逆向工程能力培養的實(shí)驗教學(xué)構建論文

　　【摘要】逆向工程具有設計過(guò)程的特殊性以及目標和評價(jià)的一致性等特點(diǎn)，據此提出基于逆向工程的實(shí)驗教學(xué)設計，構建三模塊、三類(lèi)別的實(shí)驗教學(xué)體系。這種實(shí)驗教學(xué)體系強調知識內容的關(guān)聯(lián)性、注重設計過(guò)程的連續性，為學(xué)生工程能力的培養、創(chuàng )新能力的提高提供一種新思路。

　　【關(guān)鍵詞】逆向設計；能力培養；實(shí)驗教學(xué)體系

　　1引言

　　高校的主要任務(wù)是培養大批應用型和創(chuàng )新型人才，服務(wù)于國家建設。在“卓越工程師”培養工作和“大工程”教育的背景下，能力導向成為當代社會(huì )對高等教育人才培養的共識[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(lèi)型卓越工程師的核心能力[3]。從學(xué)生能力培養的視角，工程專(zhuān)業(yè)所有的教育教學(xué)活動(dòng)，都應該圍繞著(zhù)學(xué)生能力的培養而設置、安排和實(shí)施，以達到能力要求的目標。目前我國高等教育普遍存在著(zhù)畢業(yè)生實(shí)踐和創(chuàng )新能力的不足的問(wèn)題，為解決這一問(wèn)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可并推崇。這一理念下各國的工程教育越來(lái)越強調工科學(xué)生基于實(shí)驗和項目的學(xué)習方式[4，5]。

　　2實(shí)驗教學(xué)體系構建

　　隨著(zhù)測量設備和技術(shù)的飛速發(fā)展以及計算機新技術(shù)的不斷應用，以測量技術(shù)為基礎、曲面重構技術(shù)為支撐的逆向工程技術(shù)在機械、汽車(chē)、航天、航空等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用[6]。逆向工程也稱(chēng)反向設計，是根據已存在的產(chǎn)品或零件實(shí)物原型構造產(chǎn)品或零件的數字化模型，并在此基礎上對已有的產(chǎn)品進(jìn)行分析、理解和改進(jìn)，是對已有設計的再設計，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 )新設計和快速開(kāi)發(fā)，且已經(jīng)成為新產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)過(guò)程中的核心技術(shù)之一。逆向工程是一種面向目標同時(shí)又確保目標實(shí)現的有效設計模式，基于此特點(diǎn)在機械設計制造與自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)開(kāi)展產(chǎn)品逆向工程實(shí)驗教學(xué)有助于增強學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性和創(chuàng )造性，對于學(xué)生工程設計能力提升和創(chuàng )新能力提高是實(shí)用的方法[7]。目標是實(shí)驗教學(xué)活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)。關(guān)于實(shí)驗教學(xué)目標的設定，西方學(xué)者們在上世紀七八十年代進(jìn)行了認真探討。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)驗教學(xué)要把重點(diǎn)放在五個(gè)方面：一是知識和理解能力；二是訓練動(dòng)手能力；三是實(shí)踐科學(xué)的探索過(guò)程，包括觀(guān)察、測量分析數據、確定問(wèn)題以及找出解決問(wèn)題的方法；四是了解科學(xué)家的工作方法；五是培養對科學(xué)的興趣和科學(xué)態(tài)度[8]。逆向設計實(shí)驗把學(xué)生通過(guò)實(shí)驗活動(dòng)在知識學(xué)習、科學(xué)態(tài)度、分析設計能力三個(gè)方面得到提升進(jìn)而提高創(chuàng )新能力作為目標。實(shí)驗體系的構建以重基礎、拓專(zhuān)業(yè)、注重知識的關(guān)聯(lián)延續為基本原則，體現知識、態(tài)度和能力的培養，同時(shí)緊密結合現代科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展，引進(jìn)新技術(shù)和新工藝。按照以上指導原則，構建形成了“三模塊、三類(lèi)別”的實(shí)驗體系，并針對不同的目標要求設置了不同的實(shí)驗項目。

