逆向工程能力培養(yǎng)的實驗教學構(gòu)建
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【摘要】逆向工程具有設計過程的特殊性以及目標和評價的一致性等特點，據(jù)此提出基于逆向工程的實驗教學設計，構(gòu)建三模塊、三類別的實驗教學體系。這種實驗教學體系強調(diào)知識內(nèi)容的關聯(lián)性、注重設計過程的連續(xù)性，為學生工程能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的提高提供一種新思路。
【關鍵詞】逆向設計；能力培養(yǎng)；實驗教學體系
1引言
高校的主要任務是培養(yǎng)大批應用型和創(chuàng)新型人才，服務于國家建設。在“卓越工程師”培養(yǎng)工作和“大工程”教育的背景下，能力導向成為當代社會對高等教育人才培養(yǎng)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]。從學生能力培養(yǎng)的視角，工程專業(yè)所有的教育教學活動，都應該圍繞著學生能力的培養(yǎng)而設置、安排和實施，以達到能力要求的目標。目前我國高等教育普遍存在著畢業(yè)生實踐和創(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越強調(diào)工科學生基于實驗和項目的學習方式[4，5]。
2實驗教學體系構(gòu)建
隨著測量設備和技術(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(gòu)技術(shù)為支撐的逆向工程技術(shù)在機械、汽車、航天、航空等各個領域得到了廣泛的應用[6]。逆向工程也稱反向設計，是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件實物原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的數(shù)字化模型，并在此基礎上對已有的產(chǎn)品進行分析、理解和改進，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同時又確保目標實現(xiàn)的有效設計模式，基于此特點在機械設計制造與自動化等專業(yè)開展產(chǎn)品逆向工程實驗教學有助于增強學生學習的主動性和創(chuàng)造性，對于學生工程設計能力提升和創(chuàng)新能力提高是實用的方法[7]。目標是實驗教學活動的出發(fā)點。關于實驗教學目標的設定，西方學者們在上世紀七八十年代進行了認真探討。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實驗教學要把重點放在五個方面：一是知識和理解能力；二是訓練動手能力；三是實踐科學的探索過程，包括觀察、測量分析數(shù)據(jù)、確定問題以及找出解決問題的方法；四是了解科學家的工作方法；五是培養(yǎng)對科學的興趣和科學態(tài)度[8]。逆向設計實驗把學生通過實驗活動在知識學習、科學態(tài)度、分析設計能力三個方面得到提升進而提高創(chuàng)新能力作為目標。實驗體系的構(gòu)建以重基礎、拓專業(yè)、注重知識的關聯(lián)延續(xù)為基本原則，體現(xiàn)知識、態(tài)度和能力的培養(yǎng)，同時緊密結(jié)合現(xiàn)代科學技術(shù)的新發(fā)展，引進新技術(shù)和新工藝。按照以上指導原則，構(gòu)建形成了“三模塊、三類別”的實驗體系，并針對不同的目標要求設置了不同的實驗項目。
3模塊設置
根據(jù)不同的知識內(nèi)容設置三個實驗模塊，分別為曲面重構(gòu)模塊，產(chǎn)品成型模塊，產(chǎn)品優(yōu)化設計模塊。曲面重構(gòu)是逆向工程的基礎內(nèi)容，也是核心內(nèi)容。產(chǎn)品成型是設計的實物化過程，是曲面設計的延續(xù)，是將設計與制造技術(shù)和工藝的融合過程。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(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，是一個設計創(chuàng)新過程。曲面重構(gòu)過程是以實物作為輸入，實物的曲面數(shù)字化模型作為輸出的過程。曲面重構(gòu)模塊有利于學生掌握先進的測量技術(shù)，熟悉逆向工程設計的流程，掌握產(chǎn)品的快速設計方法。