逆向工程在機械學科實踐教學中的運用與研究

周敘榮 毛建秋 徐波 祝世超

摘 要：逆向工程是一種實用、快捷、高效的先進制造技術，主要是消化已有的先進技術以最短的時間創新運用到現代產品設計當中，近年來其在智能制造領域的應用價值尤為突出。為了培養應用型創新人才，許多院校開始把逆向工程技術增加到工科專業實踐教學中去。作者結合所屬學院課程建設的自身特點，介紹了逆向工程實踐課程，課程包括點云數據采集、逆向建模、創新優化、加工制造等，從課程安排、教學實施以及成績評價等方面進行了探討。

關鍵詞：逆向工程? 實踐教學? 點云數據? 逆向建模

中圖分類號：GXXX? 文獻標識碼：A? 文章編號： 1674-098X（20XX）XX（X）-XXXX-XX

Abstract：Reverse Engineering is a practical， fast and efficient advanced manufacturing technology， which mainly digests the existing advanced technology to innovate the application of modern product design in the shortest time. In recent years， its application value in the field of intelligent manufacturing is particularly prominent. In order to cultivate applied innovative talents， many colleges and universities began to add Reverse Engineering technology to the practical teaching of engineering majors. Combined with the characteristics of the course construction of the college， the author introduces the reverse engineering practice course， which includes point cloud data acquisition， reverse modeling， innovation optimization， processing and manufacturing， and discusses the course arrangement， teaching implementation and performance evaluation.

Key Words：Reverse Engineering; Practice teaching; Point cloud data; Reverse modeling

中國要從制造大國邁向智造強國[1]，需要依靠科技來發展智能制造，國內急需大量智能化的復合型專業人才，智能制造在機械領域將成為新的發展趨勢，而逆向工程是智能制造、創新創造的主要實現方式之一。近年來逆向工程技術發展迅猛，特別是在智能設計制造領域，運用逆向工程技術，可以對現有實物產品的測量數據進行模型反求、優化再設計、快速制造。這樣通過學習國內外現有的先進技術并迅速加以吸收消化，在極短的時間內可以優化設計制造出新的產品，可實現小批量、多品種、個性化的產品，搶占市場的一席之地[2]。針對市場對逆向工程技術的需求，為培養滿足市場需求的智能制造型人才，國內一些院校相繼增設了逆向工程課程或增開了相應的實踐教學環節[3]。

1 逆向工程含義

逆向工程，又稱反向工程、逆向技術、反求工程、抄數等，是一種產品設計技術重復再現過程，運用逆向思維，由結果推原理，吸收并改善原理的過程。往往用逆向工程分析已有產品，消化吸收和挖掘蘊含其設計方法，加以創新，快速制作出外形和功能相似而又不一樣的產品。與傳統的設計制造方法不同，逆向工程是利用三維掃描測量儀或三坐標測量儀，快速、準確地測量實物表面數據或輪廓，得到的數據加以點云處理，再進行曲面構建，重構得到三維實體數據模型，最后通過3D打印、數控加工或機械加工制造出實物，全過程如圖1所示。逆向工程以其獨特的應用價值廣泛應用于智能制造、汽車模具、醫學影像、文物修復、藝術品的仿制和破損零件的修復等方面[4]。

2 逆向工程實踐教學內容

逆向工程實踐教學內容涉及逆向工程的全部實施過程，從實物樣品的數據掃描到逆向建模，再創新優化設計，最后將優化后的零件制造加工出來，全部過程如圖2所示，其中點云數據采集和逆向建模是重點教學內容。具體如下，在實物樣品點云數據獲取階段，涉及教學內容主要是數據采集設備的使用。通過對三維激光掃描儀設備進行講解，使學生很直觀地了解掃描儀的數據采集原理，并在現場演示三維激光掃描儀點云數據采集。逆向建模階段教學內容主要是教授逆向設計流程和逆向工程軟件的使用，逆向設計流程包括點云處理、網格封裝、曲面構建、三維重構等，可以使用Geomagic、Copycad、Rapidform、CATIA、UG等逆向工程軟件進行反求，選擇較易上手的Geomagic Design X講解典型逆向建模案例，并讓學生進行案例操練，使學生了解逆向建模基本流程，并最終熟練掌握逆向操作要領。創新設計階段是吸收逆向求得到的模型并進行創新優化設計，以提高或改進產品的性能與外觀，旨在鍛煉和提高學生對產品功能分析、結構設計、創新優化的能力。加工制造階段訓練學生的3D打印技術、數控編程能力和出工程圖樣的能力。整個過程涵蓋了機械類學生應該要掌握的知識和能力，既要掌握理論又要學會操作，使學生能夠正確掌握機械設計與機械制造的相關知識和技能[5]。

3 逆向工程實踐教學實施過程

逆向工程實踐教學主要為機械設計制造及自動化專業、材料成型及控制工程專業等本科生開設的。教學形式采用線上線下混合式——即線下傳統課堂和線上網絡課堂相結合的方式進行教學，教師在組織教學時，一邊在實驗室進行實際操作演練，并講授重點難點知識;另外再借助線上或移動教學平臺，將事先拍攝的操作流程或選擇的優質教學資源上傳，學生可以課外自主學習與回放學習;教師在線上線下與學生互動，解答學生疑惑[6]。實踐教學過程堅持“實踐為主、配合講練、有問必答”的原則，分為基本操作訓練、工程實踐訓練和總結與評價3個階段進行。

