外文翻譯--基于因特網(wǎng)的逆向工程設(shè)計(jì) 中文版

齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 1 基于因特網(wǎng)的逆向工程設(shè)計(jì) 用于加速產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程的逆向工程設(shè)計(jì)方法在最近幾年得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)展迅速。因?yàn)樘鼐W(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到制造業(yè)當(dāng)中，所以基于因特網(wǎng)的逆向工程在此領(lǐng)域也表現(xiàn)出了其良好優(yōu)點(diǎn)。本文就介紹了基于因特網(wǎng)的逆向設(shè)計(jì)方法，并通過一個(gè)實(shí)例，說明了它在 CAD/CAM 一體化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 ： CAD/CAM；協(xié)調(diào)測量機(jī)；因特網(wǎng)；快速仿型；逆向工程 1. 簡介 1.1因特網(wǎng)的發(fā)展 按照 Lynch 和 Rose1的說法，許多人認(rèn)為因特網(wǎng)起源于 Paul 的一些早期想法。在 RAND公司， Baren 在一系列報(bào)告 中介紹了他的想法。這些報(bào)告于 19 世紀(jì) 60 年代由軟德公司出版。 Baran 也因此被稱為因特網(wǎng)之父。后來，他的這些想法通過阿帕網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)。同一時(shí)期，在米特公司的 Leonard Kleinrole制作了一種模型，并在專題論述中給出了網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)。“通信網(wǎng)絡(luò)：隨機(jī)數(shù)據(jù)的流通和滯留”。 然而，因特網(wǎng)的真正原型是美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局于 1968 年開始的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)（ ARPA公司從屬與美國國防部）。阿帕網(wǎng)在最初只是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，目的是創(chuàng)建一個(gè)把幾大洲的計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起的網(wǎng)絡(luò)。后來，發(fā)展到連接不同網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)，依靠的是他們?cè)?973 1974年創(chuàng)建的 TCP/IP協(xié)議。當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用非常簡單，主要有：遠(yuǎn)程登錄、文件傳輸和電子郵件。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 2 在 1995 年出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，它的出現(xiàn)使因特網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)瀏覽器使用 Http這種標(biāo)準(zhǔn)文檔作為傳輸協(xié)議，用網(wǎng)絡(luò)做通道，所有的內(nèi)容都可以自由傳輸，包括網(wǎng)絡(luò)瀏覽器自身。隨著萬維網(wǎng)（ www.）的誕生，因特網(wǎng)不僅促生了一種新的經(jīng)濟(jì)形式：數(shù)字經(jīng)濟(jì)，而且同時(shí)給傳統(tǒng)的舊式經(jīng)濟(jì)施加了巨大壓力。使傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)形式和新經(jīng)濟(jì)形式之間展開了激烈的競爭。例如： Amazon與 Barnes公司， eToys與 Toys 公司等。Mandel6預(yù)言，不管因特網(wǎng)的巨大壓力是否將要來臨，這種競爭都給消費(fèi)者帶來了巨大好處。 對(duì)制造業(yè)而言，許多公司已經(jīng)從因特網(wǎng)上得到了好處，并成功創(chuàng)建和發(fā)展起來。例如美國田納西州專門進(jìn)行產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理的 I2 公司。