逆向工程能力培养的实验教学构建

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【摘要】逆向工程具有设计过程的特殊性以及目标和评价的一致性等特点，据此提出基于逆向工程的实验教学设计，构建三模块、三类别的实验教学体系。这种实验教学体系强调知识内容的关联性、注重设计过程的连续性，为学生工程能力的培养、创新能力的提高提供一种新思路。

【关键词】逆向设计；能力培养；实验教学体系

1引言

高校的主要任务是培养大批应用型和创新型人才，服务于国家建设。在“卓越工程师”培养工作和“大工程”教育的背景下，能力导向成为当代社会对高等教育人才培养的共识[1，2]。工程素质是工程技术人员的基本素质，创新能力是一个优秀工程技术人才的基本特征，更是各种层次和类型卓越工程师的核心能力[3]。从学生能力培养的视角，工程专业所有的教育教学活动，都应该围绕着学生能力的培养而设置、安排和实施，以达到能力要求的目标。目前我国高等教育普遍存在着毕业生实践和创新能力的不足的问题，为解决这一问题，理论与工程实践并重的“回归工程”的理念逐渐被工程教育界认可并推崇。这一理念下各国的工程教育越来越强调工科学生基于实验和项目的学习方式[4，5]。

2实验教学体系构建

随着测量设备和技术的飞速发展以及计算机新技术的不断应用，以测量技术为基础、曲面重构技术为支撑的逆向工程技术在机械、汽车、航天、航空等各个领域得到了广泛的应用[6]。逆向工程也称反向设计，是根据已存在的产品或零件实物原型构造产品或零件的数字化模型，并在此基础上对已有的产品进行分析、理解和改进，是对已有设计的再设计，能够以较低的成本与更高的效率制造出原型产品，从而有力支持新产品的创新设计和快速开发，且已经成为新产品快速开发过程中的核心技术之一。逆向工程是一种面向目标同时又确保目标实现的有效设计模式，基于此特点在机械设计制造与自动化等专业开展产品逆向工程实验教学有助于增强学生学习的主动性和创造性，对于学生工程设计能力提升和创新能力提高是实用的方法[7]。目标是实验教学活动的出发点。关于实验教学目标的设定，西方学者们在上世纪七八十年代进行了认真探讨。其中以克洛普弗（Klopfer）的研究最为典型。1971年，克洛普弗提出理工科大学实验教学要把重点放在五个方面：一是知识和理解能力；二是训练动手能力；三是实践科学的探索过程，包括观察、测量分析数据、确定问题以及找出解决问题的方法；四是了解科学家的工作方法；五是培养对科学的兴趣和科学态度[8]。逆向设计实验把学生通过实验活动在知识学习、科学态度、分析设计能力三个方面得到提升进而提高创新能力作为目标。实验体系的构建以重基础、拓专业、注重知识的关联延续为基本原则，体现知识、态度和能力的培养，同时紧密结合现代科学技术的新发展，引进新技术和新工艺。按照以上指导原则，构建形成了“三模块、三类别”的实验体系，并针对不同的目标要求设置了不同的实验项目。

