逆向工程能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)建

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【摘要】逆向工程具有設(shè)計(jì)過程的特殊性以及目標(biāo)和評(píng)價(jià)的一致性等特點(diǎn)，據(jù)此提出基于逆向工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建三模塊、三類別的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系強(qiáng)調(diào)知識(shí)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性、注重設(shè)計(jì)過程的連續(xù)性，為學(xué)生工程能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的提高提供一種新思路。

【關(guān)鍵詞】逆向設(shè)計(jì)；能力培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

1引言

高校的主要任務(wù)是培養(yǎng)大批應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才，服務(wù)于國(guó)家建設(shè)。在“卓越工程師”培養(yǎng)工作和“大工程”教育的背景下，能力導(dǎo)向成為當(dāng)代社會(huì)對(duì)高等教育人才培養(yǎng)的共識(shí)[1，2]。工程素質(zhì)是工程技術(shù)人員的基本素質(zhì)，創(chuàng)新能力是一個(gè)優(yōu)秀工程技術(shù)人才的基本特征，更是各種層次和類型卓越工程師的核心能力[3]。從學(xué)生能力培養(yǎng)的視角，工程專業(yè)所有的教育教學(xué)活動(dòng)，都應(yīng)該圍繞著學(xué)生能力的培養(yǎng)而設(shè)置、安排和實(shí)施，以達(dá)到能力要求的目標(biāo)。目前我國(guó)高等教育普遍存在著畢業(yè)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的不足的問題，為解決這一問題，理論與工程實(shí)踐并重的“回歸工程”的理念逐漸被工程教育界認(rèn)可并推崇。這一理念下各國(guó)的工程教育越來(lái)越強(qiáng)調(diào)工科學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式[4，5]。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

隨著測(cè)量設(shè)備和技術(shù)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)新技術(shù)的不斷應(yīng)用，以測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)、曲面重構(gòu)技術(shù)為支撐的逆向工程技術(shù)在機(jī)械、汽車、航天、航空等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。逆向工程也稱反向設(shè)計(jì)，是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件實(shí)物原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的數(shù)字化模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行分析、理解和改進(jìn)，是對(duì)已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)，能夠以較低的成本與更高的效率制造出原型產(chǎn)品，從而有力支持新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和快速開發(fā)，且已經(jīng)成為新產(chǎn)品快速開發(fā)過程中的核心技術(shù)之一。逆向工程是一種面向目標(biāo)同時(shí)又確保目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有效設(shè)計(jì)模式，基于此特點(diǎn)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化等專業(yè)開展產(chǎn)品逆向工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，對(duì)于學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力提升和創(chuàng)新能力提高是實(shí)用的方法[7]。目標(biāo)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)。關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定，西方學(xué)者們?cè)谏鲜兰o(jì)七八十年代進(jìn)行了認(rèn)真探討。其中以克洛普弗（Klopfer）的研究最為典型。1971年，克洛普弗提出理工科大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要把重點(diǎn)放在五個(gè)方面：一是知識(shí)和理解能力；二是訓(xùn)練動(dòng)手能力；三是實(shí)踐科學(xué)的探索過程，包括觀察、測(cè)量分析數(shù)據(jù)、確定問題以及找出解決問題的方法；四是了解科學(xué)家的工作方法；五是培養(yǎng)對(duì)科學(xué)的興趣和科學(xué)態(tài)度[8]。逆向設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)把學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)在知識(shí)學(xué)習(xí)、科學(xué)態(tài)度、分析設(shè)計(jì)能力三個(gè)方面得到提升進(jìn)而提高創(chuàng)新能力作為目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建以重基礎(chǔ)、拓專業(yè)、注重知識(shí)的關(guān)聯(lián)延續(xù)為基本原則，體現(xiàn)知識(shí)、態(tài)度和能力的培養(yǎng)，同時(shí)緊密結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展，引進(jìn)新技術(shù)和新工藝。按照以上指導(dǎo)原則，構(gòu)建形成了“三模塊、三類別”的實(shí)驗(yàn)體系，并針對(duì)不同的目標(biāo)要求設(shè)置了不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3模塊設(shè)置

