逆向工程实践课程的研究和探索

□刘 利 刘江丽

一、引言

现代市场经济中人们的消费观升级，需求也不断升级，并体现为多元化和个性化。因而市场产品更新换代的速度也加快。创新驱动发展战略成为了大力推进经济发展方式转变和经济结构调整的动力。也正是为顺应创新驱动发展战略的实施，顺应市场的所需，高校对于人才的培养也越来越重视学生的创新能力部分[1]。

逆向工程作为一种通过对目标产品的逆向分析和研究来实现产品优化与再创造的过程,可以实现快速创新设计。逆向工程以先进产品的实物、样件、软件等作为研究对象，通过现代设计理论、方法、测量技术对已有产品进行建模、仿真，最终实现优化既有产品和再创造的过程[2]。通过逆向工程各个阶段的实践参与，学生可以在多方面锻炼和提高创新意识和能力，为今后参与企业实践或科研工作打下良好的基础。因而逆向工程实践课程的开设在教学中具有广阔的应用前景[3～4]。

二、教学资源

逆向工程过程中较为重要的环节丈量实际物体的尺寸。上海大学测量训练室通过多年的建设，各种测量设备齐全，包括各种型号常用普通测量器具和精密测量仪器，可以实现多种工件类型的不同几何尺寸的测量。其中包括德国托米三坐标测量机自动型一台和手动型一台、结构光源的三维扫描仪一台、工业计量型智能光学追踪3D扫描系统HyperScan一套和Gscan智能全彩手持式三维扫描仪一台。

托米三坐标测量机可以通过传感测头与样件接触获得样件表面空间坐标信息。HyperScan3D扫描系统，可以通过手持式的双镜头传感器利用激光测距法快速地采集整个样件表面的大量密集点集，且其作为工业计量型仪器可达到工业级精度要求。GScan智能全彩手持式三维扫描仪作为一台白光扫描仪，在快速获取物体3D数据的同时，还通过拍照记录物体本身的色彩信息，并且可输出贴图完整的模型。中心测量训练室的建设一直紧随科技的革新，不断更新设备和技术，顺应时代的发展。

实验室师资队伍中包含了多名硕士学历实验室和高级技术人员，教师人员研究方向丰富且实验经验丰富，长期从事实验教学，并接受校外服务。

上海大学创新创业学院空间的首批创客空间和创新工作室开设在上海大学国家级实验教学示范中心，创客空间中学生创新活动频繁，以比赛为载体或以项目为载体的多专业跨学科的创新工作如火如荼地开展。学生的创新过程需要各方面的支持，中心也积极参与和配合学生工作。

总而言之上海大学国家级实验教学示范中心测量实训室有着强大的设备支持和专业化的教师团队建设，能为学生的创新需求提供很有力的支撑。搭建一个面向学生开放的逆向工程实践教育空间，由学生自主选择学习内容和完成项目任务，实验室教师提供知识讲解和项目服务。

三、教学思路和教学设计

中心逆向工程课程搭建由测量训练室承担主要工作，课程结构由主线和辅线构成，针对不同专业需求、不同项目需求和不同年级阶段的学生受众的需求，将课程主线再做分支，细化课程内容。课程开放形式采用预约制和选学制，定期开放课程，以学生自主学习为主，提供学生的学习主动性并且兼顾不同教学需求。

课程主线围绕逆向工程核心步骤展开，具体细化数据采集-数据处理-逆向建模-加工制作步骤的知识模块[5]。主线之外，对于初步接触逆向工程的同学来说，在这一方向的了解不够，无法进行深入的学习和应用。中心还设有辅助支线的学习课程，以简单产品为例，贯穿其三维扫描、逆向建模和加工制造流程的讲解，通过这个公共的案例，使学生连贯地理解课程知识，快速掌握逆向工程的入门知识。

四、教学实施

(一)课程主线。课程分层次详解各种细节并作相应课程延伸。主要内容围绕数据采集、数据处理、逆向建模和加工制造等四部分进行。

1.数据采集。此阶段会围绕所用设备进行展开，每台设备选用相应样件进行讲学。讲解设备适用的样件特征和设备数据采集方式。例三座标测量机有较高的精度，可以较为精确地还原样件特征，但是三坐标测量机的点触式测量，只能获得样件表面一些基础点的信息，对于其原特征的一些细节的构建需要根据模型进行修改和添加。同样对于曲面构建中微平面构建工作大。使用时要权衡模型精度需求和采集速度需求因素。HyperScan扫描系统可以在较短的时间内获取样件表面大量数据，测量速度和精度的考虑上有很好的结合。但是对于不同样件表面，如高亮面、黑色件、深孔特征等样件的测量有不同的结果，不同的表面有不同的测量技巧。针对不同大小的样件，因为测量系统测量范围限制，也有不同的数据采集方法，对于体积和面积较大的样件要通过贴点换站来实现数据的拼合采集。Gscan手持式设备使用简单，可以较快获取样件三维信息，并且可以获得样件色彩，但精度较低，数字信息获取较为粗糙，适用样件精度要求低、造型特征较为重要的样件。