實驗中采用FARO七軸測量系統(tǒng)進行掃描，以便快速、大量、精確的獲得密集的零件表面點數(shù)據(jù)。FARO測量系統(tǒng)主要由柔性測量臂和激光測頭構(gòu)成，具有七個自由度，能夠進行接觸或非接觸測量。測量臂在各關節(jié)處各有一個旋轉(zhuǎn)編碼器，記錄測頭工作時各關節(jié)臂的轉(zhuǎn)角信號，計算出探頭的坐標值。激光測頭采用線狀激光，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(jù)光源、物體表面反射點和成像點之間的關系，計算出被測表面測點的三維坐標[9]。實驗時首先要對實物模型進行表面處理，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)品表面進行掃描獲取表面數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理是逆向設計的關鍵環(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軟件對采集的點云數(shù)據(jù)進行點數(shù)據(jù)處理，點云數(shù)據(jù)封裝形成多邊形面片，對多邊形面片編輯后根據(jù)產(chǎn)品表面特點構(gòu)造精確曲面或參數(shù)曲面，最后應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)進行偏差分析。若對結(jié)果滿意則完成設計，輸出曲面的數(shù)字化模型，否則從原始點云重新進行處理直至滿意。產(chǎn)品成型模塊是構(gòu)建設計與制造的橋梁，教學中利用這個模塊一方面解決產(chǎn)品設計和生產(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。實驗的產(chǎn)品成型有兩個線程，一個是快速成型，一個是產(chǎn)品制造快速成型以一種數(shù)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)。實驗時將曲面數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為stl格式文件，使用ZPrinter快速成型機快速獲得模型，通過快速成型獲得實物。計算機輔助制造（CAM）技術(shù)改變了傳統(tǒng)的機械制造方式，提高了產(chǎn)品設計質(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是機制學生必須了解和掌握的基本技能，實驗中在逆向設計的基礎上應用UG軟 件的CAM模塊進行數(shù)控編程完成零件的虛擬加工或者使用UG軟件中的模具設計模塊進行模具設計。這一流程作為CAM理論教學和模具設計教學的進一步擴展和延伸，使學生通過這一解決產(chǎn)品設計和生產(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產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shù)字化模型進行編輯和再設計，獲得產(chǎn)品模型或?qū)⑺卯a(chǎn)品模型進行裝配，然后應用CAE軟件進行產(chǎn)品分析，據(jù)結(jié)果對產(chǎn)品做改進設計最終獲得最優(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分析。有限元分析可以對零部件模型進行力學分析、靜態(tài)模態(tài)、穩(wěn)態(tài)熱傳導、分析和熱結(jié)構(gòu)分析等工作；運動分析可以對裝配件模型進行機構(gòu)運動分析或動力分析，分析產(chǎn)品的臨界位置、反作用力、速度和加速度等。通過CAE分析可以判斷設計結(jié)果的正確性、合理性，在這一實踐訓練，學生既可以全面了解和掌握機構(gòu)系統(tǒng)的設計過程，又可以學到先進的分析和設計方法，提高分析問題和解決問題的能力，形成良好的工程意識，建立更完整的知識體系。這一流程在實驗中可應用Abaqus軟件進行有限元分析，使用MSC.ADAMS軟件進行運動分析。
4實驗類別設置
