淺談逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

陳著

摘 要：本文首先分析逆向工程技術(shù)特點，然后分析逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計教學(xué)中存在的問題，最后闡述逆向工程和逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計教學(xué)中的優(yōu)化方法，從而從根本上提高學(xué)生逆向工程技術(shù)的實踐能力。

關(guān)鍵詞：逆向工程;工業(yè)設(shè)計;專業(yè)教學(xué)

逆向工程，英文名Reverse Engineering（RE），稱為逆向工程。逆向工程（又稱逆向技術(shù)）是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)再現(xiàn)過程，是對目標(biāo)產(chǎn)品的逆向分析和研究，從而推導(dǎo)和推導(dǎo)出產(chǎn)品的加工流程，組織結(jié)構(gòu)，功能特征和技術(shù)規(guī)范。設(shè)計元素以創(chuàng)建功能相似但不相同的產(chǎn)品。逆向工程源于商業(yè)和軍事領(lǐng)域的硬件分析。其主要目的是直接從成品分析中推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計原理，而無需輕易獲得必要的生產(chǎn)信息。從大范圍上講，逆向工程包括許多方面，如形狀（幾何）反轉(zhuǎn)，過程反轉(zhuǎn)和材料反轉(zhuǎn)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有許多先進的技術(shù)?，F(xiàn)在Reverse Engineering 目前的應(yīng)用范圍主要是產(chǎn)品模仿和改變。工業(yè)設(shè)計的過程是從最初產(chǎn)品概念、創(chuàng)意開始到計劃設(shè)計，包括物理模型的手工生產(chǎn)，計劃的修改，精確的CAD 模型建立，生產(chǎn)和營銷的整個過程。在這個流程中，創(chuàng)新是產(chǎn)品的核心。逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用將加速產(chǎn)品設(shè)計，縮短開發(fā)周期，使工業(yè)設(shè)計的技術(shù)手段多樣化，工業(yè)設(shè)計的創(chuàng)新變得普遍。

1 逆向工程技術(shù)的原理和方法

1.1逆向工程技術(shù)的概念

逆向工程技術(shù)就是將現(xiàn)實的零將工件或模型轉(zhuǎn)換為工程概念和數(shù)字模型的技術(shù)?；谖锢砟Ｐ偷漠a(chǎn)品建模方法已成為CAD / CAM中的獨立方法和技術(shù)。逆向工程是用于消化和吸收先進技術(shù)的分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。它使用先進的產(chǎn)品和設(shè)備，以軟件或圖像作為研究對象，運用現(xiàn)代設(shè)計方法論、生產(chǎn)工程學(xué)、材料科學(xué)及相關(guān)專業(yè)知識原理，系統(tǒng)地進行分析研究，探索并掌握關(guān)鍵技術(shù)，以開發(fā)更高級的同類產(chǎn)品。逆向工程實際上能實現(xiàn)產(chǎn)品復(fù)制或產(chǎn)品再現(xiàn)，也可以改進和創(chuàng)新產(chǎn)品，這一點和工業(yè)設(shè)計的創(chuàng)新是一致的。3D數(shù)據(jù)測量，數(shù)據(jù)處理和3D重建是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2? 逆向工程技術(shù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)設(shè)計過程與逆向工程技術(shù)的對比：傳統(tǒng)設(shè)計過程與逆向工程技術(shù)的比較：傳統(tǒng)的設(shè)計過程是根據(jù)產(chǎn)品的目的設(shè)計的，從概念中繪制產(chǎn)品的二維圖紙，然后制作三維幾何模型。經(jīng)檢查滿意后制造出產(chǎn)品來，采用的是從抽象到具體的思維方法。

逆向設(shè)計過程

逆向工程是對現(xiàn)有物理模型的測量，并基于測量數(shù)據(jù)重建數(shù)字模型，并選擇分析，修改，檢查和輸出圖紙然后制造產(chǎn)品的過程。

