逆向工程實(shí)踐課程的研究和探索

□劉 利 劉江麗

一、引言

現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中人們的消費(fèi)觀升級(jí)，需求也不斷升級(jí)，并體現(xiàn)為多元化和個(gè)性化。因而市場(chǎng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也加快。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)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(dòng)力。也正是為順應(yīng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，順應(yīng)市場(chǎng)的所需，高校對(duì)于人才的培養(yǎng)也越來(lái)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(guò)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的逆向分析和研究來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化與再創(chuàng)造的過(guò)程,可以實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)。逆向工程以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、樣件、軟件等作為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、測(cè)量技術(shù)對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行建模、仿真，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化既有產(chǎn)品和再創(chuàng)造的過(guò)程[2]。通過(guò)逆向工程各個(gè)階段的實(shí)踐參與，學(xué)生可以在多方面鍛煉和提高創(chuàng)新意識(shí)和能力，為今后參與企業(yè)實(shí)踐或科研工作打下良好的基礎(chǔ)。因而逆向工程實(shí)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(guò)程中較為重要的環(huán)節(jié)丈量實(shí)際物體的尺寸。上海大學(xué)測(cè)量訓(xùn)練室通過(guò)多年的建設(shè)，各種測(cè)量設(shè)備齊全，包括各種型號(hào)常用普通測(cè)量器具和精密測(cè)量?jī)x器，可以實(shí)現(xiàn)多種工件類型的不同幾何尺寸的測(cè)量。其中包括德國(guó)托米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)型一臺(tái)和手動(dòng)型一臺(tái)、結(jié)構(gòu)光源的三維掃描儀一臺(tái)、工業(yè)計(jì)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(tái)。

托米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以通過(guò)傳感測(cè)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(guò)手持式的雙鏡頭傳感器利用激光測(cè)距法快速地采集整個(gè)樣件表面的大量密集點(diǎn)集，且其作為工業(yè)計(jì)量型儀器可達(dá)到工業(yè)級(jí)精度要求。GScan智能全彩手持式三維掃描儀作為一臺(tái)白光掃描儀，在快速獲取物體3D數(shù)據(jù)的同時(shí)，還通過(guò)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(cè)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(shí)代的發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y隊(duì)伍中包含了多名碩士學(xué)歷實(shí)驗(yàn)室和高級(jí)技術(shù)人員，教師人員研究方向豐富且實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)豐富，長(zhǎng)期從事實(shí)驗(yàn)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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，創(chuàng)客空間中學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)頻繁，以比賽為載體或以項(xiàng)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(guò)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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心測(cè)量實(shí)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(duì)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(gè)面向?qū)W生開放的逆向工程實(shí)踐教育空間，由學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和完成項(xiàng)目任務(wù)，實(shí)驗(yàn)室教師提供知識(shí)講解和項(xiàng)目服務(wù)。

三、教學(xué)思路和教學(xué)設(shè)計(jì)

中心逆向工程課程搭建由測(cè)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(duì)不同專業(yè)需求、不同項(xiàng)目需求和不同年級(jí)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(dòng)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(shí)模塊[5]。主線之外，對(duì)于初步接觸逆向工程的同學(xué)來(lái)說(shuō)，在這一方向的了解不夠，無(wú)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(jiǎn)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(guò)這個(gè)公共的案例，使學(xué)生連貫地理解課程知識(shí)，快速掌握逆向工程的入門知識(shí)。