　　3模塊設置

　　根據不同的知識內容設置三個(gè)實(shí)驗模塊，分別為曲面重構模塊，產(chǎn)品成型模塊，產(chǎn)品優(yōu)化設計模塊。曲面重構是逆向工程的基礎內容，也是核心內容。產(chǎn)品成型是設計的實(shí)物化過(guò)程，是曲面設計的延續，是將設計與制造技術(shù)和工藝的融合過(guò)程。產(chǎn)品優(yōu)化設計是在曲面設計前提下，在對產(chǎn)品功能需求的充分理解下的產(chǎn)品結構優(yōu)化過(guò)程，是一個(gè)設計創(chuàng )新過(guò)程。曲面重構過(guò)程是以實(shí)物作為輸入，實(shí)物的曲面數字化模型作為輸出的過(guò)程。曲面重構模塊有利于學(xué)生掌握先進(jìn)的測量技術(shù)，熟悉逆向工程設計的流程，掌握產(chǎn)品的快速設計方法。實(shí)驗中采用FARO七軸測量系統進(jìn)行掃描，以便快速、大量、精確的獲得密集的零件表面點(diǎn)數據。FARO測量系統主要由柔性測量臂和激光測頭構成，具有七個(gè)自由度，能夠進(jìn)行接觸或非接觸測量。測量臂在各關(guān)節處各有一個(gè)旋轉編碼器，記錄測頭工作時(shí)各關(guān)節臂的轉角信號，計算出探頭的坐標值。激光測頭采用線(xiàn)狀激光，照射到被測物體表面，被測表面形成的漫反射光帶在接收器中成像，根據光源、物體表面反射點(diǎn)和成像點(diǎn)之間的關(guān)系，計算出被測表面測點(diǎn)的三維坐標[9]。實(shí)驗時(shí)首先要對實(shí)物模型進(jìn)行表面處理，清理干凈表面，對反射效果強烈的表面和深色吸光表面噴施顯像劑以增強模型表面的漫反射，然后將產(chǎn)品置于合適的位置對產(chǎn)品表面進(jìn)行掃描獲取表面數據。數據處理是逆向設計的關(guān)鍵環(huán)節，數據處理的結果將直接影響重構曲面的形狀。使用GeomagicStudio軟件對采集的點(diǎn)云數據進(jìn)行點(diǎn)數據處理，點(diǎn)云數據封裝形成多邊形面片，對多邊形面片編輯后根據產(chǎn)品表面特點(diǎn)構造精確曲面或參數曲面，最后應用軟件的分析功能將構造的曲面與采集的原始數據進(jìn)行偏差分析。若對結果滿(mǎn)意則完成設計，輸出曲面的數字化模型，否則從原始點(diǎn)云重新進(jìn)行處理直至滿(mǎn)意。產(chǎn)品成型模塊是構建設計與制造的橋梁，教學(xué)中利用這個(gè)模塊一方面解決產(chǎn)品設計和生產(chǎn)制造中的具體問(wèn)題，培養基本的工程能力；另一方面接觸技術(shù)前沿，培養創(chuàng )新思維。實(shí)驗的產(chǎn)品成型有兩個(gè)線(xiàn)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字模型文件為基礎，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(chē)工業(yè)、建筑、電子、珠寶、醫學(xué)等行業(yè)，并且和其他技術(shù)相結合形成具有廣闊發(fā)展前景的新的產(chǎn)業(yè)。實(shí)驗時(shí)將曲面數字化模型轉化為stl格式文件，使用ZPrinter快速成型機快速獲得模型，通過(guò)快速成型獲得實(shí)物。計算機輔助制造（CAM）技術(shù)改變了傳統的機械制造方式，提高了產(chǎn)品設計質(zhì)量、節省了產(chǎn)品生產(chǎn)的開(kāi)支、縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，是一門(mén)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。CAM是機制學(xué)生必須了解和掌握的基本技能，實(shí)驗中在逆向設計的基礎上應用UG軟件的CAM模塊進(jìn)行數控編程完成零件的虛擬加工或者使用UG軟件中的模具設計模塊進(jìn)行模具設計。這一流程作為CAM理論教學(xué)和模具設計教學(xué)的進(jìn)一步擴展和延伸，使學(xué)生通過(guò)這一解決產(chǎn)品設計和生產(chǎn)制造中的過(guò)程獲得基本的工程能力，并且在這一過(guò)程中對產(chǎn)品結構與制造的適應性有更深層次的理解，對產(chǎn)品的設計有新的認識。產(chǎn)品優(yōu)化模塊是先使用UG等正向設計軟件中的直接建模等功能對逆向設計所得曲面數字化模型進(jìn)行編輯和再設計，獲得產(chǎn)品模型或將所得產(chǎn)品模型進(jìn)行裝配，然后應用CAE軟件進(jìn)行產(chǎn)品分析，據結果對產(chǎn)品做改進(jìn)設計最終獲得最優(yōu)設計方案。產(chǎn)品優(yōu)化模塊中的CAE分析包括有限元分析和運動(dòng)分析。有限元分析可以對零部件模型進(jìn)行力學(xué)分析、靜態(tài)模態(tài)、穩態(tài)熱傳導、分析和熱結構分析等工作；運動(dòng)分析可以對裝配件模型進(jìn)行機構運動(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(guò)CAE分析可以判斷設計結果的正確性、合理性，在這一實(shí)踐訓練，學(xué)生既可以全面了解和掌握機構系統的設計過(guò)程，又可以學(xué)到先進(jìn)的分析和設計方法，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，形成良好的工程意識，建立更完整的知識體系。這一流程在實(shí)驗中可應用Abaqus軟件進(jìn)行有限元分析，使用MSC.ADAMS軟件進(jìn)行運動(dòng)分析。

