逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用

硕士学位论文逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用专业：材料加工工程PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用摘要制造业作为整个社会发展的前提和基础，在人类社会中起着至关重要的作用。产品开发是制造业中最为重要的部分，特别是产品开发的早期阶段更是起着决定性作用。模具作为产品成形的重要工具，广泛应用于国民经济各生产领域，模具的设计制造是一个复杂过程，涉及到产品设计、模具设计、电加工、机械加工等方方面面，因此，如何快速、高质量、低成本地设计制造出产品模具，尤为关键的是如何使制造的产品能迅速地满足客户的要求，以最快的速度形成批量就成为在市场竞争中的一个重要因素。在现在的汽车工业及模具工业中，三维的CAD/CAM软件已得到了普遍的运用，根据产品的实际情况，制造产品的工序流程往往有所不同。即：所谓的正向设计及逆向设计的两种设计思路。因现实中的各种因素并非所有产品都采用正向设计，如需仿制和备份某一非专利产品或是因原数据丢失等情况，这时就要采用逆向设计了。但不论正向还是逆向设计，在产品的开发过程中都不可避免地需要采取一定的手段来验证产品制造的正确性这个工作环节。如何使产品开发的周期缩短，使产品早日进入批产阶段，这是各企业所关心的问题。验证工作这道工序在整个开发流程中就起到了至关重要的作用！在目前大多数企业中，对产品的验证工作主要都是通过检具来进行的。从模具设计开始，产品工程师就必须充分消化产品图纸，了解产品的装车部位及列出零件重要特性分级表，并与检具设计工程师一起分析、考虑检具的设计工作。然而，现实工作中总是存在着不少的困难，如：检具的费用一般价格不菲；因匹配的关系，即便产品符合数模的要求，因与该产品相匹配的产品又不便更改等情况的出现时，应主机厂的要求而必须更改产品形状。这样一来，产品数模、模具、检具就必须进行一连串的更改。根据实际经验，产品进入批产时，一般情况下，检具往往已改得面目全非，并且与初始的设计数模对不上号了，可以说，这样的流程具有三大缺点：1． 2．频繁的修改，有时数模不能或难以及时地进行相应的更改，致使检具的实际情况与数模有所偏差，不利于检具的复制及存挡数据的正确性的工作的进行；3．检具的更改不是一天二天的事情，一定程度上延缓了产品开发的进度。所以该课题研究的是：能否在产品开发的过程中，跃过检具的设计及制作工序？而是利用逆向工程的技术采用更加简洁的方法达到此目的。节约加工成本、加速产品开发的进度。本课题提出了这样的一个问题：在产品开发的过程中，能否运用现在的逆向手段，另僻渠道，更加快速地验证产品与设计的符合程度，以加速产品开发的速度。当然，在产品经过数据验证及装车认可后，为了便于批量生产过程中的操作便利性，我们仍然可以在后期进行检具的加工工作，但这样就可以消除上述所说的常规流程给我们所带来的缺陷了，本课题结合了企业的多项生产事例，论证了逆向工程技术在产品数字化检验中的研究和运用，表明了本文研究得到的成果和结论是成功而有效的。关键词：正向设计,逆向设计,检具,零件重要特性,产品数字化RESEARCHANDONTHEPRODUCT’SINSPECTIONONTHEREVERSINGENGINEERTECHNOLOGIESABSTRACTAsthepremisesandfoundation,manufacturingisthekeysidesofourProductdesignisthemostimportantpartofmanufacturingespeciallyintheearlierstage.Moldisthensoimportantandwidelyusedinlotsoffields,butthedesignandmanufactureissodifficultandcomplicated,so,howtomaketheproductmoldinshortertime,higherqualityandlowercost？Andthemostimportantishowtomakethebestproducttofitthecustomer’sreqirementinordertohavetheearlierbatchiscomingtobethemainfactorofmarketcompetition.Nowadays,duringtheautobileanddiemouldengineering,thethreedimension’ssoftwarehasthecommonuse.Accordingtotheproduct’ssituation.Thewaystomaketheproductsarealwaysdifferent.Thatiswecallitthecommondesignandthereversingdesign.Asweknowthatnotalltheproductsareusingthecommondesigninthereality.Forexample,wewanttomakeacopyofpatentortobackupthedatasbecauseoftheorigialdataslosted.Sowehavetoadopttousetheresversingdesign.Butweatherwhichonetobeadapted,wehavetohaveawaytomakesurethatiftheproductiscorrectornotwhenwedevelopanewproduct.Howtoshortentheperiodofdevelopingtomakeamassproductionpossibleconcernseveryenterprise.Gaugeisoneofthemostimportantproceduresintheprocessofdeveloping.Inmostenterprises,thetestingoftheproductsisrealizedviagauge.Fromtheverybeginningofthedesignofthemold,theengineerhavetotakegreatcareoftheblueprint,tofindoutthepositionofthecomponentsandtoparticularizethelevelofimportanceofthecomponents.Theyalsohavetoworkwiththosewhodesignthegaugetomakeananalysisandtotakethedesignofgaugeintoconsideration.Butthedifficultiescannotbeavoided.Forinstance,thecostsofthegaugeareusuallyhigh.Sometimesaproducthastobereshapedbyrequestevenifitdoesreachthestandardofthe3D-dataswhenaproblemofmatchingexists.Therefore,aseriesofmodificationinthe3D-datas,moldandgaugetakesplaceuntilthemassproductionbegins.Thenthegaugeisnolongertheoneitusedtobeandcannotmatchthedigitalmold.Generallyspeaking,thereare3shortcomingsinsuchprocedure:Frequentmodificationcauseslargewasteofmoneyandlaborer.Whenthe3D-datasisnotmodifiedintime,therecanbeerrorsingaugecomparedwiththe3D-datas,whichisnogoodforthecopyingofthegaugeorfortheaccuracyofthesavingdata.Ittakestimetomodifythegauge,whichsomehowdelaystheprogressofthedeveloping.Thefollowingproblemisresearchedhereinafter:Isitpossibletoskiptheprocedureofdesigningandproducinggaugeinthedevelopingandtolowerthecostsandacceleratethedevelopmentofproductsthroughthereverseengineeringtechnology?Themachiningofthegaugecancertainlybeundertakenafterthetestifyingofproductsinconvenienceoftheoperationinthemassproduction.Inthisthetroublestheregularprocedurebringsusasmentionedabovecanbeeliminated.Inthiswork,agreatdealoffactsisraisedtosupporttheresearchandapplicationofthereverseengineeringtechnologyinthedigitaltestofproducts.Effectiveandsuccessfulconclusionscanbedrawn.KEYWORDS:injectionproduct,reversingdesign,reversing,gauge,digitalproductPAGEPAGE1附件四上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，学位论文作者签名：李烈华日期： 2005年06月09日PAGEPAGE2附件五上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：李烈华 指导教师签名：邢渊日期： 2005年06月09日 日期： 2005年06月09日PAGEPAGE10第一章 绪论制造业作为整个社会发展的前提和基础，在人类社会中起着至关重要的作用。激烈的市场竞争给企业生产带来了巨大的压力，要想在生产中取得优势，企业必须要能够在最快的时间内生产出高质量、低成本、有特色的产品，并提供优质的售后服务。为了面对竞争日益激烈和需求不断变化的市场，制造业纷纷提出新的制造技术、方法、战略和哲理，从二十世纪七十年代的计算机集成制造哲理、八十年代的并行工程理论，到九十年代的智能制造，直至现在的敏捷制造和全球制造。虽然采用的手段和方式不同，但它们都有一个共同目的，即快速、高质量、低成本生产出最令客户满意的产品。产品开发是制造业中最为重要的部分，特别是产品开发的早期阶段更是起着决定性作用。尽管许多企业已通过柔性制造和信息集成等技术改善了生产条件，获得了显著的经济效益，但这些高新技术的应用远没达到人们所期望的目标。对国内外企业的调查和分析表明：改进产品的开发过程比改进产品的生产过程获得的效益更为显著。因而对产品开发支持技术和环境的研究具有十分重要的意义。复杂产品的开发过程涉及到来自多个学科的人员，成功的产品是群体劳动的成果。为了使群体参与的产品开发过程取得成功，需要对其进行有效的控制和协调，并提供群体以相应的支持环境。