四、教學(xué)實(shí)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(huì)圍繞所用設(shè)備進(jìn)行展開，每臺(tái)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(cè)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(cè)量機(jī)的點(diǎn)觸式測(cè)量，只能獲得樣件表面一些基礎(chǔ)點(diǎn)的信息，對(duì)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(duì)于曲面構(gòu)建中微平面構(gòu)建工作大。使用時(shí)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(shí)間內(nèi)獲取樣件表面大量數(shù)據(jù)，測(cè)量速度和精度的考慮上有很好的結(jié)合。但是對(duì)于不同樣件表面，如高亮面、黑色件、深孔特征等樣件的測(cè)量有不同的結(jié)果，不同的表面有不同的測(cè)量技巧。針對(duì)不同大小的樣件，因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍限制，也有不同的數(shù)據(jù)采集方法，對(duì)于體積和面積較大的樣件要通過(guò)貼點(diǎn)換站來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼合采集。Gscan手持式設(shè)備使用簡(jiǎn)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(cè)量演練。針對(duì)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(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)處理的首要是對(duì)龐大點(diǎn)云的處理。點(diǎn)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(diǎn)云中由于環(huán)境因素和操作因素的噪點(diǎn)開始，再著重講解處理樣件特征邊界處的點(diǎn)處理方式和樣件中明顯偏離樣件表面點(diǎn)的觀察和處理，進(jìn)而使原本數(shù)據(jù)更加平滑，接下來(lái)講解點(diǎn)和曲面的插補(bǔ)、數(shù)據(jù)平滑處理、點(diǎn)云進(jìn)行重定位等處理方式處理得到高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理的獲得要通過(guò)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程后，將Imageware軟件中數(shù)據(jù)通過(guò)正向設(shè)計(jì)軟件如Solidworks、UG、Pro/E、CATIA等三維造型軟件來(lái)建立實(shí)體模型。一個(gè)復(fù)雜模型中可能會(huì)用到不同的軟件來(lái)針對(duì)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(duì)各家軟件有較為深入的應(yīng)用經(jīng)歷和對(duì)模型的理解能力。課程設(shè)置會(huì)針對(duì)模型由簡(jiǎn)入深，先用簡(jiǎn)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(shí)，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(zhǎng)期承接學(xué)生實(shí)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(guò)逐層堆積獲得實(shí)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(shí)擴(kuò)展為帶項(xiàng)目來(lái)的同學(xué)深入落實(shí)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(tái)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(xiàng)，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(guò)機(jī)加工進(jìn)行，一般加工周期長(zhǎng)、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(shí)間，順應(yīng)市場(chǎng)需求。課程中，教師講述制作過(guò)程和應(yīng)用實(shí)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(shí)。課程內(nèi)容的設(shè)置要考慮到知識(shí)設(shè)置的接受難度，實(shí)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(shí)的同時(shí)對(duì)新知識(shí)保持學(xué)習(xí)的好奇心和繼續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。因而課程開放時(shí)長(zhǎng)不必太過(guò)冗長(zhǎng)，知識(shí)以概述性講解為主，不做細(xì)化分解。課程安排在一個(gè)工作日8個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)完成教學(xué)。課程安排形式契合金工實(shí)習(xí)課程的教學(xué)目的和教學(xué)時(shí)長(zhǎng)，因而可以作為金工實(shí)習(xí)中的其中一項(xiàng)實(shí)習(xí)項(xiàng)目。除此之外，也在整個(gè)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(jiǎn)單產(chǎn)品娃娃儲(chǔ)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(shí)長(zhǎng)較短，數(shù)據(jù)獲取較為完整，可安排學(xué)生掃描實(shí)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(duì)象；數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要講解利用Imageware軟件中個(gè)別點(diǎn)云處理和面處理命令，對(duì)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(guò)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(gè)過(guò)程經(jīng)歷下來(lái)可以快速掌握逆向工程的流程，形成初步的知識(shí)概念，并能得到一個(gè)課程制作實(shí)物以作紀(jì)念。這種教學(xué)方式注重邊教邊練，學(xué)生及時(shí)消化知識(shí)，以一個(gè)目標(biāo)貫穿始終，保持在學(xué)習(xí)中的趣味性。

五、結(jié)語(yǔ)

逆向工程實(shí)踐課程的開設(shè)是對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到積極意義的教學(xué)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)接觸逆向工程實(shí)踐課程感受及了解到日益多元化的社會(huì)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(shí)踐過(guò)程是一個(gè)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(guò)程，整個(gè)過(guò)程階段涉及到的知識(shí)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(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能力在多個(gè)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(dòng)的思維能力，還獲取到了產(chǎn)品制作生產(chǎn)過(guò)程中具體的工藝知識(shí)。為學(xué)生完成創(chuàng)新項(xiàng)目，從事創(chuàng)新工作提供了積極的理論和實(shí)踐支持。