高校工程训练开设“逆向工程”实训课程的探索与研究
2017-05-17牛国栋吴三川王洪博李生
牛国栋+吴三川+王洪博+李生
摘要:“逆向工程”是先进制造技术中的重要组成部分,在工程训练课程中开设逆向工程实训项目,丰富了工程训练的内容,开阔了参训大学生的视野,提高了实践和创新能力,为后续课程学习打下基础。本文从教学内容和教学方法、教学实施过程、考核方式等方面对该课程做了探讨,为相关院校提供参考和借鉴。
关键词:逆向工程;三维扫描;3D打印;工程训练
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)22-0147-02
逆向工程(Reverse Engineering,RE)又称反求工程,起源于精密测量和质量检测,是设计下游向设计上游反馈的回路。逆向工程的应用越来越广泛,涵盖工程、医学、考古、文物修复等多学科门类,尝试将逆向工程引入工程训练教学,丰富了工程训练的教学内容,开阔了大学生的视野,提高了实践和创新能力。
一、开设逆向工程实训课程的意义
工程训练是现代高等工程教育的重要组成部分,是一门实践性的技术基础课,是大学生熟悉零件的常用加工方法及其所用的主要设备和工具,了解新工艺、新技术、新材料在现代机械制造中的应用,拓宽工程知识背景的重要途径[1]。逆向工程技术的广泛应用和快速发展,吸引越来越多的院校开设这门课程[2]。大部分是将逆向工程作为一门专业课程进行开设,仅覆盖少数学科专业,如何让更多的学生学习逆向工程技术的专业知识,掌握产品快速开发的过程和方法,是教育工作者面临的一项紧迫课题[4]。
二、逆向工程实训项目教学内容
逆向工程实训教学中,应加强实践教学,使学生真正掌握逆向工程相关知识和技能。教学目标和内容为:(1)了解逆向工程的基本概念及主要技术,应用和意义;(2)了解常用的三维数据采集方法,学习三维扫描仪的基本操作方法,采集零件的点云数据;(3)学习逆向软件的使用方法,反求生成3D模型;(4)学习熔融沉积式快速成型机基本工作原理,硬件和软件构成、应用及特点,成型过程流程及工艺,并打印出产品。学习该课程后应达到以下要求:了解逆向工程的流程、关键技术,掌握三维数据获取、三维模型的建立以及模型快速制造等基本能力,学会相关软件及设备的基本操作技能,培养利用逆向技术完成产品创新设计的能力[3]。由于该课程教学信息量大,教学时间短,所以要精心设计教学过程,充分开发大学生潜能。采用项目驱动教学法,师生围绕案例展开充分的研讨和分析,制定工艺方案,完成逆向工程的完整过程的学习,最终快速制造出作品,在教学现场采用教学展板、作品展橱、多媒体触屏学习机等进行辅助教学,扩大课堂教学信息量。在课程安排上,采用“精讲多练”的方式,让学生边学边练,围绕着案例实践,教师巡回指导,逐个点评,最后进行总结归纳,实现预定的教学效果。
三、“逆向工程”实训项目教学实施
1.开设逆向工程实训项目的软硬件条件。逆向工程实训课程的开设要具备基本条件,要有三维数据采集设备、3D打印设备、必要的逆向工程软件以及相应的教学设施及场地。我中心现有北京某公司生产的结构光光栅照相式三维扫描仪一台,配有Geomagic逆向软件,北京某公司生产的FDM打印机4台,自制3D打印机2台。软件方面,制定了“逆向工程”实训教学大纲、教学计划、教案、教学挂图、视频自学资料,实训报告等,保证教学过程顺利开展。
2.逆向工程实训教学实施过程。逆向工程实训课程既涉及理论知识,更涉及三维扫描、逆向建模和3D打印的实践知识,其知识量大,对设备和师资要求高,而工程训练课程具有以实践操作为主,受众学生专业广、人数多等特点,所以要采取相应措施和办法[4]。实施过程如下:(1)理论讲授。工程训练教学以实践操作为主,所以该项目理论讲授学时较少,辅以视频和实物为媒介,简要而直观地介绍逆向工程的基本概念和主要技术、逆向测量设备、点云处理及逆向建模,3D打印的基本方法和工艺。(2)点云数据采集。数据采集是逆向工程的第一步重要阶段,也是后续工作的基础。常用的数据采集方法主要有接触式测量和非接触式测量。我中心采用结构光光栅照相式三维扫描仪,结构光扫描可在极短时间内获得复杂工件表面的完整点云,与接触式测量相比,非常适合逆向工程训练课程中作为数据采集设备。本实训项目采用任务驱动的教学方法,根据学科专业不同,由教师给定课程任务,或者学生根据要求自选任务。以现场零件为例,介绍扫描方案的拟定,并演示零件的三维扫描方法和过程,要求学生分组操作,制定扫描方案,操作三维扫描仪对产品进行多角度拍摄,采集零件的点云数据并保存。(3)反求生成3D模型。逆向工程建模軟件主要有Imageware、Geomagic、CopyCAD、RapidForm等,根据实际情况,我中心采用Geomagic软件进行实训教学,要求学生熟练掌握从拍摄获取点云到生成STL格式文件的全部操作过程[4]。