　　4實(shí)驗類(lèi)別設置

　　從學(xué)生能力的形成和提升過(guò)程看，能力的培養是一個(gè)逐漸形成、綜合作用和螺旋上升的過(guò)程。按照人類(lèi)認知和學(xué)習規律，能力培養的逐漸形成過(guò)程要經(jīng)歷從知識學(xué)習到初步能力形成再到目標能力形成這樣一個(gè)漸進(jìn)的、動(dòng)態(tài)的連續過(guò)程[10]�；�于逆向工程實(shí)驗體系的設置根據知識的認知、積累和發(fā)展規律，定位于教學(xué)目標，按基礎性實(shí)驗、綜合性實(shí)驗、設計性實(shí)驗三個(gè)類(lèi)別對學(xué)生進(jìn)行連續性訓練和遞進(jìn)式培養�；�礎性實(shí)驗是教學(xué)所必須的基本實(shí)驗，應用單一或少量知識、原理，使用基本實(shí)驗方法進(jìn)行基本技術(shù)操作的就可完成的實(shí)驗，通過(guò)這類(lèi)實(shí)驗訓練，要求學(xué)生了解、理解和應用實(shí)驗對應的基本原理或者知識點(diǎn)，掌握基本實(shí)驗方法和技能。在基于逆向設計的實(shí)驗體系中基礎性實(shí)驗項目選用表面造型簡(jiǎn)單的零件，如玩具飛機、玩具汽車(chē)外殼，完成曲面重構模塊。通過(guò)這一過(guò)程學(xué)習非接觸測量技術(shù)，學(xué)習點(diǎn)云數據的處理方法，掌握逆向設計的基本過(guò)程，學(xué)習逆向工程的知識。這種類(lèi)型的實(shí)驗可在《機械創(chuàng )新設計》課程中對整個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生中作為實(shí)驗教學(xué)內容。綜合性實(shí)驗由一項復雜任務(wù)或者多項簡(jiǎn)單任務(wù)組成，這類(lèi)實(shí)驗具有知識深化或者多重知識交融的特征，要求學(xué)生在基礎實(shí)驗的基礎上采取更靈活更綜合的方法去解決問(wèn)題，在這個(gè)實(shí)驗過(guò)程中使學(xué)生解決復雜工程問(wèn)題的能力和綜合思維方法得到提升�；�于逆向工程的綜合性實(shí)驗項目分為二大類(lèi)：一類(lèi)為提高型項目，項目?jì)热轂閺碗s零件的曲面重構；另一類(lèi)是任務(wù)組合型項目，內容為零件的逆向設計與成型。提高型綜合實(shí)驗項目一般選取表面復雜的零件，這類(lèi)零件數據采集時(shí)有一定的.難度并需要一些經(jīng)驗，對測量技術(shù)有深度的訓練，同時(shí)在點(diǎn)云數據處理和曲面重構過(guò)程也需要更多操作和技巧，如方向盤(pán)的逆向設計。通過(guò)這類(lèi)項目學(xué)生的逆向設計能力得到深層次的訓練，基本能適應工程需要。這一類(lèi)實(shí)驗適用于實(shí)驗室開(kāi)放，對逆向設計有興趣的同學(xué)。任務(wù)組合型實(shí)驗一般是選取簡(jiǎn)單零件完成曲面重構和產(chǎn)品成型兩個(gè)模塊。