外文翻译--基于因特网的逆向工程设计中文版

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸基于因特网的逆向工程设计用于加速产品实现过程的逆向工程设计方法在最近几年得到广泛的应用，发展迅速。因为特网技术已经广泛应用到制造业当中，所以基于因特网的逆向工程在此领域也表现出了其良好优点。本文就介绍了基于因特网的逆向设计方法，并通过一个实例，说明了它在CAD/CAM一体化设计中的应用。关键词：CAD/CAM；协调测量机；因特网；快速仿型；逆向工程1. 简介1.1因特网的发展按照Lynch和Rose1的说法，许多人认为因特网起源于Paul的一些早期想法。在RAND公司，Baren在一系列报告中介绍了他的想法。这些报告于19世纪60年代由软德公司出版。Baran也因此被称为因特网之父。后来，他的这些想法通过阿帕网得以实现。同一时期，在米特公司的Leonard Kleinrole制作了一种模型，并在专题论述中给出了网络的试验和计算数据。“通信网络：随机数据的流通和滞留”。然而，因特网的真正原型是美国国防部高级研究计划局于1968年开始的一项实验（ARPA公司从属与美国国防部）。阿帕网在最初只是一项实验，目的是创建一个把几大洲的计算机联系在一起的网络。后来，发展到连接不同网络的网络系统。这一系统的实现，依靠的是他们在19731974年创建的TCP/IP协议。当时的网络应用非常简单，主要有：远程登录、文件传输和电子邮件。在1995年出现了网络浏览器，它的出现使因特网得到广泛应用。网络浏览器使用Http这种标准文档作为传输协议，用网络做通道，所有的内容都可以自由传输，包括网络浏览器自身。随着万维网（www.）的诞生，因特网不仅促生了一种新的经济形式：数字经济，而且同时给传统的旧式经济施加了巨大压力。使传统经济形式和新经济形式之间展开了激烈的竞争。例如：Amazon与Barnes公司，eToys与Toys公司等。Mandel6预言，不管因特网的巨大压力是否将要来临，这种竞争都给消费者带来了巨大好处。对制造业而言，许多公司已经从因特网上得到了好处，并成功创建和发展起来。例如美国田纳西州专门进行产品供应链管理的I2公司。Mathieu提供了一份完整的与制造业有关的网站清单，包括以下课题：总体制造；CIM自动化和机器人；制造管理、制造同步实时设计和CAD/DAM设计；敏捷制造和可视化制造；产品计划、车间管理和原料交接；加工材料；再次设计、仿真和软件包；后勤、分配和供应链管理；环境意识创建；制造业中的智能仿真及操作研究；电子贸易；电子和光学制造；制造策略及管理；技术转化；全国信息构架和制造。1.2什么是逆向工程设计，为什么要采用逆向工程设计本文中介绍了一种基于因特网的CAD/CAM一体化方案。并举了一个计算机辅助逆向工程的示例。近些年，逆向工程（RE）在加速产品实现过程中得到很大程度的应用。例如，自1998年12月以来，SMEgon公司单就逆向工程每年就要开2次研讨会。其实，逆向工程并非什么新鲜事物。从最广义来说，就是用任何一种方法（手工或计算机辅助）来复制一个现有的元件或系统，可以是硬件的，也可以是软件的。后来，数控加工机床、协调测量器、激光扫描技术和快速仿制技术的出现，使这项古老的技术具有了全新的面貌。对此，本文将做讨论。Aronso阐述了逆向工程在现代制造业中的重要性。Ingle用整整一本书来阐述如何选择和成功实现一个逆向工程。Otto和Wood则论述了逆向工程在整个产品设计过程中所扮演的重要角色。本论文介绍了因特网在计算机辅助逆向工程中的应用。应用时，先使用协调测量器把已有的机械目标变成数字化信息。然后用Scan和GeoMearsure600软件生成包含CMM注册表点数据的IGES文件。之后，用Pro/E创建目标的实体模型。