Mathieu 提供了一份完整的與制造業(yè)有關(guān)的網(wǎng)站清單，包括以下課題：總體制造； CIM 自動(dòng)化和機(jī)器人；制造管理、制造同步實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)和CAD/DAM 設(shè)計(jì)；敏捷制造和可視化制造；產(chǎn)品計(jì)劃、車間管理和原料交接；加工材料；再次設(shè)計(jì)、仿真和軟件包；后勤、分配和供應(yīng)鏈管理；環(huán)境意識(shí)創(chuàng)建；制造業(yè)中的智能 仿真及操作研究；電子貿(mào)易；電子和光學(xué)制造；制造策略及管理；技術(shù)轉(zhuǎn)化；全國信息構(gòu)架和制造。 1.2什么是逆向工程設(shè)計(jì)，為什么要采用逆向工程設(shè)計(jì) 本文中介紹了一種基于因特網(wǎng)的 CAD/CAM一體化方案。并舉了一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助逆向工程的示例。近些年，逆向工程（ RE）在加速產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程中得到很大程度的應(yīng)用。例如，自 1998 年 12 月以來， SMEgon公司單就逆向工程每年就要開 2次研討會(huì)。其實(shí)，逆向工程并非什么新鮮事物。從最廣義來說，就是用任何一種方法（手工或計(jì)算機(jī)輔助）來復(fù)制一個(gè)現(xiàn)有的元件或系統(tǒng)，可以是硬件的，也可以是軟 件的。后來，數(shù)控加工機(jī)床、協(xié)調(diào)測量器、激光掃描技術(shù)和快速仿制技術(shù)的出現(xiàn)，使這項(xiàng)古老的技術(shù)具有了全新的面貌。對(duì)此，本文將做討論。 Aronso 闡述了逆向工程在現(xiàn)代制造業(yè)中的重要性。 Ingle 用整整一本書來闡述如何選擇和成功實(shí)現(xiàn)一個(gè)逆向工程。 Otto 和 Wood 則論述了齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 3 逆向工程在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中所扮演的重要角色。 本論文介紹了因特網(wǎng)在計(jì)算機(jī)輔助逆向工程中的應(yīng)用。應(yīng)用時(shí)，先使用協(xié)調(diào)測量器把已有的機(jī)械目標(biāo)變成數(shù)字化信息。然后用 Scan 和GeoMearsure600軟件生成包含 CMM注冊(cè)表點(diǎn)數(shù)據(jù)的 IGES文件。之后，用 Pro/E 創(chuàng)建目標(biāo)的實(shí)體模型。最后用薄層板復(fù)制目標(biāo)體。整個(gè)目標(biāo)體復(fù)制過程中使用因特網(wǎng)來傳送數(shù)據(jù)，而不是采用傳統(tǒng)的紙張。同樣我們還可以使用磁盤在 CMM、實(shí)體建模車間、數(shù)控設(shè)備、快速仿型機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無紙化逆向設(shè)計(jì)。這兩種無紙化設(shè)計(jì)都不依賴因特網(wǎng)，稱為計(jì)算機(jī)輔助逆向工程。 Feng和 Xiao列舉了 9種需要實(shí)施逆向工程的情況，簡單介紹如下： 1. 沒有圖紙的舊產(chǎn)品。在 CAD/CAM 誕生之前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，就是非常典型的例子。在進(jìn)行設(shè)備保存、技術(shù)升級(jí)或 ISO9000 標(biāo)準(zhǔn)文件制定時(shí)，卻要用到產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)。另一個(gè)例子就 是由于早期缺乏制造能力，我們必須從外部引進(jìn)的設(shè)備，如凸模和凹模。我們既無圖紙又無技術(shù)數(shù)據(jù)。隨著國內(nèi) CNC加工能力的提高，我們又希望對(duì)已經(jīng)磨損或毀壞的零件進(jìn)行復(fù)制。 2. 生產(chǎn)過程中做過改進(jìn)，但未做任何改進(jìn)記錄的產(chǎn)品。 3. 已有設(shè)計(jì)的再利用。在設(shè)計(jì)一種新產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)者要參考一些舊的CAD 數(shù)據(jù)，然后開始新的設(shè)計(jì)。而不是直接參考一些實(shí)體模型。使用逆向工程就可以利用現(xiàn)有零件或組件的有用信息，在最短的時(shí)間內(nèi)用最低的成本，創(chuàng)制新的產(chǎn)品。這些信息包括成本、尺寸、計(jì)算量、組裝步驟和 CNC加工代碼等。 4. 海外生產(chǎn) 。當(dāng)前沒有生產(chǎn)文件或者 是已有的產(chǎn)品信息不適合美國的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，都屬于這種情況。 5. 樣板制作。幾個(gè)世紀(jì)以來，各個(gè)公司在同一市場上從事逆向工程的競爭，利用逆向工程來設(shè)計(jì)本來屬于競爭對(duì)手的產(chǎn)品。這樣我們就可以從中得到產(chǎn)品的制造過程。所有的軍事力量都在對(duì)他們所能獲得的敵方設(shè)備使用逆向工程。