模具作为产品成形的重要工具，广泛应用于国民经济各生产领域，模具的设计制造是一个复杂过程，涉及到产品设计、模具设计、电加工、机械加工、表面工程、快速原型制造、逆向工程技术等方方面面，因此，如何快速、高质量、低成本地设计制造出产品模具及形成规模生产的能力已成为市场竞争的重要因素。本文以汽车内饰注塑产品为对象，结合生产过程中的实际焦点问题，着重对该类零部件在开发过程中利用逆向工程技术进行快速检测进行研究。§1.1汽车内饰注塑产品的现状在现在的汽车工业发展过程中，随着各种工业技术的发展及人们对汽车的概念转化，汽车不仅仅是一种代步工具，更为重要的是：安全性、舒适性、性价比等各类参考因素在人们的购车过程中考虑的。§1.1.1注塑产品开发现状塑料、混凝土、钢材和木材并称为四大工业材料，生产的年增长率以塑料居首位，以塑料代替金属、木材是节约能源、方便制造以及赋予材料具有适宜性能的重要方向。在塑料加工工艺中注塑是热塑性材料的主要成形方法之一，注塑可以制出形状最复杂的制品，制品成形后加工少，准确性高，是生产率最高的加工方法之一。当前激烈的市场竞争带来越来越快的产品的更新换代，其中占有很大比重的注塑产品的更新换代对注塑产品的开发提出了更高的要求。为了顺应市场的要求，国内外开始将逆向工程技术应用到注塑产品的开发过程中，BilesRP技术应用到注塑产品的开发过程中，将原先需几个星期甚至几个月才能完成的样件在数天内完成，大大缩短了产品开发的周期；David利用CAPP实施注塑产品的并行设计；沈建新对并行技术在注塑模并行设计中CAD/CAECAE分析反馈修改CAD模型的方法达到注塑产品的并行设计；Kwong在将黑板推理和知识推理用于注塑模工艺规划中；Kurth利用特征技术进行注塑模的型腔设计，Lee利用知识推理确定注塑模的设计过程规划。但目前注塑产品并行设计仅仅属于局部的协同，研究还不够深入。根据模具工业面临的问题和注塑产品开发现状，本文以注塑模为对象，在注塑产品开发过程中引入逆向工程技术的方法，针对汽车内饰产品的特点，研究在该类产品的开发过程中，如何解决在开发末期检具制作的重复性焦点问题。研究内容同样适用于制造业其它产品的开发过程。§1.1.2模具工业面临的问题模具对于一般的产品来说属于工具范畴，精度高，结构复杂、并有较高的材质要求，使得模具的设计和制造相当困难，同时模具成形的封闭性和成形理论的不完善，使得模具设计制造带有很强的经验性和盲目性。因此，目前模具设计制造一般有以下两点不足：模具造价昂贵，设计制造过程中稍有不慎，就可能导致严重的后果，损失惨重，降低企业的市场竞争力；模具设计制造过程中往往需要反复试模和修模才能满足要求，延长了生产周期，增加了成本，降低了企业的市场响应能力。随着计算机技术的不断发展，在模具设计制造过程中，出现了CAD、CAE、CAM、CNC、RP、RPM等技术，但由于缺乏灵活的信息交流，使得CAD、CAE、MRRPMM、RP、RPMCADCAD阶段也没有全生命周期的考虑，CAD/CAE/CAM集成只是以数据文件的方式实现设计结果的交流，并行效率低，难以实现通过设计过程中的分析的及时反馈来改进设计。由于模具的设计制造是一个十分复杂的过程，它涉及产品设计、模具设计、电加工、机械加工、表面工程、快速原型制造、逆向工程技术等方方面面，现在的模具设计制造企业很难同时具有这些方面的技术优势及软硬件条件，面临市场的竞争，为了缩短产品生产周期，提高产品质量，采用逆向工程技术的工作方式是必然的选择。§1.1.3塑料注射成型工艺的影响因素：塑料具有密度小、质量轻、比强度大、绝缘型号和价格低等一系列优点，在国民经济的各个领域得到了日益广泛的应用。塑料注射成型在塑料加工行业中占有十分重要的地位，是最有效的塑料加工方法之一。但传统的塑料注射成型主要是采用尝试法，经常是依据设计这有限的经验和比较简单的计算公式来制定成型工艺和设计模具。而在注射成型生产实际中，塑料熔体的流动性能千差万别，制品和模具的结构千变万化，工艺条件各不相同，仅依赖有限的经验和简单的公式难以对各种影响因素作综合的考虑和正确的处理。传统方法与塑料工业日新月异发展之间的差距，导致了注射成型中经常出现反复试磨合修模、生产周期长、费用高、产品质量难以保证等弊病。注射成型工艺的正确制定是为了保证荣体能良好塑化并顺利地充模、保压、冷却与定型。在注射成型工艺中最重要的工艺参数是温度（料温、喷嘴温度、模具温度、压力（塑化压力、注射压力、型腔压力）和相对应的各个作用时间（注射时间、保压与实压时间、冷却时间）等。温度的影响料温 塑料的加工温度是由注射机料筒来控制的。料筒温度的正确选择关系到塑化质量。其选择原则是能保证顺利地注射成型而又不引起塑料局部降解。在生产中除了要严格控制注射机料筒的最高温度外，还应控制熔体在料筒中的停留时间。模具温度在注射成型过程中模具温度通常是由冷却介质（常温水）控制的，它决定了熔体的冷却速度．模具温度愈低，冷却速度愈快，熔体温度降低得愈迅速，会造成熔体粘度增大，注射压力损失过高，严重时甚至会引起充模不足．随着模具温度的升高，熔体流动性变好，所需充模压力减小，制品的生产率下降，制品的成形收缩率变大．压力的影响注射成型过程中的压力包括背压、注射压力和型腔压力。背压是通过调节注射液压缸的回油阻力来控制的。背压增大了熔体的内压力，加强了剪切效果。由于塑料的剪切发热，提高了熔体的温度。背压的增加使螺杆退回速度减慢，延长了塑料在螺杆中的受热时间，塑化质量可得到改善。但过高的背压增加了料筒计算室内熔体的反流和漏流，降低了熔体的输送能力，减少了塑化量，增加了功率消耗。此外，过高的背压还会因熔体剪切发热，温度上升过高或者切应力过大，使熔体发生降解。注射压力是指注射时在螺杆头部产生的熔体压强。而型腔压力是指注射压力经过喷嘴，流道和浇口渴压力损失后在模具型腔内产生的熔体压强。注射速度和冷却时间的影响注射速度主要影响熔体在型腔内的流动行为。