根據(jù)不同的知識(shí)內(nèi)容設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，分別為曲面重構(gòu)模塊，產(chǎn)品成型模塊，產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。曲面重構(gòu)是逆向工程的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是核心內(nèi)容。產(chǎn)品成型是設(shè)計(jì)的實(shí)物化過程，是曲面設(shè)計(jì)的延續(xù)，是將設(shè)計(jì)與制造技術(shù)和工藝的融合過程。產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)是在曲面設(shè)計(jì)前提下，在對(duì)產(chǎn)品功能需求的充分理解下的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，是一個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新過程。曲面重構(gòu)過程是以實(shí)物作為輸入，實(shí)物的曲面數(shù)字化模型作為輸出的過程。曲面重構(gòu)模塊有利于學(xué)生掌握先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，熟悉逆向工程設(shè)計(jì)的流程，掌握產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)中采用FARO七軸測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行掃描，以便快速、大量、精確的獲得密集的零件表面點(diǎn)數(shù)據(jù)。FARO測(cè)量系統(tǒng)主要由柔性測(cè)量臂和激光測(cè)頭構(gòu)成，具有七個(gè)自由度，能夠進(jìn)行接觸或非接觸測(cè)量。測(cè)量臂在各關(guān)節(jié)處各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，記錄測(cè)頭工作時(shí)各關(guān)節(jié)臂的轉(zhuǎn)角信號(hào)，計(jì)算出探頭的坐標(biāo)值。激光測(cè)頭采用線狀激光，照射到被測(cè)物體表面，被測(cè)表面形成的漫反射光帶在接收器中成像，根據(jù)光源、物體表面反射點(diǎn)和成像點(diǎn)之間的關(guān)系，計(jì)算出被測(cè)表面測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[9]。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行表面處理，清理干凈表面，對(duì)反射效果強(qiáng)烈的表面和深色吸光表面噴施顯像劑以增強(qiáng)模型表面的漫反射，然后將產(chǎn)品置于合適的位置對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行掃描獲取表面數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理是逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果將直接影響重構(gòu)曲面的形狀。使用GeomagicStudio軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝形成多邊形面片，對(duì)多邊形面片編輯后根據(jù)產(chǎn)品表面特點(diǎn)構(gòu)造精確曲面或參數(shù)曲面，最后應(yīng)用軟件的分析功能將構(gòu)造的曲面與采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析。若對(duì)結(jié)果滿意則完成設(shè)計(jì)，輸出曲面的數(shù)字化模型，否則從原始點(diǎn)云重新進(jìn)行處理直至滿意。產(chǎn)品成型模塊是構(gòu)建設(shè)計(jì)與制造的橋梁，教學(xué)中利用這個(gè)模塊一方面解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造中的具體問題，培養(yǎng)基本的工程能力；另一方面接觸技術(shù)前沿，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品成型有兩個(gè)線程，一個(gè)是快速成型，一個(gè)是產(chǎn)品制造快速成型以一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，用特殊的蠟材、塑料、粉末狀金屬等可粘合材料，一層一層的打印粘合材料加工生產(chǎn)實(shí)體的增材制造技術(shù)，廣泛用于航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、建筑、電子、珠寶、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，并且和其他技術(shù)相結(jié)合形成具有廣闊發(fā)展前景的新的產(chǎn)業(yè)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將曲面數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為stl格式文件，使用ZPrinter快速成型機(jī)快速獲得模型，通過快速成型獲得實(shí)物。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)改變了傳統(tǒng)的機(jī)械制造方式，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、節(jié)省了產(chǎn)品生產(chǎn)的開支、縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，是一門處于快速發(fā)展中的高新技術(shù)，是未來(lái)行業(yè)中的必備工具，也是新型產(chǎn)品的研發(fā)制造平臺(tái)。CAM是機(jī)制學(xué)生必須了解和掌握的基本技能，實(shí)驗(yàn)中在逆向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上應(yīng)用UG軟 件的CAM模塊進(jìn)行數(shù)控編程完成零件的虛擬加工或者使用UG軟件中的模具設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。這一流程作為CAM理論教學(xué)和模具設(shè)計(jì)教學(xué)的進(jìn)一步擴(kuò)展和延伸，使學(xué)生通過這一解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造中的過程獲得基本的工程能力，并且在這一過程中對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與制造的適應(yīng)性有更深層次的理解，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有新的認(rèn)識(shí)。產(chǎn)品優(yōu)化模塊是先使用UG等正向設(shè)計(jì)軟件中的直接建模等功能對(duì)逆向設(shè)計(jì)所得曲面數(shù)字化模型進(jìn)行編輯和再設(shè)計(jì)，獲得產(chǎn)品模型或?qū)⑺卯a(chǎn)品模型進(jìn)行裝配，然后應(yīng)用CAE軟件進(jìn)行產(chǎn)品分析，據(jù)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品做改進(jìn)設(shè)計(jì)最終獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。產(chǎn)品優(yōu)化模塊中的CAE分析包括有限元分析和運(yùn)動(dòng)分析。有限元分析可以對(duì)零部件模型進(jìn)行力學(xué)分析、靜態(tài)模態(tài)、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、分析和熱結(jié)構(gòu)分析等工作；運(yùn)動(dòng)分析可以對(duì)裝配件模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析或動(dòng)力分析，分析產(chǎn)品的臨界位置、反作用力、速度和加速度等。通過CAE分析可以判斷設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性、合理性，在這一實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生既可以全面了解和掌握機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，又可以學(xué)到先進(jìn)的分析和設(shè)計(jì)方法，提高分析問題和解決問題的能力，形成良好的工程意識(shí)，建立更完整的知識(shí)體系。這一流程在實(shí)驗(yàn)中可應(yīng)用Abaqus軟件進(jìn)行有限元分析，使用MSC.ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

