逆向工程案例教学
刘利剑，周京博，杨光
(河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄)
摘 要： 逆向工程是制造业实现快速产品创新设计的重要途径，课程通过研究当前逆向工程技术在生产生活等方面的应用有益于学生了解逆向工程技术，深入理解逆向制造工艺过程，提升综合素质。针对复杂工件制模困难、设计周期长、柔性较差的问题，将逆向工程技术与快速制造技术相结合，应用于教学实践，使学生在在掌握逆向工程技术的同时，又掌握了快速制造技术。给出了案例教学的内容设计，介绍了教学的实施和课程的考核方式，并对教学效果进行了分析。本案例教学的锻炼了学生独立完成对复杂零件逆向建模的能力，培养了创新能力，取得了良好的教学效果，为机械制造综合实践教学中引入逆向工程技术提供了借鉴。
关键词： 逆向工程；机械制造；实践教学
一 引言
随着工程规划的大力推进，制造业的全面转型升级，为了培养适应新时代工业生产的高素质实践型工程技术人才，国内外高校都在强化实践教学过程。传统的机械制造实践教学的零件结构较为简单，设计较为固定，难以调动学生积极性和激发学生的创新思维。逆向工程（Reverse Engineering）也称为反求工程、反向工程等[2]，是一门与工程实践紧密结合的课程，对于培养高校学生综合能力具有十分重要的意义，它是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。逆向工程技术包括实物数字化技术、三维模型重构技术、产品制造技术三大基本技术，在下游应用中，常常与增材制造技术相结合[3]，将由逆向工程所得到的实物三维CAD数模传输到计算机中，利用计算机将待加工的零件三维模型按照一定的厚度进行分层切片，然后在制造设备中依次制造每一层薄片，薄片的叠加生成所要加工的零件。目前，逆向工程技术正逐步的被引入三维建模、模型制作、模具设计、快速制造等教学活动中[4]，并取得了良好的教学效果。将逆向工程技术与3D打印技术相结合，既可以使学生掌握3D打印的基本工艺，又可以使学生掌握逆向工程技术，提升了机械制造综合训练的效果。对培养高校在校生的工程意识、创新意识、逆向思维、探索能力起着重要的作用。
二 案例教学基本内容
逆向工程是一门实践性很强的课程，需要很多案例来辅助教学，主要研究当前逆向工程在机械工业领域、医疗领域、军工领域、艺术领域、文化动漫等领域的典型案例，分析其逆向工程方法，并展示实现过程。逆向工程案例库包含逆向工程技术理论及实验环节，逆向工程所需设备包括三坐标测量机、光学扫描仪、医用CT、激光跟踪仪、视觉测量设备等，能够使学生了解并掌握基本的使用方式，完成案例零件的逆向建模和正向加工，使学生全面参与到产品的整个生产过程中，真正地理解“逆向工程”的含义并不仅仅是对实物的再现还原，而是在基于原型的基础之上进行改进、提高、完善、创新，从而实现不同于原型的创新设计。
小学英语教材中，每个单元都是一个独立的内容，但是单元之间又是有很强的联系的。如果在教学过程中，只注重所授单元的内容，就势必会影响到学生整体对知识的理解和掌握。因此，教师应该根据教学目标和学生实际，灵活地结合各单元之间的内容，来达到让学生更好掌握知识的目的。
三 教学过程的实施
在教学过程中提供案例包括：牙齿矫正案例，叶轮逆向案例，头骨逆向案例，铁艺逆向案例，人体骨骼逆向案例，手机壳逆向案例，汽车零部件逆向案例，鞋模逆向案例。通过对案例的讲解，构建逆向工程知识体系，更加切合实际的展示逆向工程技术在生产生活之中的应用。
（一） 逆向工程案例主要内容
以牙齿矫正案例来说明，基于逆向工程的牙齿矫正，是指在牙齿逆向工程基础上量身定制一系列近乎无法察觉的透明牙托来矫正牙齿，这改变了学生对制造业固有的印象，激发了学生的兴趣和创新思维。学生先利用测量设备扫描牙齿或者牙模，采集点云数据，再通过计算机对点云数据进行相应的处理，在相应的逆向工程软件中完成牙齿逆向CAD模型的重构，翻阅相关资料了解牙齿矫正相关知识，根据治疗方案设计一系列的牙套，通过3D打印技术进行快速制造。案例的主要内容包括：（1）牙齿三维数据的采集。对口腔牙齿三维数据的采集方法进行了深入地研究，通过对牙的结构具体分析，确定合适的采集测量方法。（2）点云数据预处理技术。由于有扫描噪点或非有效杂质数据，需要对点云数据进行预处理，并利用Geomagic Wrap软件对牙的点云数据进行预处理，得到stl三角面片数据。（3）将stl三角面片数据载入3D打印软件中，进行相应的调整，选择合适的打印设备，完成牙模的制作。
从以上研究来看，不外乎两种：一种是宏观上架构一个实行理论框架； 另一种是对具体政策实行过程进行解释。 这些研究都忽视了计划生育政策实行过程的模糊性特征。 事实上，计划生育政策实行过程的模糊性极强，它的外延也十分混乱，上至党中央的决议、指示，下至基层干部的指导，都可以视为计划生育政策实行的依据。 计划生育政策实行的模糊性，不仅反映了政策所带来的社会冲突，还为政策的实行带来了极大的困难。
（二） 组织方式及考核