通常随着注射速度的增大，熔体流速增加，剪切作用加强，熔体粘度降低，熔体温度因剪切发热而升高，所以有利于充模。制品各部分的熔接缝强度也得以增加。在实际生产中，注射速度通常是经过试验来确定的。一般先以低压慢速注射，然后根据制品的成型情况而调整注射速度。模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率。由于各种塑料的加工性能和成型工艺要求不同，对模具温度的要求也不同。当模具的冷却系统确定后，模具的冷却时间对调节模具温度，保证注射成型过程连续而稳定地进行起关键的作用。§1.2产品开发的周期§1.2.1先进制造技术先进制造技术至今没有一个严格定义，但却已是一个国际上形成广泛共识的概念和已被公认的技术术语。广泛的共识是：传统制造技术不断地汲取计算机、信息、自动化、新材料和现代系统管理技术的最新成果，并将其综合应用于产品的研究与开发、设计、生产、管理和市场开拓、售后服务、客户关系维护、供应链关系维护等，并取得社会经济效益，这些综合技术通称为先进制造技术。先进制造技术主要包括四部分：现代设计技术、先进的制造技术、综合自动化技术、现代系统管理技术。其中引起广泛关注和研究的有：计算机集成制造、并行工程、敏捷制造等。计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS）引起了国内外的广泛关注。CIMS将制造系统中的各种自动化孤岛用计算机进行有机的集成，使制造系统适合于多品种、中小批量的生产，提高制造系统的总体效益和柔性。实现CIMS的基本要求是应用系统工程理论与技术、系统仿真技术等，实现各种信息的集成。从发展上来看，CIMS经历了信息集成、过程集成和企业集成等阶段。信息集成是针对在设计、管理和加工制造中大量存在的自动化孤岛，解决其信息的正确、高效的共享和交换，这是改善企业技术和管理水平必须首先解TQCSE（时间、质量、成本、服务、环境）的基础。其内（1）（2）异构环境下的信息集成。企业为了提高产品的TQCSE，除了信息集成外，过程集成也是必需的。传统的设计、制造过程是串行的，往往造成产品开发过程的大量反复，这无疑使产品开发周期变长，成本增加。如果对产品开发中的各个环节进行有效的过程集成，则可以减少反复、缩短开发时间。过程集成的主要内容包括：（1）产品设计开发过程的重构和建模；（2）支持并行作业的多学科大协同工作小组，以及计算机网络支持的协同工作环境（CSCW）和PDM，支持实现异地互操作；（3）各种并行工具的使用，如DFM，DFA等。（1）支持敏捷制造（2）（3）网络平台的支持。应该说，CIMS的最早含义是侧重于信息集成，随着对CIMS的进一步研究，现代CIMS包含了系统论、信息化、集成化、网络化、虚拟化、智能化等促进制造系统更快发展的新技术、新方法，从而具有更大的灵活性，为后续的进一步发展留有余地，更重要的是有利于企业的接受和推广应用。并行工程长期以来，产品开发过程一直采用串行工作方法，沿着“需求定义→产品设计→工艺设计→加工制造→产品销售和维护”的流程进行。这种方法由于设计的上游不能考虑到下游的各种因素，如可制造性、可装配性等因素，造成产品设计过程中的“设计→加工→试验→试件”的大循环，从而导致产品开发的周期长、成本高。在目前竞争激烈、产品更新换代快的市场条件下，这种方法的缺陷已经严重威胁着企业的生存和发展。并行工程（ConcurrentEngineering,CE）正是在这种背景下产生的。目前人们普遍采用的是R.L.Winner在IDA研究报告（R-338）中提出的定义：并行工程是一种对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的系统化工作模式，这种模式力图使开发者从一开始就考虑到产品生命周期（从产品的概念形成到报废）中的所有因素：包括质量、成本、进度与用户需求。工艺设计产品设计需求定义串行过程工艺设计产品设计需求定义并行过程并行过程的产品开发周期节省的时间串行过程的产品开发周期并行过程并行过程的产品开发周期节省的时间串行过程的产品开发周期市场、维护需求定义市场、维护加工制造加工制造工艺设计产品设计Fig1.1Comparisonoftraditionalengineeringandconcurrentengineering并行工程与串行工程的比较如图1.1所示。并行工程实施的目的有以下三点：缩短产品开发周期，提高企业对市场的应变能力。并行工程通过并行设计、优化生产过程，减少再设计工作量，缩短了设计周期和生产准备时间，提高了生产过程的效率，从而整体地缩短产品开发周期。提高产品及其全过程的质量。并行工程不仅仅把质量看成是产品度量的标准，也是设计、工艺、制造、服务等系统度量标准，即将质量融于产品设计、制造、服务的全过程，强调只有持续地提高和完善设计与制造全过程的质量，才能真正保证产品的质量。降低产品整个生命周期的成本。并行工程的目的不是单纯地降低产品生产周期中某一部分的消耗，而是降低产品在整个生命周期中的消耗，包括设计、制造、装配、检验、维护等消耗。敏捷制造作为近年来的一种先进企业集成形式，敏捷制造指导思想是：充分利用信息时代的通讯工具和通信环境，为某一产品的快速开发，在一些制造企业之间建立一个动态联盟，各联盟企业之间加强合作和知识、信息、技术资源共享，充分发挥各自的优势和创造能力，在最短的时间内以最小的投资完成产品的设计制造过程，并快速把产品推向市场。各企业间严格履行企业合约，利益同享，风险共担。当任务或产品寿命终结时，联盟企业自行解散或缔结新的联盟。敏捷制造体系可以认为主要有两个实际内涵：虚拟企业（VirtualEnterprise）和虚拟开发（VirtualDevelopment）虚拟企业具有较大优势的某一企业经过市场的调查研究后完成某一产品的概念设计，然后组织其它具有某些设计制造优势的企业组成动态联盟，快速完成产品的设计加工，抢占市场。我们称这个具有优势的企业为盟主，其它联盟企业为盟友。