4實(shí)驗(yàn)類別設(shè)置

從學(xué)生能力的形成和提升過程看，能力的培養(yǎng)是一個(gè)逐漸形成、綜合作用和螺旋上升的過程。按照人類認(rèn)知和學(xué)習(xí)規(guī)律，能力培養(yǎng)的逐漸形成過程要經(jīng)歷從知識(shí)學(xué)習(xí)到初步能力形成再到目標(biāo)能力形成這樣一個(gè)漸進(jìn)的、動(dòng)態(tài)的連續(xù)過程[10]?；谀嫦蚬こ虒?shí)驗(yàn)體系的設(shè)置根據(jù)知識(shí)的認(rèn)知、積累和發(fā)展規(guī)律，定位于教學(xué)目標(biāo)，按基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)類別對(duì)學(xué)生進(jìn)行連續(xù)性訓(xùn)練和遞進(jìn)式培養(yǎng)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是教學(xué)所必須的基本實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用單一或少量知識(shí)、原理，使用基本實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行基本技術(shù)操作的就可完成的實(shí)驗(yàn)，通過這類實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，要求學(xué)生了解、理解和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的基本原理或者知識(shí)點(diǎn)，掌握基本實(shí)驗(yàn)方法和技能。在基于逆向設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)體系中基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選用表面造型簡(jiǎn)單的零件，如玩具飛機(jī)、玩具汽車外殼，完成曲面重構(gòu)模塊。通過這一過程學(xué)習(xí)非接觸測(cè)量技術(shù)，學(xué)習(xí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法，掌握逆向設(shè)計(jì)的基本過程，學(xué)習(xí)逆向工程的知識(shí)。這種類型的實(shí)驗(yàn)可在《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》課程中對(duì)整個(gè)專業(yè)的學(xué)生中作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。綜合性實(shí)驗(yàn)由一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)或者多項(xiàng)簡(jiǎn)單任務(wù)組成，這類實(shí)驗(yàn)具有知識(shí)深化或者多重知識(shí)交融的特征，要求學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采取更靈活更綜合的方法去解決問題，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中使學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和綜合思維方法得到提升?；谀嫦蚬こ痰木C合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為二大類：一類為提高型項(xiàng)目，項(xiàng)目?jī)?nèi)容為復(fù)雜零件的曲面重構(gòu)；另一類是任務(wù)組合型項(xiàng)目，內(nèi)容為零件的逆向設(shè)計(jì)與成型。提高型綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般選取表面復(fù)雜的零件，這類零件數(shù)據(jù)采集時(shí)有一定的難度并需要一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)測(cè)量技術(shù)有深度的訓(xùn)練，同時(shí)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)過程也需要更多操作和技巧，如方向盤的逆向設(shè)計(jì)。通過這類項(xiàng)目學(xué)生的逆向設(shè)計(jì)能力得到深層次的訓(xùn)練，基本能適應(yīng)工程需要。這一類實(shí)驗(yàn)適用于實(shí)驗(yàn)室開放，對(duì)逆向設(shè)計(jì)有興趣的同學(xué)。任務(wù)組合型實(shí)驗(yàn)一般是選取簡(jiǎn)單零件完成曲面重構(gòu)和產(chǎn)品成型兩個(gè)模塊。這一項(xiàng)目選取的零件一種是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)時(shí)零件完成曲面重構(gòu)后繼續(xù)完成快速成型，目的是訓(xùn)練逆向設(shè)計(jì)的基本能力并熟悉快速成型增材制造技術(shù)相關(guān)知識(shí)，這類實(shí)驗(yàn)可以在《先進(jìn)制造技術(shù)》課程中分組完成。