齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 1 基于因特網的逆向工程設計 用于加速產品實現過程的逆向工程設計方法在最近幾年得到廣泛的應用，發(fā)展迅速。因為特網技術已經廣泛應用到制造業(yè)當中，所以基于因特網的逆向工程在此領域也表現出了其良好優(yōu)點。本文就介紹了基于因特網的逆向設計方法，并通過一個實例，說明了它在 CAD/CAM 一體化設計中的應用。 關鍵詞 ： CAD/CAM；協調測量機；因特網；快速仿型；逆向工程 1. 簡介 1.1因特網的發(fā)展 按照 Lynch 和 Rose1的說法，許多人認為因特網起源于 Paul 的一些早期想法。在 RAND公司， Baren 在一系列報告 中介紹了他的想法。這些報告于 19 世紀 60 年代由軟德公司出版。 Baran 也因此被稱為因特網之父。后來，他的這些想法通過阿帕網得以實現。同一時期，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絡的試驗和計算數據。“通信網絡：隨機數據的流通和滯留”。 然而，因特網的真正原型是美國國防部高級研究計劃局于 1968 年開始的一項實驗（ ARPA公司從屬與美國國防部）。阿帕網在最初只是一項實驗，目的是創(chuàng)建一個把幾大洲的計算機聯系在一起的網絡。后來，發(fā)展到連接不同網絡的網絡系統。這一系統的 實現，依靠的是他們在1973 1974年創(chuàng)建的 TCP/IP協議。當時的網絡應用非常簡單，主要有：遠程登錄、文件傳輸和電子郵件。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 2 在 1995 年出現了網絡瀏覽器，它的出現使因特網得到廣泛應用。網絡瀏覽器使用 Http這種標準文檔作為傳輸協議，用網絡做通道，所有的內容都可以自由傳輸，包括網絡瀏覽器自身。隨著萬維網（ www.）的誕生，因特網不僅促生了一種新的經濟形式：數字經濟，而且同時給傳統的舊式經濟施加了巨大壓力。使傳統經濟形式和新經濟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預言，不管因特網的巨大壓力是否將要來臨，這種競爭都給消費者帶來了巨大好處。 對制造業(yè)而言，許多公司已經從因特網上得到了好處，并成功創(chuàng)建和發(fā)展起來。例如美國田納西州專門進行產品供應鏈管理的 I2 公司。Mathieu 提供了一份完整的與制造業(yè)有關的網站清單，包括以下課題：總體制造； CIM 自動化和機器人；制造管理、制造同步實時設計和CAD/DAM 設計；敏捷制造和可視化制造；產品計劃、車間管理和原料交接；加工材料；再次設計、仿真和軟件包；后勤、分配和供應鏈管理；環(huán)境意識創(chuàng)建；制造業(yè)中的智能 仿真及操作研究；電子貿易；電子和光學制造；制造策略及管理；技術轉化；全國信息構架和制造。 1.2什么是逆向工程設計，為什么要采用逆向工程設計 本文中介紹了一種基于因特網的 CAD/CAM一體化方案。并舉了一個計算機輔助逆向工程的示例。近些年，逆向工程（ RE）在加速產品實現過程中得到很大程度的應用。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。其實，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（手工或計算機輔助）來復制一個現有的元件或系統，可以是硬件的，也可以是軟 件的。后來，數控加工機床、協調測量器、激光掃描技術和快速仿制技術的出現，使這項古老的技術具有了全新的面貌。對此，本文將做討論。 Aronso 闡述了逆向工程在現代制造業(yè)中的重要性。 Ingle 用整整一本書來闡述如何選擇和成功實現一個逆向工程。 Otto 和 Wood 則論述了齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 3 逆向工程在整個產品設計過程中所扮演的重要角色。 本論文介紹了因特網在計算機輔助逆向工程中的應用。應用時，先使用協調測量器把已有的機械目標變成數字化信息。然后用 Scan 和GeoMearsure600軟件生成包含 CMM注冊表點數據的 IGES文件。之后，用 Pro/E 創(chuàng)建目標的實體模型。最后用薄層板復制目標體。整個目標體復制過程中使用因特網來傳送數據，而不是采用傳統的紙張。同樣我們還可以使用磁盤在 CMM、實體建模車間、數控設備、快速仿型機之間傳送數據，實現無紙化逆向設計。這兩種無紙化設計都不依賴因特網，稱為計算機輔助逆向工程。 Feng和 Xiao列舉了 9種需要實施逆向工程的情況，簡單介紹如下： 1. 沒有圖紙的舊產品。在 CAD/CAM 誕生之前設計的產品，就是非常典型的例子。在進行設備保存、技術升級或 ISO9000 標準文件制定時，卻要用到產品的技術數據。另一個例子就 是由于早期缺乏制造能力，我們必須從外部引進的設備，如凸模和凹模。我們既無圖紙又無技術數據。隨著國內 CNC加工能力的提高，我們又希望對已經磨損或毀壞的零件進行復制。 2. 生產過程中做過改進，但未做任何改進記錄的產品。 3. 已有設計的再利用。