各联盟企业间通过现代通信技术相互联系，由盟主协调工作，实现同地或异地设计制造过程。虚拟开发一个产品的生命周期主要包括概念设计、结构设计、制造装配等各方面。各因素之间的相互关系比较复杂，且相互影响。要想加快开发速度，就必须借助现代化的计算机设备构成一个虚拟开发环境。虚拟开发环境应包括以下内容：①虚拟设计虚拟设计应充分利用现有的CAD设计软件和设计平台、面向制造设计、面向装配设计和面向质量设计等设计思想。在虚拟设计过程中，可以充分利用虚拟制造、虚拟装配、决策支持系统等虚拟加工、装配，及早发现设计上的问题。②虚拟制造 充分利用P、M、S（CoputerSiulation、（RapidPrototypeManufacturing)等虚拟制造技术，为设计的优化提供依据，也为优化制造过程提供分析和辅助工具，达到缩短开发周期、实现敏捷制造的目的。③虚拟装配部件设计得再好，加工再精良，如果难以完成装配，将难以实现产品开发的目的。虚拟装配可直接提高产品开发的敏捷度。④决策支持系统由于产品的复杂性和设计加工的难度，要求在产品的生DSS（DecisionSupportSystem）的帮助下完成产品的设计开发过程。这对减小产品开发的风险、降低技术人员的劳动强度、缩短产品开发周期都具有重要意义。§1.2.2现代产品设计被确定费用实际消耗费用产品设计是生产技术中的第一道工序，设计质量的高低是决定产品一系列技术经济效果的关键问题。产品设计阶段决定了产品成本的主要部分，图1.2给出了一般产品生命周期中投入费用的分布情况。可以看出产品开发的早期阶段将决定产品生命周期费用的85%，产品开发早期阶段只占生命周期费用的7%被确定费用实际消耗费用100%85%7%概念设计 详细设计 产品制造 产品维护 报废回收图1.2产品生命周期费用Fig1.2Costduringproductlifecycle现代产品设计是面向市场、面向用户的设计，企业的TQCSE五项指标是衡量设计成功与否的标准。在争取用户满意的竞争中，现代设计要求对产品进行全生命周期设计。而面对越来越复杂的设计对象，单个人和企业已不能胜任，需要多个专家和企业组成多功能设计小组，以一种协同的工作方式来进行产品的设计。随着计算机技术与网络技术的快速发展,基于计算机网络的协同设计技术成为现代产品设计的技术载体。§1.3检具在制造业的运用情况设计对象结构的越趋复杂，面对市场的需求，同时客户对产品的质量要求也越趋严格，如何保证所生产的产品满足设计要求并能在制造环节中起到有效的控制作用？单纯靠传统的测量技术显然不能满足实际大批量的生产要求了。检具在这种特定的要求中有了其需求。§1.3.1汽车内饰件开发中产品检测计划的制定在汽车的开发过程中，所涉及的零件成千上万，人们对汽车的要求不仅仅局限在性能上。同时，对汽车的内外饰也提出了更高的要求。如：内饰件的匹配断差、间隙值是否均匀等，为获得市场的青睐，获取更多的客户，主机厂的开发、质量部门对这些匹配问题的要求甚至达到了“苛刻”的地步！然而问题的发生是哪家供应商的产品的问题，或亦是主机厂本身的问题？如何判断？如何修正？这一系列问题的产生使检具有了用武之地。检具的设计、制造、运用体现在产品的制造过程。在产品制造过程之初，我们就应该考虑检具的制作了。通常我们与主机厂的检测工程师一起商定制作检具测量计划。明确产品的RPS点及其分布描述、扫描范围的描述及要求公差、需要检测的轮廓部位、剖面线位置等。亦即双方明确了产品的特性要求，达成共识。Figure1-3 The RPS Figure1-4TheRPSPoint’sCoordinateFigure1-5ScanLineDescriptionFigure1-6TheValueofEachScanLineFigure1-7TheMeasurePointsOfProfileFigure1-8TheCoordinateOfProfile’sPointsFigure1-8TheCoordinateOfProfile’sPointsFigure1-9TheCoordinateOfProfile’sPoints§1.3.2检具的总则及技术要求对于光滑极限量规：总则：1．测量的标准条件：温度为：200C，测力为零；2．检验工件最大实体尺寸（即孔为最小、轴为最大极限尺寸）的量规称通规；检验工件最小实体尺寸（即孔为最大、轴为最小极限尺寸）的量规称止规；3．符合极限尺寸判断原则（即泰勒原则）的量规如下：通规的测量面应是与孔或轴形状相对应的完整表面（通常称为全形量规，其尺寸等于工件的最大实体尺寸，且长度等于配合长度。止规的测量面应是点状的，两测量面之间的尺寸等于工件的最小实体尺寸。符合泰勒原则的量规，如在某些场合不方便或有困难时，可在保证被检验工件的形状误差不影响配合性质的条件下，使用偏离泰勒原则的量规。4．如通规能通过，止规不能通过，则该工件应为合格品；5．制造厂对工件进行检验时，操作者应该使用新的或者磨损较少的通规；检验部门应该使用与操作者相同型式，且已磨损较多的通规。用户代表在用量规验收工件时，通规应接近工件的最大实体尺寸，止规应接近工件的最小实体尺寸。6．如判断有争议，应该使用下述尺寸的量规解决：通规应等于或接近工件的最大实体尺寸；止规应等于或接近工件的最小实体尺寸。7．量规的形状和位置误差应在其尺寸公差带内。其公差为量规尺寸公差的50%。当量规尺寸公差小于或等于0.002毫米时，其形状和位置公差为0.001毫米。技术要求：量规的测量面不应有锈迹、毛刺、黑斑、划痕等明显影响外观和影响使用质量的缺陷。其它表面不应有锈蚀和裂纹。塞规的测头与手柄的联结应牢固可靠，在使用过程中不应松动。量规可用合金工具钢、碳素工具钢、渗碳钢及其它耐磨材料制造。HRC58～65。GB1031-68（表面光洁度。量规应经过稳定性处理。标志与包装1．在塞规测头端面和其它量规的非工作面上应标志：制造厂商标；被检工件的基本尺寸和公差带代号；量规的用途代号（单头双极限的量规可不标志；T表示通规的用途代号；Z表示止规的用途代号；出厂年号；14毫米的塞规，上述标志可标在手柄上。