逆向工程及快速成型技术在高校工程实训中的探索与实践

谢韦莲 位建伟

1.广东工业大学实验教学部 广东广州 5100062.昆明理工大学 云南昆明 650500

随着信息和产品的高速发展，激烈的全球竞争市场对产品的研发时间和更新换代速度提出了越来越高的要求。为了快速响应市场的需求，要求产品设计、制造周期进一步缩短，在产品设计制造过程中广泛采用逆向工程和快速成型制造技术相结合(如图1所示)[1]，能更好地解决一些复杂产品的三维建模和实际样品难于加工的问题，更能适应市场竞争条件下的新产品开发，快速复制和优化产品，缩短市场开发周期，降低开发成本。

图1 逆向工程与快速成型流程图

逆向工程(Reverse Engineering，RE)顾名思义就是反其道而行之。随着工业技术水平的提升以及生活质量的提高，任何通用性产品在消费者高性价比的要求下，功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件，产品不单单是功能质量上的要求。近年来在计算机辅助设计、计算机辅助制造软件的带动下，产品设计、改良工作已不是传统机械工程师所能胜任的了，取而代之的是所谓的“逆向工程”(RE)，也称为反向工程、反求工程。逆向工程作为产品设计的一种手段，在20世纪90年代初，开始引起各国工业界和学术界的高度重视。设计师们先通过手工方式塑造出模型，例如：蜡模、木模、石膏模、粘土模、工程塑料模等，再以三维尺寸测量的方式生成自由曲面的CAD文件。针对现有样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将样品外形数据测出，并进行CAD曲面重构，编辑优化后，利用快速成型机(RP)将样品制作出来。或者传至CAD/CAM系统，再由CAM软件产生刀具的NC加工路径，再将NC程序传送至CNC加工设备制作所需的产品或样品。

快速成型(Rapid Prototyping，RP)是20世纪90年代迅速发展起来的一种集激光、材料、信息及控制等为一体的高新技术，它通过软件分层离散和数控成型系统，采用激光束进行分层扫描，把复杂的三维转化为一系列的二维叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成各类复杂的零件模型[2]。新技术的推广应用，不仅可以有效降低新产品在研发过程中需要反复设计、修改和制作模型所造成的材料及工艺消耗，而且大大提高了生产效率和制造柔性。同时，快速成型技术可以完成人工制型难以完成的高精度复杂模型，降低了设计制造困难，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，提高了产品精度，从而有效地提升了产品的市场竞争力。

1 工程实训的目的

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，企业希望毕业生能拥有更先进的制造技术手段以便为企业创造价值。掌握逆向工程、快速成型的基本理论和工作方法，能熟练运用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，也成为一些大型企业招聘紧缺人才的优先条件。为满足社会的需求，近年来，逆向工程及快速成型实训正在各高校工程训练中积极开展[3]。为此，我校工程实训中心引进了一台关节臂式测量机，4台UP Plus3D打印机。中心针对车辆、机械及模具专业的学生开设了一门基于逆向工程与快速成型的实训课程，通过理论和实践教学环节的学习，使学生掌握了逆向工程及快速成型的基础理论知识，使学生具备一定的实际操作能力。

2 工程实训的主要内容

逆向工程与快速成型技术应用实训课程由于受到设备数量的限制，学生自行4～5人组成一组，以学生自选产品的逆向设计与快速成型为驱动，结合理论知识点的传授与实践技能培养，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[4]。工程实训内容和课时安排具体如下：

2.1 数据采集及建立数据模型

(1)点云处理。目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式(Contact)和非接触式(Non-Contact)两种[5]。我中心采用关节臂式测量机非接触式测量方法(如图2所示)。扫描过程中针对曲面形状复杂这一特点，我们对模型进行多角度扫描，可以避免扫描盲区的存在。