最后用薄层板复制目标体。整个目标体复制过程中使用因特网来传送数据，而不是采用传统的纸张。同样我们还可以使用磁盘在CMM、实体建模车间、数控设备、快速仿型机之间传送数据，实现无纸化逆向设计。这两种无纸化设计都不依赖因特网，称为计算机辅助逆向工程。Feng和Xiao列举了9种需要实施逆向工程的情况，简单介绍如下：1. 没有图纸的旧产品。在CAD/CAM诞生之前设计的产品，就是非常典型的例子。在进行设备保存、技术升级或ISO9000标准文件制定时，却要用到产品的技术数据。另一个例子就是由于早期缺乏制造能力，我们必须从外部引进的设备，如凸模和凹模。我们既无图纸又无技术数据。随着国内CNC加工能力的提高，我们又希望对已经磨损或毁坏的零件进行复制。2. 生产过程中做过改进，但未做任何改进记录的产品。3. 已有设计的再利用。在设计一种新产品时，设计者要参考一些旧的CAD数据，然后开始新的设计。而不是直接参考一些实体模型。使用逆向工程就可以利用现有零件或组件的有用信息，在最短的时间内用最低的成本，创制新的产品。这些信息包括成本、尺寸、计算量、组装步骤和CNC加工代码等。4. 海外生产 。当前没有生产文件或者是已有的产品信息不适合美国的生产标准，都属于这种情况。5. 样板制作。几个世纪以来，各个公司在同一市场上从事逆向工程的竞争，利用逆向工程来设计本来属于竞争对手的产品。这样我们就可以从中得到产品的制造过程。所有的军事力量都在对他们所能获得的敌方设备使用逆向工程。在今天，这种行为被称为样板制作。6. 当一件产品仿型制造成功后，用CMMS的检测功能进行自动检测。7. 就象逆向工程在机械设计中的应用一样，它可以用于人工器官的生产。但这时的设计思想常常来自于CT、X-ray、MRI和外科手术提供的人体骨骼。8. 零件的人类工程学和美学设计。汽车、商用或军用飞机的手柄和脚蹬就是非常典型的例子。9. 视觉和电影制作者利用3D数码生成器来制作人体或有光滑外表的动物体的有机体形象，然后可以创造出某些广告形象或其它特效。2.方法图1.表示的是计算机辅助逆向工程方法的流程图。任何形式的逆向工程首先都要采集现有产品的参数，通常使用一个数字转换器来实现。数字转换器主要分成两类：力学式和光学式，或者说接触式和非接触式。使用哪种类型和在何时使用，都有严格的区别。但是，表面形式、系统精度、零件的结构复杂程度和运动速度都将起到很大的影响作用。 图1. 计算机辅助逆向工程设计流程图力学传感器通过接触工件表面或沿着目标体移动的方法来扫描零件表面，一个点一个点地采集数据。逐点采集数据比扫描的方法要慢，常做探测之用或只要几个点就可以确定一个面的情况。CMMS通常采用这种数据转化方式。虽然这种方式比较慢，却是采集数据的最好方法。相比之下，探头扫描则具有较快的速度，只不过精确度不够。原因是这种方法依靠探测元件的反射来读数。应用CMM进行数字转化的最大进步就在于它具有连续的工作步骤。首先，由点或扫描数据转化为线和面，然后生成实体模型，为以下的工作做准备。例如自动生产方案、NC代码生成、快速仿型和自动装配。有些CMMS提供专门的软件，将点或扫描数据转化为所需要的CAD格式。例如测量和装配实验室的MitutoyoRV507,可以提供一种名叫ScanPak的IGES文件转化器。这种转换器可以将CMM生成的扫描数据转化为IGES文件。由Mitutoyo生产的基于Window操作系统的GeoMeasure6000系统，同样可以实现这种功能。图2.就是这种CMM的总体结构图。然而，大多数的CMM都不能实现这项功能。例如同一实验室的Brown&Shape MicroVal CMM。另种重要的数字转换器就是光学转换系统。它将一束光线或激光投射到工件的表面，然后利用一个射象头或传感器接受反射来的光线，再根据光线特征转化为坐标值。