逆向工程案例教学是一项面向生产，涉及测量、设计、制造等学科的一门综合性实践教学，使学生巩固、完善、扩展了机械设计制造技术和测量技术等方面的知识，提高了分析问题、解决问题的能力，提高了综合素质。叶轮是一种典型的具有自由曲面的机械零件，对加工和测量工艺均有较高要求。叶轮的三维扫描数据质量是后续建模的基础，它是影响逆向工程最终零件精度的重要因素之一。下图1中为待逆向的叶轮，用于采集点云信息；所用的设备为加拿大CREAFORM公司的HANDYscan系列REVscan光学扫描仪进行数据采集，测量精度0.05mm，扫描方式：多束激光扫描。REVscan扫描仪在测量时，首先将被测叶轮贴上标志点，环境光强不能太强，然后围绕被测物体任意扫描，景深控制在250mm-450mm即可，经过数据影像处理系统计算处理，在计算机上就能实时显示出实物表面的点云数据。该扫描仪具有点云自动拼接功能，能把扫描数据根据标志点信息实时地拼接起来，这样省去人工拼接的繁琐和可能带来的人为拼接误差。如果叶轮某些地方的扫描数据不理想或者漏扫，还可以在那个地方反复扫描，直至扫描数据完整。
课程结束时，学生需要完成所选逆向工程案例的结题报告，包括：进度报告、文献资料、案例结题ppt、逆向成果展示。提供完整的逆向工程产品，并参与答辩，指导教师按照完成情况给出相应评定。考核内容包括：（1）逆向方案设计合理性；（2）所用设备是否合适，以及在操作工程中对测量设备的了解程度；（3）点云处理效果，考察学生对逆向工程所使用软件的掌握程度；（4）通过答辩考核学生对逆向工程技术相关知识掌握程度；（5）逆向工件的展示，考核学生对3D打印或其他快速造型方式的选择与应用。每一部分分别给分，最后汇总后作为课程成绩。
四 实践教学效果
建立小组综合实践训练模式，每个班以2-3人为单位分为若干小组，每个小组选题上尽量避免重复，各小组由组长负责工作计划的综合与协调，组员工作分工明确，指导教师提供设备上的支持和理论指导并负责产品生产的实施和生产过程监控。
叶轮表面的点云数据信息采集完成之后，经过降噪、光顺、三角化、采样等操作之后，即可将点云数据保存为stl文件，以便于后续杰模等软件对点云的处理，包括特征线重构、误差比对、彩色误差图谱分析等内容。最后通过结合UG NX等三维造型软件，对调入的曲线进行分析，并结合CAD知识对曲线进行光顺、重构和编辑等处理，最终完成水泵叶轮三维造型，如图2所示。
图1 待逆向的叶轮
图2 叶轮三维模型
通过近三年来开展的逆向工程的案例教学实践，学生对逆行工程的基本理论知识有了深刻理解；掌握了逆向工程所用设备的操作方式；完成了对复杂零件的逆向造型；掌握了结合正向三维造型软件对点云数据进行优化设计等操作；并结合3D打印技术完成了零件的快速制造。通过小组协作模式，锻炼学生合作能力、表达能力，锻炼了学生制造、检测、创新等能力。使学生深刻理解了逆向工程是制造业实现快速产品创新设计的重要途径，它不仅仅是原型再现，而是一种基于原型基础之上的改进、提高、完善、创新，而这也是逆向工程真正的价值和意义所在。
系统中激光由半导体激光器产生,经由Y波导等分、调制后沿顺时针与逆时针分别进入光波导谐振腔,Y 波导的两路调制信号为不同频率的正弦波,光波经由波导腔后由光电探测器转换为电压信号,分别进入两路锁相放大器进行同步解调,解调信号其中一路作为误差信号由电流伺服回路将激光器中心频率谐锁定在谐振频率上,并由温度伺服回路进行谐振谱漂移的跟踪锁定;另一路解调信号则与前一路信号闭环后作为陀螺输出。其中正弦信号的产生、锁相放大器、后续数据处理等均由FPGA完成,并且与光电探测器等外围电路集成于一块电路板上。
参考文献
[1] 唐庆菊，于凤云，张文生，等.项目驱动教学法在机械制造工程学课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2015,6:164-165.
[2] 刘军华,成思源,蒋伍,等.逆向工程中的参数化建模技术及应用[J].机械设计与制造,2011(10):82-84.
[3] 刘利剑,周京博,秦志英.3D打印在机械制造综合实践教学中的应用[J].教育教学论坛,2018(08):103-104.
[4] 孙庆元,王建东.模具设计制造中的逆向工程技术[J].科技创新与应用,2014(21):111.
本文引用格式： 刘利剑,等.逆向工程案例教学[J]. 教育现代化,2019,6(74):189-190.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.74.080
作者简介： 刘利剑，男，汉族，河北科技大学机械工程学院机制教研室主任，副教授，硕士，研究方向：增材制造技术；周京博，男，汉族，河北科技大学机械工程学院教师，副教授，博士，研究方向：机械制造技术；杨光，男，汉族，河北科技大学机械工程学院教师，教授，博士，研究方向：机械制造技术。
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