当单独供应时，塞规测头应有上述标志的标签。2．在产品包装盒上应标志：产品名称；制造厂商标；被检工件的基本尺寸和公差带代号。3．量规在包装前应经历防锈处理，并妥善包装。4．量规应有产品合格证。对于位置量规（或（或）定位部分的尺寸、形状、方向和位置度英语零件上相应北侧要素的时效便结伙最大尸体边界的尺寸、形状、方向和位置相同。当零件基准要素为轮廓要素（主要指平面）时，位置量规规定位部位的尺寸、形状、方向和位置应与零件上相应基准要素的尺寸、理想形状、方向和位置相同。当导向部位兼作测量部位或定位部位（即无台阶式）时，其尺寸、形状、（即台阶式，其尺寸、形状由设计者按量规结构要求确定；其方向和位置按所引导的测量部位或定位部位确定。一般情况下，在被测要素和基准要素的尺寸（如孔或轴的直径、槽和凸台的宽度等）检验合格后，再使用位置量规检验。检验零件时，操作者应该使用新的或者磨损较少的位置量规；检验者应使用与操作者相同型式且已磨损较多的位置量规，用户代表应使用接近磨损极限的位置量规。技术要求：位置量规的技术要求与光滑极限量规的要求相似，除了：Ra0.2цm,Ra值3.2цm（用不去除材料方法获得的表面除外。§1.3.3检具的制作及运用产品检测计划的制定为检具的设计提供了基础，设计据此结合图纸、产品3D3D设计软件可以进行检具的结构设计。综合而言，需要考虑：1．检具的实用性；如：便于操作人员的搬运、防止日久生锈、可加工性等，综合考虑选取密度较小的材料诸如：铝、代木、有机玻璃块等材料；2．检具的安全性：检具在生产过程中使用的频率较高，对人身安全因素必须加以考虑，如不允许有锐角的出现，底板考虑安装支撑块等结构；3．检具的可操作性：检具的设计应以简单、实用为原则，满足操作人员的日常使用；检具制作完毕后，如果内饰产品已经经过试样，并准备送样。此时把产品固定在检具上，利用三坐标测量机根据原先制定的产品测量计划对产品逐一打点，做好产品的测量工作。如下图1-10所示： Figure1-10ThePointsMeasured§1.4逆向工程技术介绍§1.4.1几种商用逆向工程系统和模块迄今，在国际市场上出现了多个与逆向工程相关的软件系统，主要：美国DeICAMCOPyCAD，英国MDTV公司的STRIMANDRECONSTRUCTION，英国RENISHAW公司的TRACE等，在一些流行的CAD／CAM集成系统中也开始集成了类似模块，如UG中的POINTCLOUD；PRE/E中的PRO/SCAN功能模块等。已有关逆向工程的研究与开发工作也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等。并取得一定的成果如浙江大学推出了RE-SOFT软件系统。IMAGEWARE公司的SURFACER7．1主要有四个方面的功能:1）扫描点的分析及处理——可接收来自不同数据来源，如CMM，2）曲NURBS曲面模型，3）曲面模型精度、品质分析。4）曲面修改——曲线和曲面可实时交互形状修改。在曲面的重建方面，该系统主要采用下列方法：1）可由扫描点直接产生曲面而不需要经过建造曲线的过程，亦可先建周边曲线，而后用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面；2MURBS曲线，然后，根据曲线来产生曲面。DeICAMC0PyCAD主要有五个方面的功能，1）数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理。2）三角形划分可以根据用户定义的允差三角化数字化模型。3）特征曲线的生成，以交互手动或自动的方式从三角形模型中提取特征线，或直接从外部输入特征线。4）利用特征线构成的问格构造曲面片，然后通过指定曲面片之间的连续性要求来实现曲面片之间的光滑拼接。5）曲面模型精度、品质分析。MDTVSTRIM是在国内有较大影响的系统、对一个数字化的对象，其操作步骤大体为：1）以不同的角度将测量数据显示于计算机屏幕上，以便及时发现不准确的数字化点和遗漏的测量区域。2）编辑数字化点，所有的数字化点必须经筛选或自由光滑处里，以去除坏点，从而提高数字化点的精度。3）建立线框摸型以交互方式定义模型的特征线。4）生成曲面，通过定义面与面之间的过渡约束（曲线的相切、连续性等。由线框模型生成一组曲面，这些曲面被自动地覆盖到数字化型面上，以尽可能地与测得的数字化点相吻合，5）校核。NURBS曲面，从它们的功能或操作方法来看，他们的共同特点是先构造曲线，或者是利用曲线直接构造曲面，或者是通过曲线界定曲面拟合区峪，先生成曲面片，然后通过拼接构成完整的曲面模型。其优NURBSCAD／CAM领域内相当广泛，因而，这些系统与其他CAD／CAM系统的通信、交流就十分方便。特征曲线的构造在其中起着重要的作用。然而，通过交互定义特征线费时费力，而自动提取的方法在目前仍相当有限。浙江大学的RE-SOFT系统采用了全新的三角BEZIER曲面模型，它首先建立数字化点的三角形，接着在三角形网格的网孔内蒙上三角BEZIER曲面。具体过程是，首先对数字化点建立一个三角形网格模型，利用这一模型对曲面的特征（尖边、过渡等）进行辨识，然后利用辨识结果和用户给定的误差对三角形网格进行必要的简化和调整，使得网格表示的曲面模型与实物一致，最后，在三角网格的网孔内构造三角BEZIER曲面曲面片。各个相邻曲面间自动实现GC1连续。其优点在于三角形曲面在表现形状方面最为灵活，它能适应各种复杂的形状和边界。因而。RE-SOFT在保形性方面明显强于国外的产品，另外，RE-S0FT操作非常简单。缺点BEZIERRES0FTCAD／CAM的通RESOFTBezer曲NURBSIGESRE-SOFT还集成了基于三BezlerRE-SOFT已成为目前解决复杂产CAD／CAM问题的最具有特色的软件系统之一。