立足機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)平臺(tái)的逆向設(shè)計(jì)及制作特色方向建設(shè)探索*

◆劉松

在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的過(guò)程，即設(shè)計(jì)人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段完成各類數(shù)據(jù)模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入到研發(fā)流程中，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)研發(fā)周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程稱為“正向設(shè)計(jì)”過(guò)程，即正向工程；反之，逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以認(rèn)為是一個(gè)從產(chǎn)品到設(shè)計(jì)的過(guò)程。

逆向工程（又稱逆向技術(shù)）是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)過(guò)程，即對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品。逆向工程源于商業(yè)及軍事領(lǐng)域中的硬件分析。其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產(chǎn)信息的情況下，直接從成品分析，推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理。簡(jiǎn)單地說(shuō)，逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括各類設(shè)計(jì)圖或數(shù)據(jù)模型）的過(guò)程。

逆向工程技術(shù)發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng)，是一門新興科學(xué)和朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，卻因?yàn)樗膶?shí)用性與高效性已廣泛存在于汽車、航天航空、模具等行業(yè)之中，在逆向設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢查、來(lái)樣加工和模具設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。

最近幾年，隨著逆向工程在非工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，如雕刻、文物保護(hù)、服裝、電影玩具等，這一缺口已越來(lái)越大。同時(shí)，逆向工程被廣泛地應(yīng)用到新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析檢測(cè)等領(lǐng)域，它的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：

1）縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度；

2）降低企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn)；

3）加快產(chǎn)品的造型和系列化的設(shè)計(jì)；

4）適合單件、小批量的零件制造，特別是模具的制造，可進(jìn)行直接制模與間接制模。

然而，與之相對(duì)的是這個(gè)行業(yè)巨大的人才缺口。在中國(guó)僅有少數(shù)的高校開(kāi)設(shè)了這一專業(yè)，而且多是碩士研究生等科研人才，實(shí)用型人才很少，特別是在高職學(xué)院少有培養(yǎng)逆向工程方向的專業(yè)。鑒于此種能力與機(jī)械類專業(yè)密切相關(guān)，所以，以機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)為基礎(chǔ)，培養(yǎng)逆向設(shè)計(jì)及制作能力，既可以使老牌機(jī)械類專業(yè)走出低谷，再獲新生，又可以為此能力在高職教育中找到合適載體，走出極具時(shí)代特征、傳統(tǒng)與先進(jìn)結(jié)合的人才培養(yǎng)之路。

將逆向工程技術(shù)融入傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造類人才培養(yǎng)模式，必須了解兩類工程的知識(shí)模塊構(gòu)成，以原人才培養(yǎng)模式的課程體系為基礎(chǔ)，進(jìn)行改進(jìn)制定。

1 正向工程與逆向工程的工作過(guò)程分析

如圖1所示，逆向工程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、逆向建模、數(shù)模比對(duì)及優(yōu)化、樣本生產(chǎn)、精密檢測(cè)、產(chǎn)品優(yōu)化、批量生產(chǎn)等；正向工程包括市場(chǎng)調(diào)查或客戶需求、功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模擬優(yōu)化及檢測(cè)、材料選擇、生產(chǎn)試制、精密檢測(cè)、產(chǎn)品優(yōu)化、批量生產(chǎn)等。

2 基于正向、逆向工程工作過(guò)程的知識(shí)構(gòu)成探討

將逆向工程技術(shù)融入傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造類人才培養(yǎng)模式，必須了解兩類工程的知識(shí)模塊構(gòu)成。以原人才培養(yǎng)模式的課程體系為基礎(chǔ)，剔除與整合相對(duì)滯后的、專業(yè)性不強(qiáng)的、應(yīng)用性較弱的知識(shí)模塊，融入逆向工程技術(shù)人才必須具備的設(shè)備操作、軟件處理、綜合應(yīng)用等能力的培養(yǎng)。

從圖1中可以清晰地看到，兩類工程都包括前期準(zhǔn)備、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、后期優(yōu)化及生產(chǎn)四大部分。一種產(chǎn)品的出現(xiàn)，極大部分成本在于設(shè)計(jì)過(guò)程，正向工程中為功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模擬優(yōu)化、材料選擇等。而逆向工程中，只要一次性投入設(shè)備和軟件成本，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、逆向建模、數(shù)模比對(duì)及優(yōu)化等過(guò)程實(shí)現(xiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)及制造方面的專業(yè)技術(shù)人才的綜合素質(zhì)要求相對(duì)低很多，只需要專門相關(guān)技術(shù)人員，就可以完成不同行業(yè)、不同層次的設(shè)計(jì)與制造，成本低很多，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)然，逆向工程是站在巨人肩膀上的，仿制的目的是為了更好更快地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成自我風(fēng)格和個(gè)性化的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，這也是設(shè)計(jì)與制造工作者的畢生使命。