光学转换系统常被称为3D数字转换器。主要用于对机械零件和机体外形等进行自动逆向设计。制造专家们将3D数字转换器应用于仿型机、熔模铸造机和新型CNC机床的开发。医学专家们利用3D数字转换器把人体的骨骼和其它器官进行数字化处理，从而提高器官替换和移植水平。影视制作专家们利用3D数字转换器分析实体，制作电视广告及其它一些特殊效果。3D数字转换器同样具有单点和多点扫描功能。所不同之处在于，光学系统利用三角关系确定点的位置。投射光束和激光传感器间的距离决定光线的角度，反推之后就可以确定出孔或凹槽的深度。图3表明了激光扫描拘束的三角关系原理。给出H、L和A，物体的高度由下式决定：D=H-R=H-LcotA随着角度的增加，精确度会随之降低。在遇到工件的棱边、轴颈或表面不光滑时，所得的结果就很可能不令人满意。精密件的棱边、尖角和轴颈同样会引起这些麻烦。由于激光光线的锐利性，在数字转换系统中得到广泛应用（有关激光扫描器的全体内容列表，参见Arizon State大学的PRISM网，http:/prism.asn.edu以及Wohlers Associate网 ）。通常来说，CMM比激光扫描有更好的数字精确度。前者可以很容易精确到个位数微米级的精度，而后者最高只能达到2位数微米级。在参考书目Wohler15中可以查到不同激光扫描器的列表，包括大概的精确度和价格。使用CMM系统作为数字转换器的过程中，可以选择一种使用广泛的触发器式探测器来对目标进行逐个扫描。扫描所得的特征数据保存为CAD可以识别的格式，例如IGES格式。对每一个特征都进行这种操作后，将这些数据传送到Sun Unix工作站的PC机上。然后在Pro/E里进行组合。组合完毕后，系统将对数据进行一些基本的操作。例如，排除一些重复点，使直线看起来更像直线，圆看起来更像圆，等等诸如此类。同样可以参考PRISM网站上关于扫描数据处理过程的信息和快速仿型的STL文件信息。这些工作完成之后，我们就可以得到所扫描目标的线形轮廓和实体模型了。在文献列表中，包含大量逆向工程的知识。在21-28中对CMM的数字转换过程中的误差补偿做了深入研究。29讨论了如何探测接触式传感器和工件表面的接触点。30-35则论述了逆向工程的数据配合及表面构造技术。Smith 和Zhen在36对三角函数式点激光探测器的精确度进行了分析。Otto和Wond10在产品的整个设计生命周期框架内，讨论了逆向工程。本文试图论述如何借助因特网和其它新工具实现CAD/CAM的一体化设计。如果CMM、Sun工作站、CNC机床、RP机的操作者可以实现网上互联，那么这些设备上的数据就可以实现相互传递。在这个方案的开始阶段，除了基于Window/NT技术的PC工作站外，只有Sun工作站连接到了局域网。要实现基于因特网的逆向工程，我们还需要把CMM、CNC加工机床、RP机也连接到同一个网络。然而，CMM 的旧版本计算机软件在由基于DOS的GEOM到基于Window/NT的Measure60012的转化过程中遭到已经过时。所以，在Bradley大学，CMM是通过以太网连接到局域网的。图4.就是Cincinnati Aroow500型立式加工中心（VMC）。于1999年夏天在Bradley大学研制成功。它的实现，借助于一种实施开放控制方案的，基于因特网的遥控机械故障诊断系统。Bradley大学的Caterpillar 公司和Cincinnati机械公司共同出资开展的。Arrow500型VMC使用基于Window NT的控制器和总控PC机。查看38-41可以浏览开放式控制系统。基于因特网的机械故障诊断系统，参看42，43。在Cincinnati机的直接帮助下，机床控制器得到重构，并通过以太网与Bradley大学的局域网相连接。简单来说，在1999年夏天，实现了以太网与Helisys10 15LOMRP机的信息连通。