簡而言之，傳統(tǒng)的設(shè)計和制造從圖紙到零件（產(chǎn)品），而逆向工程則從零件（或原型）到圖紙，然后從制造過程到零件（產(chǎn)品）。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，由于形狀復(fù)雜，包含許多自由曲面，很難通過計算機直接建立數(shù)字模型。通常需要基于物理模型（樣本）或參考原型進行分析，改造或工業(yè)設(shè)計。例如，車身的設(shè)計和蓋部件的制造通常由工程師通過手工制作污泥或樹脂模型來形成原型原型，然后使用三維測量方法來獲得原型的數(shù)字模型，然后是零件設(shè)計，有限元分析，模型修改，誤差分析和數(shù)控加工等。也可進行快速原型制造（逆向工程出產(chǎn)品模型）并進行反復(fù)優(yōu)化評估，直到得到滿意的設(shè)計結(jié)果。因此，可以說逆向工程是用于剖析，CAD模型重建，模型處理和模型評估的設(shè)計方法。逆向工程開發(fā)產(chǎn)品開發(fā)的工藝路線如下：首先，利用三維數(shù)字測量儀器準(zhǔn)確，快速地測量輪廓的坐標(biāo)值，構(gòu)造曲面。編輯和修改后，圖像文件將傳輸?shù)酵ㄓ肅AD / CAM系統(tǒng)。然后，將CAM生成的刀具的NC加工路徑發(fā)送到CNC加工機床，制作所需的模具，或者采用逆向工程技術(shù)生產(chǎn)樣品模型。

2 逆向工程技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中存在的問題

當(dāng)前逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)中應(yīng)用情況比較一般，學(xué)生對其了解和認(rèn)知比較淺顯。逆向工程技術(shù)是未來工業(yè)設(shè)計發(fā)展所必不可少的一項具有前瞻性的技術(shù)，在院校工業(yè)設(shè)計中推廣逆向工程技術(shù)能夠保證工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)的先進性，但由于逆向工程技術(shù)在實際應(yīng)用中成本比較高，很多高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)中沒有得到廣泛應(yīng)用，影響了它的發(fā)展。也有部分學(xué)校工業(yè)設(shè)計專業(yè)沒有認(rèn)識到逆向工程技術(shù)實踐教學(xué)的重要性，致使逆向工程技術(shù)未能得到有效的應(yīng)用，很多學(xué)生對技術(shù)的了解并不深入。有部分學(xué)校開始意識到了逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的重要性，并且也將技術(shù)引入學(xué)校，但在實際使用過程中沒有很好地與教學(xué)活動相結(jié)合，致使技術(shù)與教學(xué)活動不相適應(yīng)，影響了專業(yè)課程教學(xué)的質(zhì)量。在學(xué)生使用逆向工程技術(shù)過程中也存在著一些問題，首先部分學(xué)生對逆向工程技術(shù)的認(rèn)知度不夠高或不感興趣，認(rèn)為其不重要或者在課堂上沒有認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)技巧，致使學(xué)生在實踐逆向工程技術(shù)過程中出現(xiàn)問題。另外，部分學(xué)生對逆向工程比較感興趣，但缺乏相關(guān)技術(shù)的實踐經(jīng)驗，沒有得到系統(tǒng)的良好的教學(xué)，致使實踐操作的效果欠佳。教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的欠缺、教學(xué)活動準(zhǔn)備不足以及學(xué)生狀態(tài)欠佳等都是在學(xué)校開展工業(yè)設(shè)計專業(yè)逆向工程技術(shù)應(yīng)用中所要面對的問題，為了進一步推動技術(shù)在學(xué)院教學(xué)中的作用，需要對上述問題進行詳細(xì)的分析，并提出相應(yīng)的解決措施。

3 優(yōu)化逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中運用

3.1以"項目驅(qū)動、任務(wù)引領(lǐng)"為理念設(shè)置逆向工程技術(shù)的課程內(nèi)容

按照產(chǎn)品逆向設(shè)計和3D打印流程設(shè)計課程內(nèi)容。通過項目設(shè)置，明確學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高他們的學(xué)習(xí)主動性和熱情。在項目的設(shè)計中，把逆向工程和3D打印技術(shù)及其應(yīng)用，通過知識點，案例和實際操作相結(jié)合;在執(zhí)行“任務(wù)”把知識、技術(shù)與方法，通過案例教學(xué)，使學(xué)生對產(chǎn)品的快速開發(fā)有整體的認(rèn)識，有針對性地強化學(xué)生對逆向工程、3D打印技術(shù)的理解及應(yīng)用能力。

