立足机械设计与制造专业平台的逆向设计及制作特色方向建设探索*

◆刘松

在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从设计到产品的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后在详细设计阶段完成各类数据模型，最终将这个模型转入到研发流程中，完成产品的整个设计研发周期。这样的产品设计过程称为“正向设计”过程，即正向工程；反之，逆向工程产品设计可以认为是一个从产品到设计的过程。

逆向工程（又称逆向技术）是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品，反向推出产品设计数据（包括各类设计图或数据模型）的过程。

逆向工程技术发展时间并不长，是一门新兴科学和朝阳产业，却因为它的实用性与高效性已广泛存在于汽车、航天航空、模具等行业之中，在逆向设计、质量检查、来样加工和模具设计中广泛应用。

最近几年，随着逆向工程在非工业行业的发展，如雕刻、文物保护、服装、电影玩具等，这一缺口已越来越大。同时，逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域，它的优势表现在：

1）缩短产品的设计、开发周期，加快产品的更新换代速度；

2）降低企业开发新产品的成本与风险；

3）加快产品的造型和系列化的设计；

4）适合单件、小批量的零件制造，特别是模具的制造，可进行直接制模与间接制模。

然而，与之相对的是这个行业巨大的人才缺口。在中国仅有少数的高校开设了这一专业，而且多是硕士研究生等科研人才，实用型人才很少，特别是在高职学院少有培养逆向工程方向的专业。鉴于此种能力与机械类专业密切相关，所以，以机械设计与制造专业为基础，培养逆向设计及制作能力，既可以使老牌机械类专业走出低谷，再获新生，又可以为此能力在高职教育中找到合适载体，走出极具时代特征、传统与先进结合的人才培养之路。

将逆向工程技术融入传统机械设计与制造类人才培养模式，必须了解两类工程的知识模块构成，以原人才培养模式的课程体系为基础，进行改进制定。

1 正向工程与逆向工程的工作过程分析

如图1所示，逆向工程包括数据采集、数据处理、逆向建模、数模比对及优化、样本生产、精密检测、产品优化、批量生产等；正向工程包括市场调查或客户需求、功能设计、结构设计、模拟优化及检测、材料选择、生产试制、精密检测、产品优化、批量生产等。

2 基于正向、逆向工程工作过程的知识构成探讨

将逆向工程技术融入传统机械设计与制造类人才培养模式，必须了解两类工程的知识模块构成。以原人才培养模式的课程体系为基础，剔除与整合相对滞后的、专业性不强的、应用性较弱的知识模块，融入逆向工程技术人才必须具备的设备操作、软件处理、综合应用等能力的培养。

从图1中可以清晰地看到，两类工程都包括前期准备、创新设计、产品制造、后期优化及生产四大部分。一种产品的出现，极大部分成本在于设计过程，正向工程中为功能设计、结构设计、模拟优化、材料选择等。而逆向工程中，只要一次性投入设备和软件成本，通过数据采集、数据处理、逆向建模、数模比对及优化等过程实现，对于设计及制造方面的专业技术人才的综合素质要求相对低很多，只需要专门相关技术人员，就可以完成不同行业、不同层次的设计与制造，成本低很多，具有很大的发展潜力。当然，逆向工程是站在巨人肩膀上的，仿制的目的是为了更好更快地实现优化设计，形成自我风格和个性化的创造性设计，这也是设计与制造工作者的毕生使命。

综上所述，如图2所示，可以将基于逆向工程的机械设计与制造专业人才的培养所必须具备的能力分为公共基础能力、专业基础能力、创新设计能力、实体制造能力等四大部分。通过比对分析，在具备高技能公共基础能力和机械设计与制造的专业基础能力上，两类工程中最核心的构成都是创新设计、实体制造两大类知识。在此将两者进行一定融合，创新设计包括正向创新设计和逆向创新设计；实体制造包括减材或增材加工制造和CAD模拟制造。在对岗位能力和技术特点进行分析后，认为可以通过相应的理论学习与实践训练获得四类能力。

3 机械设计与制造专业教学平台上的实现方式分析

出发点是将逆向工程融入专业教学中，并作为机械设计制造专业的特色进行建设，所以必须立足原有的学科体系和项目教学模块，通过对培养此方向人才所需要的知识模块进行知识结构与课程内容整合，在一定的载体上实现理论教学和实践训练，通过四门课程形成此方向的核心能力，具备一定创新设计及实体制造能力。

这四门课程内容及其主要作用为：

1）先进制造技术，简单了解时代前沿的先进制造技术及设计工艺，包括先进材料成型工艺、先进加工设备、先进制造工艺、逆向及正向设计制造等；

2）PRO/E，完成数字化制造及数控加工基础学习，掌握三维建模及正向设计，为逆向工程软件学习奠定基础；

3）数字化制造及逆向工程，完成逆向工程设计和逆向工程制造理论及软件学习，包括逆向工程简介、与正向工程区别、逆向工程软件学习（点云数据处理、三维建模、数模比对）、三维成型原理介绍、3D打印设备学习，3D打印材料了解、CNC处理等；

4）精密检测及创新设计实训，完成创新设计实训精密检测实训教学，包括三坐标测量仪原理及实践、三维扫描仪操作、产品逆向建模及比对检测、基于PRO/E或Geomegic的创新设计、产品打印。

经过以上分析，对新的机械设计与制造（逆向工程方向）的课程体系进行修改，详见图3。

4 实现载体

在机械制造传统优势专业的基础上，根据专业教学的特点，结合机械制造技术的发展趋势，以企业实际生产过程为主线，应用先进制造技术，整合构建一个三维立体创新设计与制作平台的环境和载体，培养逆向工程创新型高技能人才是十分必要的。

设备及材料方面 筹建“精密检测及创新设计实训室”，包括复合式三坐标测量机、三维测量系统、教学型3D打印机及材料、FDM或MJM型3D打印机及材料。

软件方面 筹建“虚拟教学实训室”，完成仿真三坐标测量教学系统、三维测量软件、PRO/E等软件教学，为逆向和正向设计制造打下基础。

课程建设方面 依托设备及软件，进行先进制造技术、数字化制造及逆向工程、精密检测及创新设计实训、PRO/E等四门核心骨干课程的开发与建设。

师资及教学平台方面 顺应国家和广东省先进制造技术在教育方向上的发展趋势，积极参加“先进制造技术——3D打印”方面的国培或省培项目，增强逆向工程方向师资力量，借助原机械设计与制造专业教学资源，进行机械类公共课和正向工程教学与实践，搭建逆向工程特色方面的机械设计与制造专业的特色平台。

5 总结

根据现代机械专业的建设特点和学院的实际发展状况，积极引入先进制造技术及装备，开展先进制造技术的教学培训工作。结合企业岗位发展的需要设置对口专项技能培养方案，提高对新装备、新技术、新工艺的掌握能力。大力培养掌握先进制造技术的高素质、复合型制造技能型人才，适应于企业技术进步对人才的需求，为地方经济建设发展服务。

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