3.1基本操作訓練階段

3.1.1設備認知與操作

逆向工程的第一步是使用3D掃描設備獲取點云數據，涉及設備的了解和操作測量演練，根據其測量方式分有非接觸式測量設備如激光掃描儀和接觸式測量設備如三坐標測量儀[7]。為了使學生對三維掃描技術相關設備的了解，在實驗室安排了掃描設備認知與操作訓練課。第一步，利用圖片和文字形式集中講授三維掃描測量相關設備的構造、原理及使用方法。第二步，講授典型案例讓學生掌握操作要領，本文涉及的掃描儀是由上海數造機電科技股份有限公司制造的3DSS型三維掃描儀，屬于非接觸式測量。課程結束后將相關資料上傳至線上供學生課后復習與回顧。最后把學生分成幾個小組，每組學生分別進行3D掃描操作演練。

3.1.2軟件學習

逆向工程軟件種類繁多，目前主流使用且成熟的逆向反求軟件主要有Geomagic、Catia、RapidForm、Imageware以及CopyCAD等商用軟件[8]，其中常用于點云的處理有Geomagic Wrap、CopyCAD等，常用于逆向建模有Geomagic Design X、Catia等。

教學任務是為學生理清建模思路，熟練建模流程，教學形式采用“教—練—教”形式。首先在實踐課堂上教師將掃描得到的點云數據通過常用軟件Geomagic Wrap進行點云處理、網格封裝等過程的講授，再用常用反求軟件Geomagic Design X講授曲面構建、三維重構等過程操作。其次，在課下學生根據教師講授的過程與上傳的經典案例視頻，自己動手練習，并最終逆向得到三維模型。最后，教師根據學生練習過程中出現的問題進行集中答疑與個別指點，區別對待不同類型不同層次學生的學習需求，確保每一位學生都能弄懂并熟練地使用逆向工程軟件。

3.1.3創新設計

逆向建模完成后學生利用熟悉的三維軟件Solidworks或UG或Pro/E或Catia進行創新優化設計，訓練學生使用三維軟件及創新設計的能力，此階段教師僅做答疑。

3.1.4模型加工制造

創新設計完成后進入模型的加工制造階段，此階段可以分別訓練學生的3D打印能力、數控編程能力和出工程圖樣能力。教師主要講授3D打印使用原理、切片程序的生成操作、實施3D打印、打印后零件后處理等內容，然后按小組訓練以上打印任務。另外訓練學生將反求優化的數學模型導入UG NX中完成數控加工程序編寫，最后將加工程序導入數控機床完成零件的數控加工。再者，課下安排學生完成工程圖樣的尺寸標注，編寫加工工藝。通過3D打印、數控加工、機械加工3種不同方式制造出來，體會3種加工技術的相近之處與不同之點，更好地掌握3種加工應用場合。

3.2實踐訓練

在完成上述階段的培訓和教學后，應分組實施實踐培訓環節。在本課程中，學生將被分成幾個小組，每組將完成教師分配的基本訓練任務。每組學生使用3DSS三維掃描儀獲取給定實物模型的點云數據，使用逆向工程軟件Geomagic Design X完成逆向建模，然后使用3D軟件進行創新優化設計。最后將優化設計升級的數字模型通過DOGO480型3D打印機出來或數控機床加工出來。教師分配的基礎任務所有學生必須完成，以此來評價學生的課程成績，有余力的學生完成額外挑戰任務，如編寫工藝、使用非教師教授軟件完成逆向建模、逆向建模其他復雜零件等，可以獲得加分。鼓勵學生組隊參加全國3D大賽中的“3D打印&智能制造”賽事。逆向建模后3D打印的作品如圖3、圖4所示。

3.3成績評價

實踐訓練完成后，學生就逆向工程訓練過程中的得失進行總結，體會3種不同制造的差異，撰寫實踐總結報告。教師依據學生平時表現、逆向工程掌握熟悉程度、提交作業和總結報告進行綜合評價。考核成績分配如表1所示。

4 結語

經過多次逆向工程實踐教學，綜合分析表明，對機械類學生進行逆向工程實踐訓練，可以使學生了解和掌握最前沿的逆向工程技術，學會使用逆向技術中使用的設備和軟件。

通過三維掃描儀的操作、逆向軟件的應用以及3D打印技術的實訓、數控加工技術的演練、工程圖樣和工藝的編寫，學生對逆向工程、創新優化設計、數控加工、機械加工等機械學科知識有了進一步的了解和更深層次的認識。特別是對三維掃描、3D打印、數控機床等新設備、新技術新工藝的認識與實踐，很好地激發了學生對逆向技術的好奇心。

參? 考? 文? 獻

[1]李小明.基于Geomagic Design X的產品建模研究與3D打印成型——以內燃機連桿為例[J].內燃機與配件，2021（17）：1-3.

[2]方秀梅.智能制造未來型人才能力培養探索[J].科技創新導報，2017，14（24）：255-256.

[3]李霞，李芳.緊跟前沿科技 創新實踐教學[J].科技資訊，2017，15（25）：136-137，139.

[4]郭怡.航空發動機葉片檢測三維重建[J].科技創新導報，2020，17（12）：52-53.

[5]康玉輝，李美美.數字化創新設計與制造實訓教學模式探索[J].知識經濟，2020（18）：178-180.

[6]劉瓊.基于線上線下混合模式的應用型本科課程教學研究[J].現代交際，2021（14）：49-51.

[7]張德海，李艷芹，謝貴重，等.三維光學掃描技術逆向工程應用研究[J].應用光學，2015，36（4）：519-525.

[8]宋瑞.基于點云數據的大型復雜曲面重建方法研究[D].成都：電子科技大學，2019.

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