3模块设置

根据不同的知识内容设置三个实验模块，分别为曲面重构模块，产品成型模块，产品优化设计模块。曲面重构是逆向工程的基础内容，也是核心内容。产品成型是设计的实物化过程，是曲面设计的延续，是将设计与制造技术和工艺的融合过程。产品优化设计是在曲面设计前提下，在对产品功能需求的充分理解下的产品结构优化过程，是一个设计创新过程。曲面重构过程是以实物作为输入，实物的曲面数字化模型作为输出的过程。曲面重构模块有利于学生掌握先进的测量技术，熟悉逆向工程设计的流程，掌握产品的快速设计方法。实验中采用FARO七轴测量系统进行扫描，以便快速、大量、精确的获得密集的零件表面点数据。FARO测量系统主要由柔性测量臂和激光测头构成，具有七个自由度，能够进行接触或非接触测量。测量臂在各关节处各有一个旋转编码器，记录测头工作时各关节臂的转角信号，计算出探头的坐标值。激光测头采用线状激光，照射到被测物体表面，被测表面形成的漫反射光带在接收器中成像，根据光源、物体表面反射点和成像点之间的关系，计算出被测表面测点的三维坐标[9]。实验时首先要对实物模型进行表面处理，清理干净表面，对反射效果强烈的表面和深色吸光表面喷施显像剂以增强模型表面的漫反射，然后将产品置于合适的位置对产品表面进行扫描获取表面数据。数据处理是逆向设计的关键环节，数据处理的结果将直接影响重构曲面的形状。使用GeomagicStudio软件对采集的点云数据进行点数据处理，点云数据封装形成多边形面片，对多边形面片编辑后根据产品表面特点构造精确曲面或参数曲面，最后应用软件的分析功能将构造的曲面与采集的原始数据进行偏差分析。若对结果满意则完成设计，输出曲面的数字化模型，否则从原始点云重新进行处理直至满意。产品成型模块是构建设计与制造的桥梁，教学中利用这个模块一方面解决产品设计和生产制造中的具体问题，培养基本的工程能力；另一方面接触技术前沿，培养创新思维。实验的产品成型有两个线程，一个是快速成型，一个是产品制造快速成型以一种数字模型文件为基础，用特殊的蜡材、塑料、粉末状金属等可粘合材料，一层一层的打印粘合材料加工生产实体的增材制造技术，广泛用于航空航天工业、汽车工业、建筑、电子、珠宝、医学等行业，并且和其他技术相结合形成具有广阔发展前景的新的产业。实验时将曲面数字化模型转化为stl格式文件，使用ZPrinter快速成型机快速获得模型，通过快速成型获得实物。计算机辅助制造（CAM）技术改变了传统的机械制造方式，提高了产品设计质量、节省了产品生产的开支、缩短了产品开发周期，是一门处于快速发展中的高新技术，是未来行业中的必备工具，也是新型产品的研发制造平台。CAM是机制学生必须了解和掌握的基本技能，实验中在逆向设计的基础上应用UG软 件的CAM模块进行数控编程完成零件的虚拟加工或者使用UG软件中的模具设计模块进行模具设计。这一流程作为CAM理论教学和模具设计教学的进一步扩展和延伸，使学生通过这一解决产品设计和生产制造中的过程获得基本的工程能力，并且在这一过程中对产品结构与制造的适应性有更深层次的理解，对产品的设计有新的认识。产品优化模块是先使用UG等正向设计软件中的直接建模等功能对逆向设计所得曲面数字化模型进行编辑和再设计，获得产品模型或将所得产品模型进行装配，然后应用CAE软件进行产品分析，据结果对产品做改进设计最终获得最优设计方案。产品优化模块中的CAE分析包括有限元分析和运动分析。有限元分析可以对零部件模型进行力学分析、静态模态、稳态热传导、分析和热结构分析等工作；运动分析可以对装配件模型进行机构运动分析或动力分析，分析产品的临界位置、反作用力、速度和加速度等。通过CAE分析可以判断设计结果的正确性、合理性，在这一实践训练，学生既可以全面了解和掌握机构系统的设计过程，又可以学到先进的分析和设计方法，提高分析问题和解决问题的能力，形成良好的工程意识，建立更完整的知识体系。这一流程在实验中可应用Abaqus软件进行有限元分析，使用MSC.ADAMS软件进行运动分析。