這一項目選取的零件一種是基礎性實(shí)驗時(shí)零件完成曲面重構后繼續完成快速成型，目的是訓練逆向設計的基本能力并熟悉快速成型增材制造技術(shù)相關(guān)知識，這類(lèi)實(shí)驗可以在《先進(jìn)制造技術(shù)》課程中分組完成。另一種是選取規則幾何結構的零件完成參數曲面重構，進(jìn)行簡(jiǎn)單的編輯后進(jìn)行模具設計或者數控編程，這主要涉及《模具制造工藝》《機械制造基礎》《數控機床》《機械CAM》等課程的知識，這類(lèi)實(shí)驗可以在這些課程中作為實(shí)驗內容開(kāi)設。設計性實(shí)驗就是以培養學(xué)生設計、分析能力和創(chuàng )新能力為核心目的的教學(xué)實(shí)驗，是知識、能力、素質(zhì)形成的綜合訓練與培養[11]。這種實(shí)驗以一個(gè)清晰的、需要解決的設計問(wèn)題作為起點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)性、可行性設計，并進(jìn)行測試與驗證以解決問(wèn)題，產(chǎn)出相應設計成果作為終點(diǎn)。實(shí)驗性設計既是教學(xué)過(guò)程，更是設計、分析和創(chuàng )新過(guò)程。設計性實(shí)驗項目產(chǎn)品選取一般為設計中的主要受力件或者裝配中的關(guān)鍵件，要求完成曲面重構模塊和產(chǎn)品優(yōu)化模塊。在實(shí)驗中注重的是培養學(xué)生的設計思路、流程和獲得較優(yōu)解的方法，設計性實(shí)驗要求的不僅僅是設計成果，更要求的是設計思想。學(xué)生通過(guò)查閱資料，對最優(yōu)的設計方案先有預期，利用CAE分析結果做出改造創(chuàng )新性設計，最終獲得最優(yōu)的設計方案。這一實(shí)驗過(guò)程主要培養學(xué)生工程分析能力及問(wèn)題的求解能力，這類(lèi)實(shí)驗注重自主性、探索性、過(guò)程性、和學(xué)科性。運動(dòng)分析項目適用于《機械原理》《機械設計》課程設計，有限元分析可以實(shí)驗于《材料力學(xué)》《有限元分析》等課程的課外作業(yè)，這兩種實(shí)驗項目亦可作為大學(xué)生創(chuàng )新項目。

　　5結束語(yǔ)

　　每一種能力的培養都不是一個(gè)單獨的教育教學(xué)活動(dòng)可以能夠完成的，它需要多門(mén)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、強化、相互作用甚至循環(huán)反復才能夠實(shí)現。本文探討了基于逆向工程的實(shí)驗體系的構建，這一體系強調了知識內容的關(guān)聯(lián)性、設計的連續性，這一體系是從單一的逆向設計技術(shù)到設計與制造結合、設計與分析相結合的漸進(jìn)過(guò)程，為學(xué)生工程能力的培養和創(chuàng )新能力的提升提供了一種新思路。

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