如图5.所示。由于本方案所涉及的所有设备都设置在Bradley大学。并且在同一栋楼中。因此我们很容易去置疑因特网的应用。试想一下，如果所有的设备不是放置在同一地点，那么我们要在一个地方对目标体进行数字转换，然后通过因特网将数据传送到远处的工作站，用相应的软件进行数据处理和实体建模。待处理完后，还要将生成的STL文件或NC代码传送到另外一地点的设备上去进行复制加工。因为那里才有我们所需要的加工设备。如果利用本文中所讲的技术，我们不需要拥有所以的设备就可以实施完全的无纸化逆向工程方案了。3研究实例下面的研究事例讲述了基于因特网的计算机辅助工程设计过程。如图6.所示的Mitutoyo RV507 CMM上的一个零件，现在我们没有图纸可以利用。虽然它的结构不能包含所以的零件形状特征，却算得上一个中等复杂程度的逆向工程方案。圆、槽和外型特征将被分开扫描。图6.列出了它们在CMM上的点坐标数值。每一个特征结构都被独立保存为IGES文件。然后把这些IGES文件通过因特网，利用CMM计算机上的FTP传送到Sun工作站。在Sun工作站中，用Pro/E对点数据进行处理并创建实体模型。如图6.，这时尺寸标注工作已经完成。以实体模型为基础，生成Pro/E中的STL文件，然后再通过FTP或e-mail将STL文件传送到LOM机器系统。系统将STL文件分割处理，最终在COM机上复制出该零件。如果想更深入了解数据处理和CARE中CMM传感器的半径补偿，参见Feng 和Xiao13。在LOM机上，仿制出零件后，要送到CMM上进行尺寸检查。因为在数字转化、数据处理、模型建立和快速仿型过程中，都会产生误差。各个重要的结构特征已经图中标出。而表1.则给出了各个特征的误差分析结果。限于篇幅，表1.只给出了由数字生成到实体建立过程中的误差分析。表1.表明除圆1以外的其它误差都小于0.14%。分析发现，此0.773%的较大误差是由于在对大圆进行数字转化的过程中，使用了一个粗糙读较大的活块填进了侧孔里。同样的，第二大误差0.136%的产生也是由于这个原因。Feng Pandy研究了CMM数字转化参数对数字转化精确度的影响。这些参数包括：传感器尺寸、传播速度、斜度、零件和传感器方向。Feng 和Xiao在22中引用和比较了在开发用于确定CARE中数字转化不确定性的经验模型时所使用的两种方法：后退法和仿中枢神经网络法。许多的模型已经用Java语言实现了，并做为基于web的实用制造服务器的一部分发表。（http:/hilltop.bradley.edu/cfeng/cfeng/research.html. ）简单总结一下因特网的应用在CARE中的重要性。它不但实现了整个设计过程的自动化，而且降低了机机间传递数据的出错率。更重要的是，他使本来花费巨大的工程方案在因特网的帮助下变地非常经济，易于实现。也是因为这些，我们不再需要在生产区内同时拥有各种昂贵的生产设备，不需要具备各种专业知识。甚至在整个国家都不具备所有设备时，也可以进行生产。4.结论本文论述了因特网在CAD/CAM一体化中的应用。它表明了因特网的重要性。分析了如何将因特网技术用于计算机辅助逆向工程设计过程中，从而降低成本，提高质量，缩短生产周期。因特网在商业领域已经引起了革命性的变革，同样，它也必将对制造业产生巨大的影响。对此，我们满怀信心。希望在不久的将来，正如我们今天看到的大量电子商业技术一样，出现大量的电子制造技术。感谢逆向工程的实例研究，是在我的助手Arnold Ness博士和我以前的研究助手Vinay Pandoy先生和Shang Xiao先生参与下完成的。CARE方案曾得到以下单位和部门的资助：Caterpiller、Fellowship、 Bradley大学研究基金和 Heuser研究基金。同时也要衷心地感谢Jack Feng博士的大力帮助。9