從學生能力的形成和提升過程看，能力的培養(yǎng)是一個逐漸形成、綜合作用和螺旋上升的過程。按照人類認知和學習規(guī)律，能力培養(yǎng)的逐漸形成過程要經(jīng)歷從知識學習到初步能力形成再到目標能力形成這樣一個漸進的、動態(tài)的連續(xù)過程[10]?；谀嫦蚬こ虒嶒烍w系的設置根據(jù)知識的認知、積累和發(fā)展規(guī)律，定位于教學目標，按基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗三個類別對學生進行連續(xù)性訓練和遞進式培養(yǎng)?；A性實驗是教學所必須的基本實驗，應用單一或少量知識、原理，使用基本實驗方法進行基本技術(shù)操作的就可完成的實驗，通過這類實驗訓練，要求學生了解、理解和應用實驗對應的基本原理或者知識點，掌握基本實驗方法和技能。在基于逆向設計的實驗體系中基礎性實驗項目選用表面造型簡單的零件，如玩具飛機、玩具汽車外殼，完成曲面重構(gòu)模塊。通過這一過程學習非接觸測量技術(shù)，學習點云數(shù)據(jù)的處理方法，掌握逆向設計的基本過程，學習逆向工程的知識。這種類型的實驗可在《機械創(chuàng)新設計》課程中對整個專業(yè)的學生中作為實驗教學內(nèi)容。綜合性實驗由一項復雜任務或者多項簡單任務組成，這類實驗具有知識深化或者多重知識交融的特征，要求學生在基礎實驗的基礎上采取更靈活更綜合的方法去解決問題，在這個實驗過程中使學生解決復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合性實驗項目分為二大類：一類為提高型項目，項目內(nèi)容為復雜零件的曲面重構(gòu)；另一類是任務組合型項目，內(nèi)容為零件的逆向設計與成型。提高型綜合實驗項目一般選取表面復雜的零件，這類零件數(shù)據(jù)采集時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，同時在點云數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)過程也需要更多操作和技巧，如方向盤的逆向設計。通過這類項目學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。這一類實驗適用于實驗室開放，對逆向設計有興趣的同學。任務組合型實驗一般是選取簡單零件完成曲面重構(gòu)和產(chǎn)品成型兩個模塊。這一項目選取的零件一種是基礎性實驗時零件完成曲面重構(gòu)后繼續(xù)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)相關知識，這類實驗可以在《先進制造技術(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)，進行簡單的編輯后進行模具設計或者數(shù)控編程，這主要涉及《模具制造工藝》《機械制造基礎》《數(shù)控機床》《機械CAM》等課程的知識，這類實驗可以在這些課程中作為實驗內(nèi)容開設。設計性實驗就是以培養(yǎng)學生設計、分析能力和創(chuàng)新能力為核心目的的教學實驗，是知識、能力、素質(zhì)形成的綜合訓練與培養(yǎng)[11]。這種實驗以一個清晰的、需要解決的設計問題作為起點，進行技術(shù)性、可行性設計，并進行測試與驗證以解決問題，產(chǎn)出相應設計成果作為終點。實驗性設計既是教學過程，更是設計、分析和創(chuàng)新過程。設計性實驗項目產(chǎn)品選取一般為設計中的主要受力件或者裝配中的關鍵件，要求完成曲面重構(gòu)模塊和產(chǎn)品優(yōu)化模塊。在實驗中注重的是培養(yǎng)學生的設計思路、流程和獲得較優(yōu)解的方法，設計性實驗要求的不僅僅是設計成果，更要求的是設計思想。學生通過查閱資料，對最優(yōu)的設計方案先有預期，利用CAE分析結(jié)果做出改造創(chuàng)新性設計，最終獲得最優(yōu)的設計方案。這一實驗過程主要培養(yǎng)學生工程分析能力及問題的求解能力，這類實驗注重自主性、探索性、過程性、和學科性。運動分析項目適用于《機械原理》《機械設計》課程設計，有限元分析可以實驗于《材料力學》《有限元分析》等課程的課外作業(yè)，這兩種實驗項目亦可作為大學生創(chuàng)新項目。
5結(jié)束語
每一種能力的培養(yǎng)都不是一個單獨的教育教學活動可以能夠完成的，它需要多門課程或教學活動的綜合作用，需要這些課程漸進累積、強化、相互作用甚至循環(huán)反復才能夠?qū)崿F(xiàn)。本文探討了基于逆向工程的實驗體系的構(gòu)建，這一體系強調(diào)了知識內(nèi)容的關聯(lián)性、設計的連續(xù)性，這一體系是從單一的逆向設計技術(shù)到設計與制造結(jié)合、設計與分析相結(jié)合的漸進過程，為學生工程能力的培養(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:湖北文理學院機械與汽車工程學院