图2 关节臂式测量机非接触式测量

(2)创建模型。通过扫描获得了零件曲面的点云数据，将扫描后所得到的点云数据导入GeomagicStudio软件中处理，先将数据的点缝合成面进行处理，即直接对点云进行拼合，联合点对象，前处理，去噪处理，再由点云数据进行封装，转化为多边形阶段，接着进行填充孔，去除特征，松弛，砂纸打磨，删除钉状物等操作，经过精确曲面拟合成NURBS曲面，最后保存为IGS，IGES，STL或其他格式导入其他CAD软件进行编辑，如曲面的平滑过度，缺失曲面的修补，尺寸大小的设置等。

2.2 零件快速成型

(1)导入文件。将生成STL格式的文件直接改为UP格式，导入快速成型UP1.18系统中，文件导入系统后，注意选取最佳接触面为底面，可以通过自动布局、旋转等指令将工件定位合适的方向，以方便成型加工。

(2)调整工作台高度校准。机床初始化后，将喷头移动到工作台中部，上升工作台，使之上表面接近喷嘴，微调工作台，使之间隙大约为0.1 mm。严禁喷头与台面距离过小或喷嘴扎进底板情况发生，这样可能会使喷头堵死。

(3)三维打印。采用数据线将计算机与UP Plus 3D快速成型机连接并对其进行打印参数设置(如图3所示)。通过分层制造，逐层叠加的过程，快速成型系统自动将零件的高度尺寸分成若干层[6]，每一层叠加的厚度为0.2 mm，从底层开始，分层制造，层叠堆积完成模型打印(如图4所示)。

图3 快速成型参数设置

图4 快速成型加工过程

(4)模型后处理。用小铲子小心取出原型，去除支撑，避免破坏零件。用砂纸打磨台阶效应比较明显处；用小刀处理多余部分；用填补液处理台阶效应造成的缺陷。图5为学生作品。

图5 学生作品

3 实训教学方式

本实训课程的实践性很强，要求学生在了解逆向工程及快速成型技术基础理论的前提下，熟练应用该技术进行产品设计与制造，提高学生在实践中解决问题的能力[4]。因此，逆向工程及快速成型工程实训首先采用了多媒体课件授课，以启发式、讨论式、案例式等教学方法，讲解逆向工程及快速成型技术基础知识，在讲课过程中借助动画、视频、图片等资源进行教学，形象生动，教学效果明显。其次结合课堂上的授课内容，数据收集及设备的操作则对学生进行现场演示教学，然后监督学生完成，组织现场辅导和答疑，真正做到理论和实际相结合。最后学生以小组为单位，自选样件，分工协作，完成项目。每个项目完成后，学生根据教学内容的要求，提交数据处理与快速成型模型，并且上交实验报告。整个课程直观性强，能有效地吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣，使学生学习更具有目的性。

4 结束语

我中心在增设了逆向工程与快速成型技术实训课程后，丰富了大学生工程训练的内容，为学生认识、熟悉和掌握逆向工程及快速成型技术提供了一个真实的工业级实践环境，学生通过该实训能更好地掌握逆向工程及快速成型等先进制造技术[7]，加深了学生对理论知识的理解，开阔了学生的眼界，培养了思维能力，提高了学生的实践动手能力和实践创新能力，为学生的发展打下坚实基础。

[1]沈晓伟.逆向工程与快速成型技术的应用[J].新技术新工艺,2010(11):40-42.

[2]王丽萍,张冠伟,曾克伟,侯舒.基于快速成型的逆向工程技术集成[J].上海大学学报:英文版,2004(S1) :31-36.

[3]唐佳,张夷,冷星环.快速成型技术在实践教学中的应用[J].产业与科技论坛,2012(17):208-209.

[4]孙春华,陈雪芳,杜建红.“逆向工程与快速成型技术应用”课程教学探讨[J].苏州市职业大学学报,2011(2):56-58.

[5]成思源,谢韶旺.Geomagic Studio逆向工程技术及应用[M].北京:清华大学出版社,2010.

[6]袁小江.基于逆向工程的快速成型技术应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2008(7):62-64.

[7]黎荣,丁国富,陈思,江磊.反求及快速成型制造集成实验平台的构建[J].实验科学与技术,2009(6):4-7.