在設計一種新產品時，設計者要參考一些舊的CAD 數據，然后開始新的設計。而不是直接參考一些實體模型。使用逆向工程就可以利用現有零件或組件的有用信息，在最短的時間內用最低的成本，創(chuàng)制新的產品。這些信息包括成本、尺寸、計算量、組裝步驟和 CNC加工代碼等。 4. 海外生產 。當前沒有生產文件或者 是已有的產品信息不適合美國的生產標準，都屬于這種情況。 5. 樣板制作。幾個世紀以來，各個公司在同一市場上從事逆向工程的競爭，利用逆向工程來設計本來屬于競爭對手的產品。這樣我們就可以從中得到產品的制造過程。所有的軍事力量都在對他們所能獲得的敵方設備使用逆向工程。在今天，這種行為被稱為樣板制作。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 4 目標體 C M M 激光掃描 點 數 據 或 掃描數據 I G E S 文件 實 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 6. 當一件產品仿型制造成功后，用 CMMS的檢測功能進行自動檢測。 7. 就象逆向工程在機械設計中的應用一樣，它可以用于人工器官的生產。但這時的設計思想常常來自于 CT、 X-ray、 MRI 和外科手術提供的人體骨骼。 8. 零件的人類工程學和美 學設計。汽車、商用或軍用飛機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數碼生成器來制作人體或有光滑外表的動物體的有機體形象，然后可以創(chuàng)造出某些廣告形象或其它特效。 2.方法 圖 1.表示的是計算機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有產品的參數，通常使用一個數字轉換器來實現。數字轉換器主要分成兩類：力學式和光學式，或者說接觸式和非接觸式。使用哪種類型和在何時使用，都有嚴格的區(qū)別。但是，表面形式、系統精度、零件的結構復雜程度和運動速度都將起到很大的影響作用。 圖 1. 計算機輔助逆向工程設計流程圖 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 5 力學傳感器通過接觸工件表面或沿著目標體移動的方法來掃描零件表面，一個點一個點地采集數據。逐點采集數據比掃描的方法要慢，常做探測之用或只要幾個點就可以確定一個面的情況。 CMMS通常采用這種數據轉化方式。雖然這種方式比較慢，卻是采集數據的最好方法。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。應用 CMM 進行數字轉化的最大進步就在于它具有連續(xù)的工作步驟。首先，由點或掃描數據轉化為線和面，然后生成實體模型，為以下的工作做準備 。例如自動生產方案、 NC 代碼生成、快速仿型和自動裝配。 有些 CMMS提供專門的軟件，將點或掃描數據轉化為所需要的 CAD格式。例如測量和裝配實驗室的 MitutoyoRV507,可以提供一種名叫ScanPak的 IGES文件轉化器。這種轉換器可以將 CMM生成的掃描數據轉化為 IGES 文件。由 Mitutoyo 生產的基于 Window 操作系統的GeoMeasure6000系統，同樣可以實現這種功能。圖 2.就是這種 CMM的總體結構圖。然而，大多數的 CMM 都不能實現這項功能。例如同一實驗室的 Brown&Shape MicroVal CMM。 另種重要的數字轉換器就是光學轉換系統。它將一束光線或激光投射到工件的表面，然后利用一個射象頭或傳感器接受反射來的光線，再根據光線特征轉化為坐標值。光學轉換系統常被稱為 3D 數字轉換器。主要用于對機械零件和機體外形等進行自動逆向設計。制造專家們將 3D數字轉換器應用于仿型機、熔模鑄造機和新型 CNC 機床的開發(fā)。醫(yī)學專家們利用 3D 數字轉換器把人體的骨骼和其它器官進行數字化處理，從而提高器官替換和移植水平。影視制作專家們利用 3D 數字轉換器分析實體，制作電視廣告及其它一些特殊效果。 3D數字轉換器同樣具 有單點和多點掃描功能。所不同之處在于，光學系統利用三角關系確定點的位置。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系原理。給出 H、 L和 A，物體的高度由下式決定： 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 6 D=H-R=H-LcotA 隨著角度的增加，精確度會隨之降低。在遇到工件的棱邊、軸頸或表面不光滑時，所得的結果就很可能不令人滿意。精密件的棱邊、尖角和軸頸同樣會引起這些麻煩。由于激光光線的銳利性，在數字轉換系統中得到廣泛應用（有關激光掃描器的全體內容列表，參見 Arizon State 大學的 PRISM 網， 以及 Wohlers Associate 網/ ）。 通常來說， CMM 比激光掃描有更好的數字精確度。前者可以很容易精確到個位數微米級的精度，而后者最高只能達到 2位數微米級。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格。 使用 CMM 系統作為數字轉換器的過程中，可以選擇一種使用廣泛的觸發(fā)器式探測器來對目標進行逐個掃描。