基于逆向工程的工业工程实验教学研究

潘 莉 李 继 张旭刚 周 敏

（武汉科技大学机械自动化学院 湖北·武汉 430081）

逆向工程技术是指对所选定的工业品进行逆向分析和研究，通过逆向分析和研究可以得出产品的技术规格、结构特征、功能特性以及生产流程等基本的生产设计要素，然后再制作出和目标工艺品功能与结果相似的新产品，其工艺技术主要包括3D扫描、3D打印、3D测量、雕铣等。工业工程覆盖领域和适用行业面非常广泛，几乎涉及到任何工程技术领域。3D打印是现代工业工程专业学生必须掌握的基本知识和技术。工业工程实验室是培养应用型工业工程人才的关键环节，将逆向工程技术融入工业工程实验室系统的建设中尤为必要。

然而，目前逆向工程技术在工业工程专业中的实践教学在国内发展缓慢，一方面是在我国工业工程方面没有重视逆向工程技术的实践教学工作；另一方面由于逆向工程技术的实践和教学需要投入大量的资金来搭建完善的实验平台，并且需要高新技术的设备来支撑，在实验平台的基础设备以及技术支持不完善的情况下难以全面开展研究。

1 实验体系仪器购置

我校工业工程实验室经过多年的发展，已初具规模，可初步完成主体课程实验环节方面的教学工作，但在技术先进性、设计综合型、研究创新型实验方面还需进一步拓展。目前迫切需要开展面向先进制造的工业工程实验教学研究，因此开展关于基于逆向工程的工业工程实验教学研究具有重要意义。

我校工业工程专业自2002年成立以来，在人因工程、质量控制等实验室建设方面奠定了一定的基础。实验室已购置程序分析、操作分析、动作分析、质量控制与分析等基本型实验的设备及分析软件，为逆向工程与现有工业工程实验的结合创新提供了基础

2 基于逆向工程的3D打印实验平台构建

基于逆向工程的工业工程实验教学平台的建设，首先要构建逆向工程实验平台，主要也就是搭建逆向工程硬件平台，其中主要包括三维扫描设备、3D打印设备、3D测量设备、雕铣机等配套设备。目前，我校已建成基于逆向工程的3D打印实验平台，未来的发展方向是将逆向技术结合工业工程专业，开发包括人因工程、质量控制、先进制造技术等具有工业工程专业特色的实验平台，将逆向工程技术融入传统工业工程实验系统中；开展逆向工程创新实验项目，丰富与完善我校工业工程创新实验内容，打造一个开放创新的实验平台。

我校基于逆向工程的工业工程教学的在学院老师的研讨过程中，提出了3D打印实验平台教学体系。围绕3D打印实验教学的实施步骤如下所示：

（1）本次实验教学面向的学生是工业工程专业的大三学生，在实验开始前由教师进行演示操作。教师在演示时手持三维扫描仪扫描现有工艺品，获得其虚拟的三维模型，然后利用蜡模打印机打印模型。

（2）教师在演示的教学过程中讲述三维扫描仪、蜡模打印机的基本原理，介绍相关参数与设备操作方法，学生能够按照教学大纲要求操作设备，完成工艺品的复制。

（3）引导学生利用UG、Pro/e等建模软件，或者利用三维扫描软件扫描实物建立三维模型；通过Geomagic、Ployworks等软件对三维模型进行数据处理，减少模型表面的噪点，提高表面质量；接着运用MakerWare软件将处理过的模型转化为3D打印机可识别的打印格式，及设定打印参数。最后通过3D打印设备打印模型图到符合要求的物体。

3 基于逆向工程的3D打印实验实操

参加本次实验的学生在老师讲解完3D打印相关的理论知识和实际操作之后，对学生进行分小组分批次的进行操作练习，在学生掌握基本操作之后，给各个小组分发不同的工艺品，由小组成员自由讨论分工合作，以某个小组的操作过程为例，其基于逆向工程的3D打印实验过程流程简图如图1所示。

图1：操作流程图

3.1 逆向工程获取虚拟模型

通过此次实验可以让学生学习操作自动化三维扫描仪的调试及使用方法，初步掌握空间曲面三维扫描的方法，同时让学生具体了解点云数据处理流程，为逆向工程技术运用奠定基础。

3.2 3D打印工艺品蜡模制作

3D打印工艺品蜡模制作即SLS快速成原型实验—蜡模制作。SLS成形工作原理如图3所示，主要由激光器、振镜系统、工作台、加热罩，供粉缸、工作缸、铺粉棍构成。成形时，先在工作缸中铺一定厚度的粉末材料成为第一层的烧结原材料和起到支撑的作用，首先加热粉末材料到一定的温度，在将激光束调焦以及校正，并且在扫描出制件的截面轮廓信息后通过计算机对其实心部分进行烧结，烧结会使粉尘的温度升至熔化点，到达熔化点之后在交界处粉尘颗粒会熔化和互相黏结，这样就可以一步步的得到每层的轮廓，未烧结或烧结不充分的粉末依然呈松散状，这可以作为下一成形面的支撑，并起到一定的散热作用，一层成形完成后，工作缸粉在电机的作用下，粉末面下降一个截面层的高度，供粉缸粉同样在电机的作用下上升一个截面层的高度。为了使工作缸的粉末有较好效果的铺粉，也可以使得供粉缸上升略大于一个截面的高度，并在铺粉滚的推动下，进行下一层面的铺粉和铺平，然后激光束再次进行扫描烧结，如此循环，最终形成我们所设计的三维工件，三维工件完成后，未熔化的粉末可以被刷除，作为下次烧结的原料。

3.3 成果展示

按照之前分的小组实验，各组学生按照操作要求在老师的指导下完成蜡模制作的实验，选取几个小组最终得到的蜡模实验成品如图2(a)(b)。

图2：学生制作蜡模成品图

4 总结

本次教学研究是基于逆向工程的工业工程实验教学研究，本次实验教学研究紧密围绕着搭建3D打印实验平台而展开，在学院教师和学生的共同努力之下取得了显著的成果，这为了后续逆向工程渗透到工业工程其他研究方向的教学研究打开了一定的思路。由于逆向工程在学院展开的3D打印实验平台教学已取得一定成果，后续学院实验室已经购置程序分析、操作分析、动作分析、质量控制与分析等基本型实验的设备及分析软件，这一举措为逆向工程与现有工业工程实验的结合创新提供了基础。同时，我学院已有教授、博士生和研究生进行逆向工程的相关研究工作，为逆向工程实践教学的开展打下了坚实的理论基础。