在今天，這種行為被稱為樣板制作。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 4 目標(biāo)體 C M M 激光掃描 點(diǎn) 數(shù) 據(jù) 或 掃描數(shù)據(jù) I G E S 文件 實(shí) 體模型 S T L 文件 NC 代 碼 C N C 加工 快速仿型 C M M 檢驗(yàn) 6. 當(dāng)一件產(chǎn)品仿型制造成功后，用 CMMS的檢測功能進(jìn)行自動(dòng)檢測。 7. 就象逆向工程在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一樣，它可以用于人工器官的生產(chǎn)。但這時(shí)的設(shè)計(jì)思想常常來自于 CT、 X-ray、 MRI 和外科手術(shù)提供的人體骨骼。 8. 零件的人類工程學(xué)和美 學(xué)設(shè)計(jì)。汽車、商用或軍用飛機(jī)的手柄和腳蹬就是非常典型的例子。 9. 視覺和電影制作者利用 3D數(shù)碼生成器來制作人體或有光滑外表的動(dòng)物體的有機(jī)體形象，然后可以創(chuàng)造出某些廣告形象或其它特效。 2.方法 圖 1.表示的是計(jì)算機(jī)輔助逆向工程方法的流程圖。任何形式的逆向工程首先都要采集現(xiàn)有產(chǎn)品的參數(shù)，通常使用一個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字轉(zhuǎn)換器主要分成兩類：力學(xué)式和光學(xué)式，或者說接觸式和非接觸式。使用哪種類型和在何時(shí)使用，都有嚴(yán)格的區(qū)別。但是，表面形式、系統(tǒng)精度、零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和運(yùn)動(dòng)速度都將起到很大的影響作用。 圖 1. 計(jì)算機(jī)輔助逆向工程設(shè)計(jì)流程圖 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 5 力學(xué)傳感器通過接觸工件表面或沿著目標(biāo)體移動(dòng)的方法來掃描零件表面，一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地采集數(shù)據(jù)。逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)比掃描的方法要慢，常做探測之用或只要幾個(gè)點(diǎn)就可以確定一個(gè)面的情況。 CMMS通常采用這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方式。雖然這種方式比較慢，卻是采集數(shù)據(jù)的最好方法。相比之下，探頭掃描則具有較快的速度，只不過精確度不夠。原因是這種方法依靠探測元件的反射來讀數(shù)。應(yīng)用 CMM 進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化的最大進(jìn)步就在于它具有連續(xù)的工作步驟。首先，由點(diǎn)或掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為線和面，然后生成實(shí)體模型，為以下的工作做準(zhǔn)備 。例如自動(dòng)生產(chǎn)方案、 NC 代碼生成、快速仿型和自動(dòng)裝配。 有些 CMMS提供專門的軟件，將點(diǎn)或掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為所需要的 CAD格式。例如測量和裝配實(shí)驗(yàn)室的 MitutoyoRV507,可以提供一種名叫ScanPak的 IGES文件轉(zhuǎn)化器。這種轉(zhuǎn)換器可以將 CMM生成的掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 IGES 文件。由 Mitutoyo 生產(chǎn)的基于 Window 操作系統(tǒng)的GeoMeasure6000系統(tǒng)，同樣可以實(shí)現(xiàn)這種功能。圖 2.就是這種 CMM的總體結(jié)構(gòu)圖。然而，大多數(shù)的 CMM 都不能實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能。例如同一實(shí)驗(yàn)室的 Brown&Shape MicroVal CMM。 另種重要的數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。它將一束光線或激光投射到工件的表面，然后利用一個(gè)射象頭或傳感器接受反射來的光線，再根據(jù)光線特征轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)值。光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)常被稱為 3D 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。主要用于對(duì)機(jī)械零件和機(jī)體外形等進(jìn)行自動(dòng)逆向設(shè)計(jì)。