该阶段课程涉及到设备了解和操作测量演练。针对每一种设备，课程中都安排有总体概述讲解部分，分解延伸的设备细节讲解和最终的设备间对比联系的讲解部分。

2.数据处理。此阶段主要工作是三维扫描仪获得的庞大样件点云数据，因而数据处理的首要是对庞大点云的处理。点云数据的处理要借用逆向工程软件，虽各设备都有自家配备的软件，但缺乏兼容性，课程选用了目前应用广泛的Imageware系列软件。课程以典型样件模型为例，从去除样件点云中由于环境因素和操作因素的噪点开始，再着重讲解处理样件特征边界处的点处理方式和样件中明显偏离样件表面点的观察和处理，进而使原本数据更加平滑，接下来讲解点和曲面的插补、数据平滑处理、点云进行重定位等处理方式处理得到高质量的点云数据。

数据处理的获得要通过多加练习才能掌握技巧，所以该阶段课程以教师演示为辅，学生练习为主，教师起到辅助作用。课程选用示例详细讲解，之后分发大量案例和教学视频供学生课上和课后练习。

3.逆向建模。承接点云数据处理过程后，将Imageware软件中数据通过正向设计软件如Solidworks、UG、Pro/E、CATIA等三维造型软件来建立实体模型。一个复杂模型中可能会用到不同的软件来针对特征进行快速准确的建模，所以熟练掌握建模技巧，需要对各家软件有较为深入的应用经历和对模型的理解能力。课程设置会针对模型由简入深，先用简单模型进行软件功能的初步熟悉，再利用较为复杂样件进行较为全面的建模练习。课程内容讲述围绕软件学习为主，在掌握一种建模软件的同时，旨在给学生灌输软件自学能力，以期课程外学生能根据需求灵活选用。

4.加工制造。工业生产中用于逆向工程的模型样件有一部分为结构复杂零件或者特征不规则零件。传统加工方式并不适用柔性加工的小批量零件和更新换代产品。上海大学快速制造中心长期承接学生实践操作，逆向工程课程制造加工环节快速制造的教师进行详细指导。课程主要内容包括3D打印模型制作和快速模具中硅橡胶模的制作和应用情况。

3D打印的增材制作方式通过逐层堆积获得实物模型的方式，大大削弱了由于样件任意复杂结构和不规则造型的加工工艺制约。课程中安排学生将获取的模型拿到机器上亲自制作。同时扩展为带项目来的同学深入落实逆向工程的成果。而且3D打印用设备现发展较为成熟，有方便适用于学生课程学习和应用的小型台面机。详细指导机器如零件摆放、设置支撑和参数设置等使用注意事项，并做好打印完成模型的后续处理。

传统获取模具的方式通过机加工进行，一般加工周期长、难度大、生产成本高。硅橡胶模是一种快速模具获取办法，促使新产品快速上市时间，顺应市场需求。课程中，教师讲述制作过程和应用实例。

(二)课程辅线。辅助支线的课程目标在于使得学生快速掌握逆向工程的入门知识。课程内容的设置要考虑到知识设置的接受难度，实践操作部分的可执行性，要兼顾学生能够准确快速地接受知识的同时对新知识保持学习的好奇心和继续学习的动力。因而课程开放时长不必太过冗长，知识以概述性讲解为主，不做细化分解。课程安排在一个工作日8个学时的时长内完成教学。课程安排形式契合金工实习课程的教学目的和教学时长，因而可以作为金工实习中的其中一项实习项目。除此之外，也在整个学年教学中定期根据需求开设课程以满足学生需求。

具体课程执行中以简单产品娃娃储蓄罐为例，设备选用了GScan智能全彩手持式，课程演示扫描仪使用操作。课程中样件扫描所用时长较短，数据获取较为完整，可安排学生扫描实践，这期间提供不同种类的小样件供学生挑选，也可由学生自己携带指定扫描对象；数据处理过程主要讲解利用Imageware软件中个别点云处理和面处理命令，对模型进行初步处理，获得可直接用于3D打印用“.igs”或“.stl”格式文件。利用全彩3D打印机打印出模型。打印部分，是机器执行加工命令的过程，教授学生操作设置后，等待打印期间讲述3D打印衍生课程内容。课程整个过程经历下来可以快速掌握逆向工程的流程，形成初步的知识概念，并能得到一个课程制作实物以作纪念。这种教学方式注重边教边练，学生及时消化知识，以一个目标贯穿始终，保持在学习中的趣味性。

五、结语

逆向工程实践课程的开设是对学生创新能力培养起到积极意义的教学过程。学生通过接触逆向工程实践课程感受及了解到日益多元化的社会需求和应运而生的新的生产和生活方式。逆向工程实践过程是一个完整的从现有产品到模型获取及处理后模型再加工的全过程，整个过程阶段涉及到的知识类型丰富且全面，能够满足在学习不同阶段的不同学习需求，具有很强的灵活性。通过课程学习，学生能力在多个角度得到锻炼。不仅锻炼了使用现代工具的能力，从事创新活动的思维能力，还获取到了产品制作生产过程中具体的工艺知识。为学生完成创新项目，从事创新工作提供了积极的理论和实践支持。