逆向工程實踐課程的研究和探索

□劉 利 劉江麗

一、引言

現代市場經濟中人們的消費觀升級，需求也不斷升級，并體現為多元化和個性化。因而市場產品更新換代的速度也加快。創新驅動發展戰略成為了大力推進經濟發展方式轉變和經濟結構調整的動力。也正是為順應創新驅動發展戰略的實施，順應市場的所需，高校對于人才的培養也越來越重視學生的創新能力部分[1]。

逆向工程作為一種通過對目標產品的逆向分析和研究來實現產品優化與再創造的過程,可以實現快速創新設計。逆向工程以先進產品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，通過現代設計理論、方法、測量技術對已有產品進行建模、仿真，最終實現優化既有產品和再創造的過程[2]。通過逆向工程各個階段的實踐參與，學生可以在多方面鍛煉和提高創新意識和能力，為今后參與企業實踐或科研工作打下良好的基礎。因而逆向工程實踐課程的開設在教學中具有廣闊的應用前景[3～4]。

二、教學資源

逆向工程過程中較為重要的環節丈量實際物體的尺寸。上海大學測量訓練室通過多年的建設，各種測量設備齊全，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測量機自動型一臺和手動型一臺、結構光源的三維掃描儀一臺、工業計量型智能光學追蹤3D掃描系統HyperScan一套和Gscan智能全彩手持式三維掃描儀一臺。

托米三坐標測量機可以通過傳感測頭與樣件接觸獲得樣件表面空間坐標信息。HyperScan3D掃描系統，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，且其作為工業計量型儀器可達到工業級精度要求。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數據的同時，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。中心測量訓練室的建設一直緊隨科技的革新，不斷更新設備和技術，順應時代的發展。

實驗室師資隊伍中包含了多名碩士學歷實驗室和高級技術人員，教師人員研究方向豐富且實驗經驗豐富，長期從事實驗教學，并接受校外服務。

上海大學創新創業學院空間的首批創客空間和創新工作室開設在上海大學國家級實驗教學示范中心，創客空間中學生創新活動頻繁，以比賽為載體或以項目為載體的多專業跨學科的創新工作如火如荼地開展。學生的創新過程需要各方面的支持，中心也積極參與和配合學生工作。

總而言之上海大學國家級實驗教學示范中心測量實訓室有著強大的設備支持和專業化的教師團隊建設，能為學生的創新需求提供很有力的支撐。搭建一個面向學生開放的逆向工程實踐教育空間，由學生自主選擇學習內容和完成項目任務，實驗室教師提供知識講解和項目服務。

三、教學思路和教學設計

中心逆向工程課程搭建由測量訓練室承擔主要工作，課程結構由主線和輔線構成，針對不同專業需求、不同項目需求和不同年級階段的學生受眾的需求，將課程主線再做分支，細化課程內容。課程開放形式采用預約制和選學制，定期開放課程，以學生自主學習為主，提供學生的學習主動性并且兼顧不同教學需求。

課程主線圍繞逆向工程核心步驟展開，具體細化數據采集-數據處理-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來說，在這一方向的了解不夠，無法進行深入的學習和應用。中心還設有輔助支線的學習課程，以簡單產品為例，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、教學實施

(一)課程主線。課程分層次詳解各種細節并作相應課程延伸。主要內容圍繞數據采集、數據處理、逆向建模和加工制造等四部分進行。

1.數據采集。此階段會圍繞所用設備進行展開，每臺設備選用相應樣件進行講學。講解設備適用的樣件特征和設備數據采集方式。例三座標測量機有較高的精度，可以較為精確地還原樣件特征，但是三坐標測量機的點觸式測量，只能獲得樣件表面一些基礎點的信息，對于其原特征的一些細節的構建需要根據模型進行修改和添加。同樣對于曲面構建中微平面構建工作大。使用時要權衡模型精度需求和采集速度需求因素。HyperScan掃描系統可以在較短的時間內獲取樣件表面大量數據，測量速度和精度的考慮上有很好的結合。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，因為測量系統測量范圍限制，也有不同的數據采集方法，對于體積和面積較大的樣件要通過貼點換站來實現數據的拼合采集。Gscan手持式設備使用簡單，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備了解和操作測量演練。針對每一種設備，課程中都安排有總體概述講解部分，分解延伸的設備細節講解和最終的設備間對比聯系的講解部分。

2.數據處理。此階段主要工作是三維掃描儀獲得的龐大樣件點云數據，因而數據處理的首要是對龐大點云的處理。點云數據的處理要借用逆向工程軟件，雖各設備都有自家配備的軟件，但缺乏兼容性，課程選用了目前應用廣泛的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，進而使原本數據更加平滑，接下來講解點和曲面的插補、數據平滑處理、點云進行重定位等處理方式處理得到高質量的點云數據。

數據處理的獲得要通過多加練習才能掌握技巧，所以該階段課程以教師演示為輔，學生練習為主，教師起到輔助作用。課程選用示例詳細講解，之后分發大量案例和教學視頻供學生課上和課后練習。

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

4.加工制造。工業生產中用于逆向工程的模型樣件有一部分為結構復雜零件或者特征不規則零件。傳統加工方式并不適用柔性加工的小批量零件和更新換代產品。上海大學快速制造中心長期承接學生實踐操作，逆向工程課程制造加工環節快速制造的教師進行詳細指導。課程主要內容包括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雜結構和不規則造型的加工工藝制約。課程中安排學生將獲取的模型拿到機器上親自制作。同時擴展為帶項目來的同學深入落實逆向工程的成果。而且3D打印用設備現發展較為成熟，有方便適用于學生課程學習和應用的小型臺面機。詳細指導機器如零件擺放、設置支撐和參數設置等使用注意事項，并做好打印完成模型的后續處理。

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

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

具體課程執行中以簡單產品娃娃儲蓄罐為例，設備選用了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，數據獲取較為完整，可安排學生掃描實踐，這期間提供不同種類的小樣件供學生挑選，也可由學生自己攜帶指定掃描對象；數據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打印機打印出模型。打印部分，是機器執行加工命令的過程，教授學生操作設置后，等待打印期間講述3D打印衍生課程內容。課程整個過程經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念。這種教學方式注重邊教邊練，學生及時消化知識，以一個目標貫穿始終，保持在學習中的趣味性。

五、結語

逆向工程實踐課程的開設是對學生創新能力培養起到積極意義的教學過程。學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運而生的新的生產和生活方式。逆向工程實踐過程是一個完整的從現有產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，能夠滿足在學習不同階段的不同學習需求，具有很強的靈活性。通過課程學習，學生能力在多個角度得到鍛煉。不僅鍛煉了使用現代工具的能力，從事創新活動的思維能力，還獲取到了產品制作生產過程中具體的工藝知識。為學生完成創新項目，從事創新工作提供了積極的理論和實踐支持。