另外还有一类系统它们不建立曲面模型只是通过一些处理将测量数据直接转换为NC程序。这里就不再多述。§1.4.2逆向工程技术的工具介绍是德国“GOM”公司所出产的精密光学测量仪，它独特流动式的设计，在不需要任何平台（如三座标测量仪，数控机械或机械手等）支援下，用者可随意移动测量头到任何位置作高速测量，而所测数据会自动合并，非常适合测量各大小模型（如汽车、摩托车外形及零件、大型模具、家庭电器等。整个测量过程是基于光学三角形定理，自动影像摄取，再经数码影像处理器作分析，至数据产生只是数秒之内的工序。非接触式的测量，适合任何类型物件，如人体、软物体或不可磨损的模具及样品等。应用范围：反向工程CAD档案直接仿形铣加工及作快速成型用途CAD原有模型作公差比较计算机辅助技术如CAD、CAM、FEM等都需要对样件进行精确的三维测量，用以实现数学模型与实际零件完全一致。ATOS（theAdvancedTopometricSensor）光学扫描系统可实现对工件的高分辨率高速扫描，每幅扫描照片可获得工件表面400,000个点的三维坐标，并以点云的形式以多种格式输出，供CAD/CAM使用。组成结构光学扫描头电脑和驱动控制器便携式三脚架镜头校准板测量原理ATOS测量系统的测量过程是基于光学三角形原理。CCD照相机分别从不同的角度对工件表面影像进行拍照，然后将影像经数码影像处理，精确计算出每个像素点的三维座标值，最终获得工件表面点云数据。应用领域由于采用非接触式测量，ATOS可用来扫描各种物体，包括零件，模具，塑料制品，人体等。其主要用途CAD文件（用于反向工程）CAD模型直接将扫描数据提供给加工中心或快速成型系统进行加工CAD模型进行对比性能参数扫描范围每幅照片标准扫描范围为 350×280mm(点距：0.46mm)可选配其他： 200×160mm(点距：0.26mm)100×80mm 点距：0.13mm)550×440mm (点距：0.70mm)最大扫描尺寸：500mm扫描精度：每张照片的扫描精度为±0.03mm整体扫描精度为：0.1mm/m*照相机分辨率：768×572特点操作简单简单的测量概念和友好的软件见面，使用者在极短的时间内便能运用自如测量范围广测量范围从10-5000mm，可以对工件各个角度进行扫描。测量精度高由于扫描分辨率高，对工件细微特征依然能够测量到数据，而且扫描精度高（每幅扫描照片精度达±0.03mm）测量效率高完成一幅照片的扫描只需20秒钟时间，而每幅照片可采集到超过400,000个点的数据。流动式整个系统可置于两个箱子中，携带方便，可在加工现场或其他环境进行测量。其简单的校准程序，即使在运输途中遇到振动或温度变化，对其精度都没有影响。§1.5论文选题的意义及主要研究内容§1.5.1论文的意义CAD/CAM软件已得到了普遍的运用，根据产品的实际情况，制造产品的工序流程往往有所不同。即：所谓的正向设计及逆向设计的两种设计思路。因现实中的各种因素并非所有产品都采用正向设计，如需仿制和备份某一非专利产品或是因原数据丢失等情况，这时就要采用逆向设计了。但不论正向还是逆向设计，在产品的开发过程中都不可避免地需要采取一定的手段来验证产品制造的正确性这个工作环节。如何使产品开发的周期缩短，使产品早日进入批产阶段，这是各企业所关心的问题。验证工作这道工序在整个开发流程中就起到了至关重要的作用！在目前大多数企业中，对产品的验证工作主要都是通过检具来进行的。从模具设计开始，产品工程师就必须充分消化产品图纸，了解产品的装车部位及列出零件重要特性分级表，并与检具设计工程师一起分析、考虑检具的设计工作。然而，现实工作中总是存在着不少的困难，如：检具的费用一般价格不菲；因匹配的关系，即便产品符合数模的要求，因与该产品相匹配的产品又不便更改等情况的出现时，应主机厂的要求而必须更改产品形状。这样一来，产品数模、模具、检具就必须进行一连串的更改。根据实际经验，产品进入批产时，一般情况下，检具往往已改得面目全非，并且与初始的设计数模对不上号了，可以说，这样的流程具有三大缺点：1.频繁的修改，资金浪费较大，投入的人力、财力消耗较大；2.频繁的修改，有时数模不能或难以及时地进行相应的更改，致使检具的实际情况与数模有所偏差，不利于检具的复制及存挡数据的正确性的工作的进行；3.检具的更改不是一天二天的事情，一定程度上延缓了产品开发的进度。所以该课题研究的是：能否在产品开发的过程中，跃过检具的设计及制作工序？而是利用逆向工程的技术采用更加简洁的方法达到此目的。节约加工成本、加速产品开发的进度。本课题提出了这样的一个问题：在产品开发的过程中，能否运用现在的逆向手段，另僻渠道，更加快速地验证产品与设计的符合程度，以加速产品开发的速度。当然，在产品经过数据验证及装车认可后，为了便于批量生产过程中的操作便利性，我们仍然可以在后期进行检具的加工工作，但这样就可以消除上述所说的常规流程给我们所带来的缺陷了，这正是本课题的意义所在。§1.5.2论文的主要内容本文以汽车内饰注塑产品的开发为对象，对产品开发过程中的检测过程进行系统的研究，采用逆向工程技术，加速产品的检测过程，使检具在产品的匹配过程中频繁更改，提高企业的产品开发能力，从而提高企业的竞争力。同时，对企业在产品开发过程中也节约了大量的人力、财力。本文从汽车内饰注塑产品出发，对产品的检测关键环节进行研究，主要包括以下内容：第一章为绪论，介绍了当前制造业面临的问题，对目前的汽车内饰注塑产品的特点、开发现状及检具在该类产品的运用情况进行了分析，并对逆向工程技术的研究现状进行了介绍，阐述逆向工程技术在产品数字化检验中的意义；第二章自由曲面配准技术的关键技术的研究,阐述了各种匹配技术的特点并引伸出本文的思想；第三章阐述了汽车内饰产品需要检测的特点及逆向检测的简要过程；第四章以逆向工程技术在轿车仪表板及A柱内装饰板注塑产品中的应用实例,对本文研究的关键技术进行实例验证；第五章对全文进行了综述和展望。