要借用逆向工程軟件，雖各設(shè)備都有自家配備的軟件，但缺乏兼容性，課程選用了目前應(yīng)用廣泛的Imageware系列軟件。課程以典型樣件模型為例，從去除樣件點云中由于環(huán)境因素和操作因素的噪點開始，再著重講解處理樣件特征邊界處的點處理方式和樣件中明顯偏離樣件表面點的觀察和處理，進(jìn)而使原本數(shù)據(jù)更加平滑，接下來講解點和曲面的插補(bǔ)、數(shù)據(jù)平滑處理、點云進(jìn)行重定位等處理方式處理得到高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理的獲得要通過多加練習(xí)才能掌握技巧，所以該階段課程以教師演示為輔，學(xué)生練習(xí)為主，教師起到輔助作用。課程選用示例詳細(xì)講解，之后分發(fā)大量案例和教學(xué)視頻供學(xué)生課上和課后練習(xí)。

3.逆向建模。承接點云數(shù)據(jù)處理過程后，將Imageware軟件中數(shù)據(jù)通過正向設(shè)計軟件如Solidworks、UG、Pro/E、CATIA等三維造型軟件來建立實體模型。一個復(fù)雜模型中可能會用到不同的軟件來針對特征進(jìn)行快速準(zhǔn)確的建模，所以熟練掌握建模技巧，需要對各家軟件有較為深入的應(yīng)用經(jīng)歷和對模型的理解能力。課程設(shè)置會針對模型由簡入深，先用簡單模型進(jìn)行軟件功能的初步熟悉，再利用較為復(fù)雜樣件進(jìn)行較為全面的建模練習(xí)。課程內(nèi)容講述圍繞軟件學(xué)習(xí)為主，在掌握一種建模軟件的同時，旨在給學(xué)生灌輸軟件自學(xué)能力，以期課程外學(xué)生能根據(jù)需求靈活選用。

4.加工制造。工業(yè)生產(chǎn)中用于逆向工程的模型樣件有一部分為結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件或者特征不規(guī)則零件。傳統(tǒng)加工方式并不適用柔性加工的小批量零件和更新?lián)Q代產(chǎn)品。上海大學(xué)快速制造中心長期承接學(xué)生實踐操作，逆向工程課程制造加工環(huán)節(jié)快速制造的教師進(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)。課程主要內(nèi)容包括3D打印模型制作和快速模具中硅橡膠模的制作和應(yīng)用情況。

3D打印的增材制作方式通過逐層堆積獲得實物模型的方式，大大削弱了由于樣件任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不規(guī)則造型的加工工藝制約。課程中安排學(xué)生將獲取的模型拿到機(jī)器上親自制作。同時擴(kuò)展為帶項目來的同學(xué)深入落實逆向工程的成果。而且3D打印用設(shè)備現(xiàn)發(fā)展較為成熟，有方便適用于學(xué)生課程學(xué)習(xí)和應(yīng)用的小型臺面機(jī)。詳細(xì)指導(dǎo)機(jī)器如零件擺放、設(shè)置支撐和參數(shù)設(shè)置等使用注意事項，并做好打印完成模型的后續(xù)處理。

傳統(tǒng)獲取模具的方式通過機(jī)加工進(jìn)行，一般加工周期長、難度大、生產(chǎn)成本高。硅橡膠模是一種快速模具獲取辦法，促使新產(chǎn)品快速上市時間，順應(yīng)市場需求。課程中，教師講述制作過程和應(yīng)用實例。

(二)課程輔線。輔助支線的課程目標(biāo)在于使得學(xué)生快速掌握逆向工程的入門知識。課程內(nèi)容的設(shè)置要考慮到知識設(shè)置的接受難度，實踐操作部分的可執(zhí)行性，要兼顧學(xué)生能夠準(zhǔn)確快速地接受知識的同時對新知識保持學(xué)習(xí)的好奇心和繼續(xù)學(xué)習(xí)的動力。因而課程開放時長不必太過冗長，知識以概述性講解為主，不做細(xì)化分解。課程安排在一個工作日8個學(xué)時的時長內(nèi)完成教學(xué)。課程安排形式契合金工實習(xí)課程的教學(xué)目的和教學(xué)時長，因而可以作為金工實習(xí)中的其中一項實習(xí)項目。除此之外，也在整個學(xué)年教學(xué)中定期根據(jù)需求開設(shè)課程以滿足學(xué)生需求。

具體課程執(zhí)行中以簡單產(chǎn)品娃娃儲蓄罐為例，設(shè)備選用了GScan智能全彩手持式，課程演示掃描儀使用操作。課程中樣件掃描所用時長較短，數(shù)據(jù)獲取較為完整，可安排學(xué)生掃描實踐，這期間提供不同種類的小樣件供學(xué)生挑選，也可由學(xué)生自己攜帶指定掃描對象；數(shù)據(jù)處理過程主要講解利用Imageware軟件中個別點云處理和面處理命令，對模型進(jìn)行初步處理，獲得可直接用于3D打印用“.igs”或“.stl”格式文件。利用全彩3D打印機(jī)打印出模型。打印部分，是機(jī)器執(zhí)行加工命令的過程，教授學(xué)生操作設(shè)置后，等待打印期間講述3D打印衍生課程內(nèi)容。課程整個過程經(jīng)歷下來可以快速掌握逆向工程的流程，形成初步的知識概念，并能得到一個課程制作實物以作紀(jì)念。這種教學(xué)方式注重邊教邊練，學(xué)生及時消化知識，以一個目標(biāo)貫穿始終，保持在學(xué)習(xí)中的趣味性。

五、結(jié)語

逆向工程實踐課程的開設(shè)是對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到積極意義的教學(xué)過程。學(xué)生通過接觸逆向工程實踐課程感受及了解到日益多元化的社會需求和應(yīng)運(yùn)而生的新的生產(chǎn)和生活方式。逆向工程實踐過程是一個完整的從現(xiàn)有產(chǎn)品到模型獲取及處理后模型再加工的全過程，整個過程階段涉及到的知識類型豐富且全面，能夠滿足在學(xué)習(xí)不同階段的不同學(xué)習(xí)需求，具有很強(qiáng)的靈活性。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能力在多個角度得到鍛煉。不僅鍛煉了使用現(xiàn)代工具的能力，從事創(chuàng)新活動的思維能力，還獲取到了產(chǎn)品制作生產(chǎn)過程中具體的工藝知識。為學(xué)生完成創(chuàng)新項目，從事創(chuàng)新工作提供了積極的理論和實踐支持。