綜上所述，如圖2所示，可以將基于逆向工程的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)人才的培養(yǎng)所必須具備的能力分為公共基礎(chǔ)能力、專業(yè)基礎(chǔ)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、實(shí)體制造能力等四大部分。通過(guò)比對(duì)分析，在具備高技能公共基礎(chǔ)能力和機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的專業(yè)基礎(chǔ)能力上，兩類工程中最核心的構(gòu)成都是創(chuàng)新設(shè)計(jì)、實(shí)體制造兩大類知識(shí)。在此將兩者進(jìn)行一定融合，創(chuàng)新設(shè)計(jì)包括正向創(chuàng)新設(shè)計(jì)和逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)；實(shí)體制造包括減材或增材加工制造和CAD模擬制造。在對(duì)崗位能力和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析后，認(rèn)為可以通過(guò)相應(yīng)的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐訓(xùn)練獲得四類能力。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)教學(xué)平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)方式分析

出發(fā)點(diǎn)是將逆向工程融入專業(yè)教學(xué)中，并作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)的特色進(jìn)行建設(shè)，所以必須立足原有的學(xué)科體系和項(xiàng)目教學(xué)模塊，通過(guò)對(duì)培養(yǎng)此方向人才所需要的知識(shí)模塊進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)與課程內(nèi)容整合，在一定的載體上實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練，通過(guò)四門課程形成此方向的核心能力，具備一定創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)體制造能力。

這四門課程內(nèi)容及其主要作用為：

1）先進(jìn)制造技術(shù)，簡(jiǎn)單了解時(shí)代前沿的先進(jìn)制造技術(shù)及設(shè)計(jì)工藝，包括先進(jìn)材料成型工藝、先進(jìn)加工設(shè)備、先進(jìn)制造工藝、逆向及正向設(shè)計(jì)制造等；

2）PRO/E，完成數(shù)字化制造及數(shù)控加工基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，掌握三維建模及正向設(shè)計(jì)，為逆向工程軟件學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；

3）數(shù)字化制造及逆向工程，完成逆向工程設(shè)計(jì)和逆向工程制造理論及軟件學(xué)習(xí)，包括逆向工程簡(jiǎn)介、與正向工程區(qū)別、逆向工程軟件學(xué)習(xí)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維建模、數(shù)模比對(duì)）、三維成型原理介紹、3D打印設(shè)備學(xué)習(xí)，3D打印材料了解、CNC處理等；

4）精密檢測(cè)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)精密檢測(cè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，包括三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x原理及實(shí)踐、三維掃描儀操作、產(chǎn)品逆向建模及比對(duì)檢測(cè)、基于PRO/E或Geomegic的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、產(chǎn)品打印。

經(jīng)過(guò)以上分析，對(duì)新的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造（逆向工程方向）的課程體系進(jìn)行修改，詳見(jiàn)圖3。

4 實(shí)現(xiàn)載體

在機(jī)械制造傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)專業(yè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程為主線，應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)，整合構(gòu)建一個(gè)三維立體創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作平臺(tái)的環(huán)境和載體，培養(yǎng)逆向工程創(chuàng)新型高技能人才是十分必要的。

設(shè)備及材料方面 籌建“精密檢測(cè)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)室”，包括復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三維測(cè)量系統(tǒng)、教學(xué)型3D打印機(jī)及材料、FDM或MJM型3D打印機(jī)及材料。

軟件方面 籌建“虛擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)室”，完成仿真三坐標(biāo)測(cè)量教學(xué)系統(tǒng)、三維測(cè)量軟件、PRO/E等軟件教學(xué)，為逆向和正向設(shè)計(jì)制造打下基礎(chǔ)。

課程建設(shè)方面 依托設(shè)備及軟件，進(jìn)行先進(jìn)制造技術(shù)、數(shù)字化制造及逆向工程、精密檢測(cè)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)、PRO/E等四門核心骨干課程的開(kāi)發(fā)與建設(shè)。

師資及教學(xué)平臺(tái)方面 順應(yīng)國(guó)家和廣東省先進(jìn)制造技術(shù)在教育方向上的發(fā)展趨勢(shì)，積極參加“先進(jìn)制造技術(shù)——3D打印”方面的國(guó)培或省培項(xiàng)目，增強(qiáng)逆向工程方向師資力量，借助原機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)教學(xué)資源，進(jìn)行機(jī)械類公共課和正向工程教學(xué)與實(shí)踐，搭建逆向工程特色方面的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的特色平臺(tái)。

5 總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)代機(jī)械專業(yè)的建設(shè)特點(diǎn)和學(xué)院的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，積極引入先進(jìn)制造技術(shù)及裝備，開(kāi)展先進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)培訓(xùn)工作。結(jié)合企業(yè)崗位發(fā)展的需要設(shè)置對(duì)口專項(xiàng)技能培養(yǎng)方案，提高對(duì)新裝備、新技術(shù)、新工藝的掌握能力。大力培養(yǎng)掌握先進(jìn)制造技術(shù)的高素質(zhì)、復(fù)合型制造技能型人才，適應(yīng)于企業(yè)技術(shù)進(jìn)步對(duì)人才的需求，為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展服務(wù)。

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