逆向工程在机械学科实践教学中的运用与研究

周叙荣 毛建秋 徐波 祝世超

摘 要：逆向工程是一种实用、快捷、高效的先进制造技术，主要是消化已有的先进技术以最短的时间创新运用到现代产品设计当中，近年来其在智能制造领域的应用价值尤为突出。为了培养应用型创新人才，许多院校开始把逆向工程技术增加到工科专业实践教学中去。作者结合所属学院课程建设的自身特点，介绍了逆向工程实践课程，课程包括点云数据采集、逆向建模、创新优化、加工制造等，从课程安排、教学实施以及成绩评价等方面进行了探讨。

关键词：逆向工程  实践教学  点云数据  逆向建模

中图分类号：GXXX  文献标识码：A  文章编号： 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

中國要从制造大国迈向智造强国[1]，需要依靠科技来发展智能制造，国内急需大量智能化的复合型专业人才，智能制造在机械领域将成为新的发展趋势，而逆向工程是智能制造、创新创造的主要实现方式之一。近年来逆向工程技术发展迅猛，特别是在智能设计制造领域，运用逆向工程技术，可以对现有实物产品的测量数据进行模型反求、优化再设计、快速制造。这样通过学习国内外现有的先进技术并迅速加以吸收消化，在极短的时间内可以优化设计制造出新的产品，可实现小批量、多品种、个性化的产品，抢占市场的一席之地[2]。针对市场对逆向工程技术的需求，为培养满足市场需求的智能制造型人才，国内一些院校相继增设了逆向工程课程或增开了相应的实践教学环节[3]。

1 逆向工程含义

逆向工程，又称反向工程、逆向技术、反求工程、抄数等，是一种产品设计技术重复再现过程，运用逆向思维，由结果推原理，吸收并改善原理的过程。往往用逆向工程分析已有产品，消化吸收和挖掘蕴含其设计方法，加以创新，快速制作出外形和功能相似而又不一样的产品。与传统的设计制造方法不同，逆向工程是利用三维扫描测量仪或三坐标测量仪，快速、准确地测量实物表面数据或轮廓，得到的数据加以点云处理，再进行曲面构建，重构得到三维实体数据模型，最后通过3D打印、数控加工或机械加工制造出实物，全过程如图1所示。逆向工程以其独特的应用价值广泛应用于智能制造、汽车模具、医学影像、文物修复、艺术品的仿制和破损零件的修复等方面[4]。

2 逆向工程实践教学内容

逆向工程实践教学内容涉及逆向工程的全部实施过程，从实物样品的数据扫描到逆向建模，再创新优化设计，最后将优化后的零件制造加工出来，全部过程如图2所示，其中点云数据采集和逆向建模是重点教学内容。具体如下，在实物样品点云数据获取阶段，涉及教学内容主要是数据采集设备的使用。通过对三维激光扫描仪设备进行讲解，使学生很直观地了解扫描仪的数据采集原理，并在现场演示三维激光扫描仪点云数据采集。逆向建模阶段教学内容主要是教授逆向设计流程和逆向工程软件的使用，逆向设计流程包括点云处理、网格封装、曲面构建、三维重构等，可以使用Geomagic、Copycad、Rapidform、CATIA、UG等逆向工程软件进行反求，选择较易上手的Geomagic Design X讲解典型逆向建模案例，并让学生进行案例操练，使学生了解逆向建模基本流程，并最终熟练掌握逆向操作要领。创新设计阶段是吸收逆向求得到的模型并进行创新优化设计，以提高或改进产品的性能与外观，旨在锻炼和提高学生对产品功能分析、结构设计、创新优化的能力。加工制造阶段训练学生的3D打印技术、数控编程能力和出工程图样的能力。整个过程涵盖了机械类学生应该要掌握的知识和能力，既要掌握理论又要学会操作，使学生能够正确掌握机械设计与机械制造的相关知识和技能[5]。

3 逆向工程实践教学实施过程

逆向工程实践教学主要为机械设计制造及自动化专业、材料成型及控制工程专业等本科生开设的。教学形式采用线上线下混合式——即线下传统课堂和线上网络课堂相结合的方式进行教学，教师在组织教学时，一边在实验室进行实际操作演练，并讲授重点难点知识;另外再借助线上或移动教学平台，将事先拍摄的操作流程或选择的优质教学资源上传，学生可以课外自主学习与回放学习;教师在线上线下与学生互动，解答学生疑惑[6]。实践教学过程坚持“实践为主、配合讲练、有问必答”的原则，分为基本操作训练、工程实践训练和总结与评价3个阶段进行。

3.1基本操作训练阶段

3.1.1设备认知与操作

逆向工程的第一步是使用3D扫描设备获取点云数据，涉及设备的了解和操作测量演练，根据其测量方式分有非接触式测量设备如激光扫描仪和接触式测量设备如三坐标测量仪[7]。为了使学生对三维扫描技术相关设备的了解，在实验室安排了扫描设备认知与操作训练课。第一步，利用图片和文字形式集中讲授三维扫描测量相关设备的构造、原理及使用方法。第二步，讲授典型案例让学生掌握操作要领，本文涉及的扫描仪是由上海数造机电科技股份有限公司制造的3DSS型三维扫描仪，属于非接触式测量。课程结束后将相关资料上传至线上供学生课后复习与回顾。最后把学生分成几个小组，每组学生分别进行3D扫描操作演练。