制造專家們將 3D數(shù)字轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于仿型機(jī)、熔模鑄造機(jī)和新型 CNC 機(jī)床的開發(fā)。醫(yī)學(xué)專家們利用 3D 數(shù)字轉(zhuǎn)換器把人體的骨骼和其它器官進(jìn)行數(shù)字化處理，從而提高器官替換和移植水平。影視制作專家們利用 3D 數(shù)字轉(zhuǎn)換器分析實(shí)體，制作電視廣告及其它一些特殊效果。 3D數(shù)字轉(zhuǎn)換器同樣具 有單點(diǎn)和多點(diǎn)掃描功能。所不同之處在于，光學(xué)系統(tǒng)利用三角關(guān)系確定點(diǎn)的位置。投射光束和激光傳感器間的距離決定光線的角度，反推之后就可以確定出孔或凹槽的深度。圖 3表明了激光掃描拘束的三角關(guān)系原理。給出 H、 L和 A，物體的高度由下式?jīng)Q定： 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 6 D=H-R=H-LcotA 隨著角度的增加，精確度會(huì)隨之降低。在遇到工件的棱邊、軸頸或表面不光滑時(shí)，所得的結(jié)果就很可能不令人滿意。精密件的棱邊、尖角和軸頸同樣會(huì)引起這些麻煩。由于激光光線的銳利性，在數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用（有關(guān)激光掃描器的全體內(nèi)容列表，參見 Arizon State 大學(xué)的 PRISM 網(wǎng)， 以及 Wohlers Associate 網(wǎng)/ ）。 通常來說， CMM 比激光掃描有更好的數(shù)字精確度。前者可以很容易精確到個(gè)位數(shù)微米級(jí)的精度，而后者最高只能達(dá)到 2位數(shù)微米級(jí)。在參考書目 Wohler15中 可以查到不同激光掃描器的列表，包括大概的精確度和價(jià)格。 使用 CMM 系統(tǒng)作為數(shù)字轉(zhuǎn)換器的過程中，可以選擇一種使用廣泛的觸發(fā)器式探測器來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行逐個(gè)掃描。掃描所得的特征數(shù)據(jù)保存為CAD可以識(shí)別的格式，例如 IGES格式。對(duì)每一個(gè)特征都進(jìn)行這種操作后，將這些數(shù)據(jù)傳送到 Sun Unix工作站的 PC機(jī)上。然后在 Pro/E里進(jìn)行組合。組合完畢后，系統(tǒng)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些基本的操作。例如，排除一些重復(fù)點(diǎn)，使直線看起來更像直線，圓看起來更像圓，等等諸如此類。同樣可以參考 PRISM 網(wǎng)站上關(guān)于掃描數(shù)據(jù)處理過程的信息和快速仿型的 STL文件信息。這些工作完成之后，我們就可以得到所掃描目標(biāo)的線形輪廓和實(shí)體模型了。 在文獻(xiàn)列表中，包含大量逆向工程的知識(shí)。在 21-28中對(duì) CMM 的數(shù)字轉(zhuǎn)換過程中的誤差補(bǔ)償做了深入研究。 29討論了如何探測接觸式傳感器和工件表面的接觸點(diǎn)。 30-35則論述了逆向工程的數(shù)據(jù)配合及表面構(gòu)造技術(shù)。 Smith 和 Zhen在 36對(duì)三角函數(shù)式點(diǎn)激光探測器的精確度進(jìn)行了分析。 Otto和 Wond10在產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)生命周期框架內(nèi)，討論了逆向工程。本文試圖論述如何借助因特網(wǎng)和其它新工具實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的一體化設(shè)計(jì) 。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 7 如果 CMM、 Sun工作站、 CNC機(jī)床、 RP機(jī)的操作者可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上互聯(lián)，那么這些設(shè)備上的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)相互傳遞。在這個(gè)方案的開始階段，除了基于 Window/NT技術(shù)的 PC工作站外，只有 Sun工作站連接到了局域網(wǎng)。要實(shí)現(xiàn)基于因特網(wǎng)的逆向工程，我們還需要把 CMM、 CNC加工機(jī)床、 RP機(jī)也連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。然而， CMM 的舊版本計(jì)算機(jī)軟件在由基于 DOS的 GEOM到基于 Window/NT的 Measure60012的轉(zhuǎn)化過程中遭到已經(jīng)過時(shí)。所以，在 Bradley大學(xué)， CMM是通過以太網(wǎng)連接到局域網(wǎng)的。 