在Geomagic软件中导入点云数据,先进行点着色使其更直观,删除体外孤点,采样处理减少点云密度,除噪处理优化点的排列,进行封装得到多边形模型[5]。在多边形阶段进行填充孔,去除特征用于快速去除对象上的肿块和压痕,砂纸命令用于光顺或松弛对象上的区域,简化多边形,多边形修复,边界优化等操作。进入精确曲面阶段,编辑轮廓线和曲面片,拟合曲面创建NURBS曲面。如需对曲面等进行优化处理,可保存为IGS或其他格式导入正向CAD软件进行编辑;如果模型不需考虑拓扑结构,可保存为OBJ格式导入Sculptris软件,直观地进行雕刻和形状处理。最终保存为STL格式文件,用于3D打印。(4)产品快速制造。3D打印的工艺方法有几十种之多,我中心采用北京某公司生产的FDM打印机。将STL格式模型导入打印机应用程序,通过自动布局、几何变换等对模型进行编辑,然后进行分层切片,将三维CAD模型转化为二维几何信息,通过分层制造,最终实现零件的沉积成型,打印出产品。最后经过去除支撑、打磨等后处理,使零件精度、表面粗糙度达到要求。
3.考核評价与总结归纳。考核是保证教学质量和反馈教学问题的重要手段。逆向工程实训考核分为理论考核、实训报告、实践考核三部分。该课程以实践操作为主,所以实践考核占60%,理论考核部分占20%,实训报告占20%。理论考核采用自主研发的工程训练理论考试系统进行上机考试,实现自动阅卷、自动评分。理论试题库涵盖该项目理论讲授部分和实践操作部分全部内容。实践考核采取对三维扫描的点云数据、模型数据处理、3D打印作品分项评分之和。
实训项目结束之前,学生先对训练过程进行自我总结,从中了解学生对教师及教学过程的要求和建议。指导老师也要对训练过程和结果进行分析,找出成绩与不足,进行小结。不断完善教学过程,提高实训教学的有效性。学生通过以上环节的实践训练,可以体验到逆向工程的完整流程,学习逆向工程思维,培养工程实践和创新能力。
本文对高校工程训练课程开展逆向工程实训教学进行了研究,讨论了从三维扫描获取点云数据、三维模型重建到通过3D打印实现快速制造的完整流程,下一步将探讨三维扫描与激光加工、数控加工进行对接的逆向工程训练项目,以便进一步扩充该训练课程的内容。工程训练课程开展逆向工程实训,丰富了工程训练的内容,培养了学生逆向工程思维能力,提高了大学生的工程实践和创新能力,提升了大学生就业竞争力。
参考文献:
[1]胡效东,鲍怀谦,王吉岱,等.谈金工实习教学在现代工程训练中的作用[J].中国现代教育装备,2009,(17):127-129.
[2]罗烽.开设逆向工程实训课程的探索[J].现代教育技术,2011,(5):145-148.
[3]宋小辉,黄键,叶东.逆向工程技术课程教学体系建设[J].广西教育,2012,(8):137-138.
[4]刘立晶,杨慧.基于Geomagic Design软件的导种管三维逆向工程设计[J].农业工程学报,2015,(11):40-45.
[5]谢韦莲,位建伟.逆向工程及快速成型技术在高校工程实训中的探索与实践[J].中国现代教育装备,2014,(1):25-27.
Study to Set "Reverse Engineering" Course in Engineering Training
NIU Guo-dong,WU San-chuan,WANG Hong-bo,LI Sheng
(Shandong University of Technology,Zibo,Shandong 255049,China)
Abstract:Reverse engineering technology is important components in advanced manufacturing technology."Reverse engineering" training course enriches the content of college engineering training,broadens horizons of students,enhances students' comprehensive and innovative ability,lay a solid foundation for studying follow-up courses. We discuss the teaching content and teaching method,implementation process,examination method in this paper. It provides reference for the related colleges.
Key words:reverse engineering;three-dimensional scanning;3D printing;engineering training