3.1.2软件学习

逆向工程软件种类繁多，目前主流使用且成熟的逆向反求软件主要有Geomagic、Catia、RapidForm、Imageware以及CopyCAD等商用软件[8]，其中常用于点云的处理有Geomagic Wrap、CopyCAD等，常用于逆向建模有Geomagic Design X、Catia等。

教学任务是为学生理清建模思路，熟练建模流程，教学形式采用“教—练—教”形式。首先在实践课堂上教师将扫描得到的点云数据通过常用软件Geomagic Wrap进行点云处理、网格封装等过程的讲授，再用常用反求软件Geomagic Design X讲授曲面构建、三维重构等过程操作。其次，在课下学生根据教师讲授的过程与上传的经典案例视频，自己动手练习，并最终逆向得到三维模型。最后，教师根据学生练习过程中出现的问题进行集中答疑与个别指点，区别对待不同类型不同层次学生的学习需求，确保每一位学生都能弄懂并熟练地使用逆向工程软件。

3.1.3创新设计

逆向建模完成后学生利用熟悉的三维软件Solidworks或UG或Pro/E或Catia进行创新优化设计，训练学生使用三维软件及创新设计的能力，此阶段教师仅做答疑。

3.1.4模型加工制造

创新设计完成后进入模型的加工制造阶段，此阶段可以分别训练学生的3D打印能力、数控编程能力和出工程图样能力。教师主要讲授3D打印使用原理、切片程序的生成操作、实施3D打印、打印后零件后处理等内容，然后按小组训练以上打印任务。另外训练学生将反求优化的数学模型导入UG NX中完成数控加工程序编写，最后将加工程序导入数控机床完成零件的数控加工。再者，课下安排学生完成工程图样的尺寸标注，编写加工工艺。通过3D打印、数控加工、机械加工3种不同方式制造出来，体会3种加工技术的相近之处与不同之点，更好地掌握3種加工应用场合。

3.2实践训练

在完成上述阶段的培训和教学后，应分组实施实践培训环节。在本课程中，学生将被分成几个小组，每组将完成教师分配的基本训练任务。每组学生使用3DSS三维扫描仪获取给定实物模型的点云数据，使用逆向工程软件Geomagic Design X完成逆向建模，然后使用3D软件进行创新优化设计。最后将优化设计升级的数字模型通过DOGO480型3D打印机出来或数控机床加工出来。教师分配的基础任务所有学生必须完成，以此来评价学生的课程成绩，有余力的学生完成额外挑战任务，如编写工艺、使用非教师教授软件完成逆向建模、逆向建模其他复杂零件等，可以获得加分。鼓励学生组队参加全国3D大赛中的“3D打印&智能制造”赛事。逆向建模后3D打印的作品如图3、图4所示。

3.3成绩评价

实践训练完成后，学生就逆向工程训练过程中的得失进行总结，体会3种不同制造的差异，撰写实践总结报告。教师依据学生平时表现、逆向工程掌握熟悉程度、提交作业和总结报告进行综合评价。考核成绩分配如表1所示。

4 结语

经过多次逆向工程实践教学，综合分析表明，对机械类学生进行逆向工程实践训练，可以使学生了解和掌握最前沿的逆向工程技术，学会使用逆向技术中使用的设备和软件。

通过三维扫描仪的操作、逆向软件的应用以及3D打印技术的实训、数控加工技术的演练、工程图样和工艺的编写，学生对逆向工程、创新优化设计、数控加工、机械加工等机械学科知识有了进一步的了解和更深层次的认识。特别是对三维扫描、3D打印、数控机床等新设备、新技术新工艺的认识与实践，很好地激发了学生对逆向技术的好奇心。

参  考  文  献

[1]李小明.基于Geomagic Design X的产品建模研究与3D打印成型——以内燃机连杆为例[J].内燃机与配件，2021（17）：1-3.

[2]方秀梅.智能制造未来型人才能力培养探索[J].科技创新导报，2017，14（24）：255-256.

[3]李霞，李芳.紧跟前沿科技 创新实践教学[J].科技资讯，2017，15（25）：136-137，139.

[4]郭怡.航空发动机叶片检测三维重建[J].科技创新导报，2020，17（12）：52-53.

[5]康玉辉，李美美.数字化创新设计与制造实训教学模式探索[J].知识经济，2020（18）：178-180.

[6]刘琼.基于线上线下混合模式的应用型本科课程教学研究[J].现代交际，2021（14）：49-51.

[7]张德海，李艳芹，谢贵重，等.三维光学扫描技术逆向工程应用研究[J].应用光学，2015，36（4）：519-525.

[8]宋瑞.基于点云数据的大型复杂曲面重建方法研究[D].成都：电子科技大学，2019.

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