圖 4.就 是 Cincinnati Aroow500 型立式加工中心（ VMC）。于 1999年夏天在 Bradley 大學(xué)研制成功。它的實(shí)現(xiàn)，借助于一種實(shí)施開放控制方案的，基于因特網(wǎng)的遙控機(jī)械故障診斷系統(tǒng)。 Bradley大學(xué)的 Caterpillar 公司和 Cincinnati 機(jī)械公司共同出資開展的。 Arrow500 型 VMC 使用基于 Window NT的控制器和總控 PC機(jī)。查看 38-41可以瀏覽開放式控制系統(tǒng)?；谝蛱鼐W(wǎng)的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)，參看 42， 43。在 Cincinnati機(jī)的直接幫助下，機(jī)床控制器得到重構(gòu)，并通過以太 網(wǎng)與 Bradley 大學(xué)的局域網(wǎng)相連接。簡單來說，在 1999年夏天，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與 Helisys10 15LOMRP機(jī)的信息連通。如圖 5.所示。 由于本方案所涉及的所有設(shè)備都設(shè)置在 Bradley 大學(xué)。并且在同一棟樓中。因此我們很容易去置疑因特網(wǎng)的應(yīng)用。試想一下，如果所有的設(shè)備不是放置在同一地點(diǎn)，那么我們要在一個(gè)地方對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后通過因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)處的工作站，用相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)體建模。待處理完后，還要將生成的 STL文件或 NC代碼傳送到另外一地點(diǎn)的設(shè)備上去進(jìn)行復(fù)制加工。因?yàn)槟抢锊庞形覀?所需要的加工設(shè)備。如果利用本文中所講的技術(shù)，我們不需要擁有所以的設(shè)備就可以實(shí)施完全的無紙化逆向工程方案了。 3研究實(shí)例 下面的研究事例講述了基于因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)過程。如齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用 紙 8 圖 6.所示的 Mitutoyo RV507 CMM 上的一個(gè)零件，現(xiàn)在我們沒有圖紙可以利用。雖然它的結(jié)構(gòu)不能包含所以的零件形狀特征，卻算得上一個(gè)中等復(fù)雜程度的逆向工程方案。圓、槽和外型特征將被分開掃描。圖 6.列出了它們?cè)?CMM 上的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值。每一個(gè)特征結(jié)構(gòu)都被獨(dú)立保存為IGES文件。然后把這些 IGES文件通過因特網(wǎng)，利用 CMM計(jì)算機(jī) 上的FTP 傳送到 Sun 工作站。在 Sun 工作站中，用 Pro/E 對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并創(chuàng)建實(shí)體模型。如圖 6.，這時(shí)尺寸標(biāo)注工作已經(jīng)完成。以實(shí)體模型為基礎(chǔ)，生成 Pro/E 中的 STL 文件，然后再通過 FTP 或 e-mail 將 STL 文件傳送到 LOM 機(jī)器系統(tǒng)。系統(tǒng)將 STL 文件分割處理，最終在 COM 機(jī)上復(fù)制出該零件。如果想更深入了解數(shù)據(jù)處理和 CARE中 CMM傳感器的半徑補(bǔ)償，參見 Feng 和 Xiao13。 在 LOM機(jī)上，仿制出零件后，要送到 CMM上進(jìn)行尺寸檢查。因?yàn)樵跀?shù)字轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理、模型建立和快速仿型過程中，都會(huì)產(chǎn)生誤差 。各個(gè)重要的結(jié)構(gòu)特征已經(jīng)圖中標(biāo)出。而表 1.則給出了各個(gè)特征的誤差分析結(jié)果。限于篇幅，表 1.只給出了由數(shù)字生成到實(shí)體建立過程中的誤差分析。表 1.表明除圓 1以外的其它誤差都小于 0.14%。分析發(fā)現(xiàn)，此0.773%的較大誤差是由于在對(duì)大圓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化的過程中，使用了一個(gè)粗糙讀較大的活塊填進(jìn)了側(cè)孔里。同樣的，第二大誤差 0.136%的產(chǎn)生也是由于這個(gè)原因。 Feng Pandy研究了 CMM數(shù)字轉(zhuǎn)化參數(shù)對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)化精確度的影響。這些參數(shù)包括：傳感器尺寸、傳播速度、斜度、零件和傳感器方向。 Feng 和 Xiao在 22中引用 和比較了