“逆向工程与快速成型技术应用”课程教学探讨

孙春华，陈雪芳，杜建红

(1.苏州市职业大学 机电工程系，江苏 苏州 215104; 2.苏州市数字化设计与制造技术重点实验室，江苏 苏州 215104)

逆向工程(reverse engineering，RE)技术，也称反求工程、反向工程等，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程，但直到20世纪90年代，才开始引起各国工业界和学术界的高度重视.随着计算机技术，特别是数字化测量技术的迅猛发展，RE能实现从已有复杂外观造型的样件或实物模型→三维测量数据→三维产品数模→产品的一体化开发，为制造业提供了一个全新的、高效的产品开发方案.而20世纪80年代中期发展起来的快速成型(rapid prototype & manufacturing，RP & RPM)技术，是指在计算机控制与管理下，由零件CAD模型直接驱动，采用材料精确堆积复杂三维实体的原型或零件制造技术.RP技术彻底改变了制造业的生产方式，成为先进制造技术的重要组成部分，其最大特点在于制造的高柔性，即无需任何专用工具，可由零件的CAD模型，直接驱动设备完成零件或零件原型的成形制造.RE和RP技术的有机结合，成为制造企业提高竞争力的有力工具，在缩短新产品的开发周期、降低生产成本、促进客户化、小批量和单件加工模式的发展等方面发挥了重要作用.该技术除了在航空航天、汽车工业、模具行业、消费性电子产品、玩具等传统领域得到广泛应用外，在人体工程、服装、数字化博物馆、艺术品仿制与破损修复、医学等领域也得到应用[1].

1 课程教学目标

随着RE与RP技术在各行各业的广泛应用，企业界对相关技术和工程应用人员的需求量越来越大.为满足社会的需求，很多院校增设了逆向工程与快速成型技术方面的课程[2-3].苏州市职业大学从2007年开始为机械设计与制造、数控技术应用、模具设计与制造等专业开设了“逆向工程与快速成型技术应用”这门课程.

相关的调查结果显示，就RE/RP技术而言，企业希望毕业生能了解逆向工程、快速成型的基本理论和工作方法，能熟练运用坐标测量设备和逆向工程软件进行产品数据采集和创新设计，且可以熟练应用快速成型设备进行产品或模具的快速制造.为此，“逆向工程与快速成型技术应用”课程通过“做中学，学中做”的“项目驱动”教学，跟踪技术发展前沿，配合项目的开展，介绍典型测量设备的基本原理和使用方法、测量数据的预处理和曲面造型、逆向工程专用软件的应用、快速成型的基本原理和典型工艺、快速成型设备的操作.通过理论和实践教学环节的学习，使学生能够掌握主要的测量方法、测量原理、测量数据预处理流程、基于测量数据的曲线曲面造型、层片数据的处理、快速成型的工艺等基本理论，以及操作VIVID光学测量仪进行实物数据采集，使用主流逆向工程软件Geomagic Studio处理测量数据和重构CAD模型，操作FDM熔融型、3DP三维喷涂粘结等快速成型机进行快速模型制造，着重培养学生的实际应用和解决实际问题的能力.

2 课程教学内容

“逆向工程与快速成型技术应用”课程按照40学时进行设置，以项目为驱动，知识点的教学贯穿于项目教学的整个环节.“鼠标外壳的逆向设计与快速成型”、“叶片的逆向设计与快速成型”、“车灯的逆向设计与快速成型”、“学生自选件的逆向设计与快速成型”4个项目的选择结合了理论知识点的传授与实践技能的培养，循序渐进，培养学生解决实际问题及创新设计等方面的能力.各项目的教学内容和课时安排具体如下.

1) 鼠标外壳的逆向设计与快速成型(12学时).①单视角点云数据的测量与预处理，包括激光扫描仪的基本原理、Geomagic Studio软件的使用、单视角数据点编辑处理命令及预处理流程、鼠标的数据测量与预处理;②基于激光点云直接重构曲面，包括曲面重构流程、鼠标的曲面重构;③三维喷涂粘结 (3DP)快速成型，包括3DP的基本原理、3DP的工艺特点、鼠标3DP快速成型.

2) 叶片的逆向设计与快速成型(10学时).①多视角点云数据的测量与预处理，包括多视角数据测量路径的规划、多视角数据处理命令、多视角数据预处理流程、叶片的数据测量与预处理;②基于激光点云间接重构曲面，包括曲面重构流程、叶片的曲面重构;③熔融沉积制造（FDM）快速成型，包括FDM的基本原理、FDM的工艺特点、叶片FDM快速成型.

3) 车灯的逆向设计与快速成型(8学时).①基于三坐标测量机的数据测量与预处理，包括CMM的工作原理与组成、测量路径规划、数据预处理流程、车灯的数据测量与预处理;②基于CMM测量数据的重构曲面，包括曲面重构流程、车灯的曲面重构;③光固化（SL或SLA）快速成型，包括SLA的基本原理、SLA的工艺特点、车灯SLA快速成型.

4） 学生自选件的逆向设计与快速成型(10学时).学生根据自选件的结构特点，选择测量方法及快速成型方法，完成自选件的模型重构及制作.

3 课程教学方法手段及考核方式

由于本课程研制的主要对象是机械产品零部件，尤其是具有三维复杂几何构型产品的测量、建模及制作.这样的教学内容需要形象直观的教学方法和手段.为此，本课程采用了多媒体课件、现场演示、软件仿真、设备操作等多种方法手段.学生以小组为单位，分工协作，完成项目.数据测量及快速成型设备的操作，首先由教师做必要示范，然后监督学生独立完成，教师在现场辅导和答疑.逆向工程软件的使用，以学生自学为主.每个项目完成后，学生根据教学内容的要求，提交数据处理与模型重构的作业和实验报告.

本课程的实践性很强，要求学生在了解逆向工程及快速成型技术基本理论的前提下，熟练应用该技术进行产品设计与制造，提高学生运用该技术解决实际问题的能力.因此，本课程的考核强调学生的动手操作能力.同时，考虑到培养学生的团队协作精神，本课程的考核由三部分组成:项目完成作业和实验报告占70%，教师评价15%，学生自评及互评15%.

4 结果与结论

通过“逆向工程与快速成型技术应用”课程的教学，使学生掌握了产品快速设计及创新的一种新方法，形成对逆向工程及快速成型技术的总体框架的认识，拓展了学生的知识结构和创新思维，提高了解决实际问题的能力，培养了学生团队的协作精神.图1是学生自选件逆向设计的实施过程.图2是学生的快速成型作品.

图1 某塑料件的逆向设计

图2 快速成型件

近几年来，毕业生进入汽车、模具及家电等行业，在从事产品逆向设计和快速制造的岗位上，取得了较好的成绩，获得了用人单位的好评.

[1] 陈雪芳,孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].北京:机械出版社,2009.

[2] 谭昌柏.《逆向工程技术》课程教学探讨[J].科技教育创新,2008(18):276-277.

[3] 赵天婵,冯俊,胡珺.充分利用三坐标测量机培养学生工程实践能力[J].实验技术与管理,2008,25(6):152-155.