4实验类别设置

从学生能力的形成和提升过程看，能力的培养是一个逐渐形成、综合作用和螺旋上升的过程。按照人类认知和学习规律，能力培养的逐渐形成过程要经历从知识学习到初步能力形成再到目标能力形成这样一个渐进的、动态的连续过程[10]。基于逆向工程实验体系的设置根据知识的认知、积累和发展规律，定位于教学目标，按基础性实验、综合性实验、设计性实验三个类别对学生进行连续性训练和递进式培养。基础性实验是教学所必须的基本实验，应用单一或少量知识、原理，使用基本实验方法进行基本技术操作的就可完成的实验，通过这类实验训练，要求学生了解、理解和应用实验对应的基本原理或者知识点，掌握基本实验方法和技能。在基于逆向设计的实验体系中基础性实验项目选用表面造型简单的零件，如玩具飞机、玩具汽车外壳，完成曲面重构模块。通过这一过程学习非接触测量技术，学习点云数据的处理方法，掌握逆向设计的基本过程，学习逆向工程的知识。这种类型的实验可在《机械创新设计》课程中对整个专业的学生中作为实验教学内容。综合性实验由一项复杂任务或者多项简单任务组成，这类实验具有知识深化或者多重知识交融的特征，要求学生在基础实验的基础上采取更灵活更综合的方法去解决问题，在这个实验过程中使学生解决复杂工程问题的能力和综合思维方法得到提升。基于逆向工程的综合性实验项目分为二大类：一类为提高型项目，项目内容为复杂零件的曲面重构；另一类是任务组合型项目，内容为零件的逆向设计与成型。提高型综合实验项目一般选取表面复杂的零件，这类零件数据采集时有一定的难度并需要一些经验，对测量技术有深度的训练，同时在点云数据处理和曲面重构过程也需要更多操作和技巧，如方向盘的逆向设计。通过这类项目学生的逆向设计能力得到深层次的训练，基本能适应工程需要。这一类实验适用于实验室开放，对逆向设计有兴趣的同学。任务组合型实验一般是选取简单零件完成曲面重构和产品成型两个模块。这一项目选取的零件一种是基础性实验时零件完成曲面重构后继续完成快速成型，目的是训练逆向设计的基本能力并熟悉快速成型增材制造技术相关知识，这类实验可以在《先进制造技术》课程中分组完成。另一种是选取规则几何结构的零件完成参数曲面重构，进行简单的编辑后进行模具设计或者数控编程，这主要涉及《模具制造工艺》《机械制造基础》《数控机床》《机械CAM》等课程的知识，这类实验可以在这些课程中作为实验内容开设。设计性实验就是以培养学生设计、分析能力和创新能力为核心目的的教学实验，是知识、能力、素质形成的综合训练与培养[11]。这种实验以一个清晰的、需要解决的设计问题作为起点，进行技术性、可行性设计，并进行测试与验证以解决问题，产出相应设计成果作为终点。实验性设计既是教学过程，更是设计、分析和创新过程。设计性实验项目产品选取一般为设计中的主要受力件或者装配中的关键件，要求完成曲面重构模块和产品优化模块。在实验中注重的是培养学生的设计思路、流程和获得较优解的方法，设计性实验要求的不仅仅是设计成果，更要求的是设计思想。学生通过查阅资料，对最优的设计方案先有预期，利用CAE分析结果做出改造创新性设计，最终获得最优的设计方案。这一实验过程主要培养学生工程分析能力及问题的求解能力，这类实验注重自主性、探索性、过程性、和学科性。运动分析项目适用于《机械原理》《机械设计》课程设计，有限元分析可以实验于《材料力学》《有限元分析》等课程的课外作业，这两种实验项目亦可作为大学生创新项目。

5结束语

每一种能力的培养都不是一个单独的教育教学活动可以能够完成的，它需要多门课程或教学活动的综合作用，需要这些课程渐进累积、强化、相互作用甚至循环反复才能够实现。本文探讨了基于逆向工程的实验体系的构建，这一体系强调了知识内容的关联性、设计的连续性，这一体系是从单一的逆向设计技术到设计与制造结合、设计与分析相结合的渐进过程，为学生工程能力的培养和创新能力的提升提供了一种新思路。

参考文献

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[10]林健.“卓越工程师教育培养计划”专业培养方案研究[J].清华大学教育研究,2011,32(2):47-55.

[11]熊宏齐,戴玉蓉,郑家茂.教学实验项目类型及其“开放内禀性”[J].实验技术与管理,2008(1):5-6.

作者:刘亚丽 张俊 单位:湖北文理学院机械与汽车工程学院