掃描所得的特征數據保存為CAD可以識別的格式，例如 IGES格式。對每一個特征都進行這種操作后，將這些數據傳送到 Sun Unix工作站的 PC機上。然后在 Pro/E里進行組合。組合完畢后，系統將對數據進行一些基本的操作。例如，排除一些重復點，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 網站上關于掃描數據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的線形輪廓和實體模型了。 在文獻列表中，包含大量逆向工程的知識。在 21-28中對 CMM 的數字轉換過程中的誤差補償做了深入研究。 29討論了如何探測接觸式傳感器和工件表面的接觸點。 30-35則論述了逆向工程的數據配合及表面構造技術。 Smith 和 Zhen在 36對三角函數式點激光探測器的精確度進行了分析。 Otto和 Wond10在產品的整個設計生命周期框架內，討論了逆向工程。本文試圖論述如何借助因特網和其它新工具實現CAD/CAM的一體化設計 。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 7 如果 CMM、 Sun工作站、 CNC機床、 RP機的操作者可以實現網上互聯，那么這些設備上的數據就可以實現相互傳遞。在這個方案的開始階段，除了基于 Window/NT技術的 PC工作站外，只有 Sun工作站連接到了局域網。要實現基于因特網的逆向工程，我們還需要把 CMM、 CNC加工機床、 RP機也連接到同一個網絡。然而， CMM 的舊版本計算機軟件在由基于 DOS的 GEOM到基于 Window/NT的 Measure60012的轉化過程中遭到已經過時。所以，在 Bradley大學， CMM是通過以太網連接到局域網的。 圖 4.就 是 Cincinnati Aroow500 型立式加工中心（ VMC）。于 1999年夏天在 Bradley 大學研制成功。它的實現，借助于一種實施開放控制方案的，基于因特網的遙控機械故障診斷系統。 Bradley大學的 Caterpillar 公司和 Cincinnati 機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。查看 38-41可以瀏覽開放式控制系統。基于因特網的機械故障診斷系統，參看 42， 43。在 Cincinnati機的直接幫助下，機床控制器得到重構，并通過以太 網與 Bradley 大學的局域網相連接。簡單來說，在 1999年夏天，實現了以太網與 Helisys10 15LOMRP機的信息連通。如圖 5.所示。 由于本方案所涉及的所有設備都設置在 Bradley 大學。并且在同一棟樓中。因此我們很容易去置疑因特網的應用。試想一下，如果所有的設備不是放置在同一地點，那么我們要在一個地方對目標體進行數字轉換，然后通過因特網將數據傳送到遠處的工作站，用相應的軟件進行數據處理和實體建模。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的設備上去進行復制加工。因為那里才有我們 所需要的加工設備。如果利用本文中所講的技術，我們不需要擁有所以的設備就可以實施完全的無紙化逆向工程方案了。 3研究實例 下面的研究事例講述了基于因特網的計算機輔助工程設計過程。如齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）用 紙 8 圖 6.所示的 Mitutoyo RV507 CMM 上的一個零件，現在我們沒有圖紙可以利用。雖然它的結構不能包含所以的零件形狀特征，卻算得上一個中等復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.列出了它們在 CMM 上的點坐標數值。每一個特征結構都被獨立保存為IGES文件。然后把這些 IGES文件通過因特網，利用 CMM計算機 上的FTP 傳送到 Sun 工作站。在 Sun 工作站中，用 Pro/E 對點數據進行處理并創(chuàng)建實體模型。如圖 6.，這時尺寸標注工作已經完成。以實體模型為基礎，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 機器系統。系統將 STL 文件分割處理，最終在 COM 機上復制出該零件。如果想更深入了解數據處理和 CARE中 CMM傳感器的半徑補償，參見 Feng 和 Xiao13。 在 LOM機上，仿制出零件后，要送到 CMM上進行尺寸檢查。因為在數字轉化、數據處理、模型建立和快速仿型過程中，都會產生誤差 。各個重要的結構特征已經圖中標出。而表 1.則給出了各個特征的誤差分析結果。限于篇幅，表 1.只給出了由數字生成到實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，此0.773%的較大誤差是由于在對大圓進行數字轉化的過程中，使用了一個粗糙讀較大的活塊填進了側孔里。同樣的，第二大誤差 0.136%的產生也是由于這個原因。 Feng Pandy研究了 CMM數字轉化參數對數字轉化精確度的影響。這些參數包括：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