另一種是選取規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)的零件完成參數(shù)曲面重構(gòu)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的編輯后進(jìn)行模具設(shè)計(jì)或者數(shù)控編程，這主要涉及《模具制造工藝》《機(jī)械制造基礎(chǔ)》《數(shù)控機(jī)床》《機(jī)械CAM》等課程的知識(shí)，這類實(shí)驗(yàn)可以在這些課程中作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開設(shè)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)就是以培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、分析能力和創(chuàng)新能力為核心目的的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，是知識(shí)、能力、素質(zhì)形成的綜合訓(xùn)練與培養(yǎng)[11]。這種實(shí)驗(yàn)以一個(gè)清晰的、需要解決的設(shè)計(jì)問題作為起點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)性、可行性設(shè)計(jì)，并進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證以解決問題，產(chǎn)出相應(yīng)設(shè)計(jì)成果作為終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)既是教學(xué)過程，更是設(shè)計(jì)、分析和創(chuàng)新過程。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目產(chǎn)品選取一般為設(shè)計(jì)中的主要受力件或者裝配中的關(guān)鍵件，要求完成曲面重構(gòu)模塊和產(chǎn)品優(yōu)化模塊。在實(shí)驗(yàn)中注重的是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思路、流程和獲得較優(yōu)解的方法，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求的不僅僅是設(shè)計(jì)成果，更要求的是設(shè)計(jì)思想。學(xué)生通過查閱資料，對(duì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案先有預(yù)期，利用CAE分析結(jié)果做出改造創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，最終獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。這一實(shí)驗(yàn)過程主要培養(yǎng)學(xué)生工程分析能力及問題的求解能力，這類實(shí)驗(yàn)注重自主性、探索性、過程性、和學(xué)科性。運(yùn)動(dòng)分析項(xiàng)目適用于《機(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)，有限元分析可以實(shí)驗(yàn)于《材料力學(xué)》《有限元分析》等課程的課外作業(yè)，這兩種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目亦可作為大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

5結(jié)束語(yǔ)

每一種能力的培養(yǎng)都不是一個(gè)單獨(dú)的教育教學(xué)活動(dòng)可以能夠完成的，它需要多門課程或教學(xué)活動(dòng)的綜合作用，需要這些課程漸進(jìn)累積、強(qiáng)化、相互作用甚至循環(huán)反復(fù)才能夠?qū)崿F(xiàn)。本文探討了基于逆向工程的實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建，這一體系強(qiáng)調(diào)了知識(shí)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性、設(shè)計(jì)的連續(xù)性，這一體系是從單一的逆向設(shè)計(jì)技術(shù)到設(shè)計(jì)與制造結(jié)合、設(shè)計(jì)與分析相結(jié)合的漸進(jìn)過程，為學(xué)生工程能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提升提供了一種新思路。

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作者:劉亞麗 張俊 單位:湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院