3.2教學(xué)內(nèi)容上以新技術(shù)發(fā)展為主題，突出技術(shù)應(yīng)用

教學(xué)內(nèi)容的選取上，力求反映逆向工程和3D打印技術(shù)發(fā)展的最新動態(tài)和實際需求，緊緊圍繞新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備在典型產(chǎn)品的逆向設(shè)計與快制造中的具體應(yīng)用來把握主要的教材內(nèi)容。把產(chǎn)品逆向設(shè)計與3D打印的工作流程及技術(shù)應(yīng)用賞穿于項目布置和任務(wù)實施中。這樣既可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)到前沿的技術(shù)和內(nèi)容，又可以與時俱進，把握知識的時效性。

3.3要以"產(chǎn)品"為對象，"流程"為脈絡(luò)，設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)。

按照產(chǎn)品逆向設(shè)計和3D打印的流程：三維數(shù)據(jù)掃描→數(shù)模重構(gòu)→3D打印樣件，將典型的產(chǎn)品貫穿于整個項目設(shè)置的流程，設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)。在流程中反映任務(wù)，任務(wù)中體現(xiàn)流程，使其結(jié)構(gòu)更加清晰，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解。

3.4以校企合作模式為指導(dǎo)，鼓勵學(xué)生深入社會，了解企業(yè)需求

鼓勵學(xué)生積極參與實踐單位的設(shè)計研發(fā)項目活動，通過真題實做，了解設(shè)計為實現(xiàn)整個經(jīng)營系統(tǒng)的優(yōu)化完善而整合產(chǎn)業(yè)鏈的全過程，以此激發(fā)學(xué)生能動性的發(fā)揮，增強服務(wù)社會的責(zé)任感和緊迫感。通過社會實踐，使學(xué)生從企業(yè)的角度出發(fā)，為企業(yè)未來的發(fā)展提供動態(tài)，成為能實實在在主動思考并具執(zhí)行力的設(shè)計人才。學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生的社會實踐能力，是希望培養(yǎng)出的人才能夠符合時代特征和社會發(fā)展需求，讓學(xué)生走出學(xué)校，了解社會，并熟悉公司。同時，學(xué)生參加社會實踐也是實現(xiàn)將知識轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力的嘗試，通過企業(yè)實習(xí)將在課堂學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到實際的工作中去，強化自身技能，提高適應(yīng)社會的能力。

目前，逆向工程和逆向工程技術(shù)已成產(chǎn)品快速發(fā)展的重要手段，廣泛應(yīng)用于工程機械，汽車，家電，航空航天，生物學(xué)、建筑和文化創(chuàng)意等領(lǐng)域，隨著越來越多的企業(yè)將逆向工程引入產(chǎn)品開發(fā)，逆向工程和逆向工程技術(shù)成為產(chǎn)品研發(fā)中解決性能提升或產(chǎn)品改進的重要手段。逆向工程在工業(yè)設(shè)計中的意義重大。因此，逆向工程的專業(yè)教學(xué)，應(yīng)當(dāng)勇于探索教育教學(xué)的新方式，不斷學(xué)習(xí)全新的教學(xué)理念，研究新技術(shù)對設(shè)計的影響，更要反思設(shè)計、教育與社會的關(guān)系。

參考文獻

[1]劉永利.《逆向工程及3D打印技術(shù)應(yīng)用》[M].西安交通大學(xué)出版社，2018

[2]石敏，張志賢.《3D打印技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計》[M].東南大學(xué)出版社，2018

[3]朱長永.沈九美.《3D打印與逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計中的運用》，2017

[4]桂亮.金悅.趙衛(wèi)軍.郭婷.張俊《3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用》，2016