§1.6本章小结本章首先对论文的研究背景进行了介绍，在此基础上，阐述了检具设计的概念，并综述了国内汽车内饰产品的开发给企业带来的问题，引出了逆向工程技术的概念，进而引伸出全文的研究内容和论文结构。第二章自由曲面配准技术§2.1引言快速原型制造（RPM技术）80年代后期，基于材料累加法20年来产品设计与制造领域的一5060年代的数控技术相比。RPM综合了计算机、机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学等高RPM可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造产品：从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能RPM系统为基础发展起来并已成熟的快速RPM的研究与发展将成为我国产品创新设计与制造的重要技术途径。RPM的核心技术之一，是从一个已有的物理模型或实物零CAD模型的过程。与传统意义的仿形制造不同，逆向工程主要是将原始物理模型转化为工程设计概念或设计模型，一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的CAD／CAM／CAE技术对已有的物件进行再创新工程服务。广义的产品逆向工程包括产品形状（几何＼工艺以及材料等多方面的逆向设计与分化是一个复杂的系统工程。开发和推广应用逆向工程CAD系统，是进一步推进RPM技术应用水平、加快我国产品创设计发展步伐急需解决的重要工程。同时逆向工程CAD系统和技术可以广泛应用于汽车、摩托车等复杂产品外形的修复与改造，自然景物的计算机描述；人体拟合如头盔、太空服等一些功能复杂、价格昂贵的产品设计等。因此，这一技术具有广阔的应用前景，尤其是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、摸具工业产品的快速CAD设计与制造水平，增强产品设计与制造中高新技术含量，提高产品市场竞争能力，具有重要的理论意义和经济价值。一、产品逆向工程CAD建模关键技术在逆向工程中，产品设计人员面对的是产品样件，即实物模型。由实物建CADCAD设计，要求首先对其实物表面进行数字化处CAD模型。由此可见反求工程有两个方面的主要研究内容，一方面是实物模型表面数据获取技术。即数字化技术，另一方面是曲面构造技术。下面分别简要介绍这两个方面的研究和应用现状。（一）实物模型的数字化技术近十年来，随着传感技术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的实物模型表面数字化仪器和系统。一般地三维表面数字化技术可分为接触式和非接触式两大类。接触式方法中，有基于力——变形原理的点位触发式和连续扫描式的数据采集方法和利用磁场、超声波等媒介的数据采集方式。非接触式方式采集实物模型的表面数据时，测头不与实物表面接触，一般以激光为媒介实现对表面三维数据的采集。其特点是数据采集速度快，而且，为媒介的非接触三维表面数据采集方法，在逆向工程中应用最为广泛。但是，这种方法有一个局限性：不能采集到物体的内表面数据。为了实现物体内部表面的数字化。断层扫描技术在逆向工程中取得广泛的应用。断层扫描也有两种方式，一种是基十工业CT的、无损的断层扫描技术，一种是破坏式的断层扫描技术，即每切削一个层面后，测量该截面的内外边界，然后，以一定的厚度再切一层，这样一直进行下去，直到实物模型被切割完毕，数字化过程也就随之完成。前者不破坏零件，成本较低，但是精度较差后者精度高，但是，要破坏样件，并且测量过程复杂，成本较高.（二）曲面重构技术在逆向工程中，曲面重构有其向身特点，(1)曲面型面数据散乱、且曲面对象边界和形状有时极其复杂，因而一般不便直接运用常规的曲面构造方法和系统；2）曲面对象往往不是简单地由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁减等混合而成，因而要分块构造；3）由于数字化技术的限制，在逆向工程中还存在一个“多视数据”问题，一般来说，为了保证数字化的完整性，CADB-SPLINENURBS曲面BEZEIR曲面为基础的曲面构造方法，此外，还有以多面体方式来描述曲面物体的方法。在逆向工程中，型值点数据具有大规模、散乱的特点。这种数据的曲面拟NURBS曲面拟合中，需要研究的首要问题单一矩形域内散乱数据点的曲面拟合问题。在众多的研究中，较具代表性的方法为：首先根据边界构造一初始曲面，然后将型值点投影到这初始曲面上，接着根据投影位置算出其参数分布，从而解决散乱数据的参数分配问题，根据这一型值点参数分NURBS曲面，最后。对型值点参数进污优化，使得所拟合曲面离给定型值点误差最小。在实际应用中，由一张曲面构成产品的情况并不多，（过渡、相交、裁剪等，单纯由一张曲面去重构实测产品的数学模型是很困难的。于是，人们研究并采用了不同的数据分块方法，最直接是通过人工交互的方式手工勾勒特征线，将曲面分块。但这种方式费时费力，且质量难以控制。后来人们叉研究了实测数据的自动分块方法，自动分块方法分为两大类型，一是采用图像理或辨识技术，提取曲面的特征线利用特征线将曲面分块。另一类方法则是采用四叉树方法，即首先构造一张整体曲面，若不能满足要求，则将其一分为四，再对每一个块进、处理，直至所有个块均满足要求为止以NURBS曲面为基础解决是测数据的曲面构造问题存在以下缺点，1）由于建立在两次优化计算基础上的曲面构造对曲面的光顺性难以保证、计算量大。2）曲线网格的建立、分块等很难自动完成，需要较强的交互参与。，3）曲面构造的精度较难控制，在已知的算法和系统中，往往是若不能满足要求，则必须从头开始重算。三角曲面由于其构造灵活、能适应各种复杂形状的形状要求，在逆向工程中一直受到重视。在三角曲面的应用研究中，主要的研究内容有两个方面：散乱数据的三角网格化和基于三角网格的插值曲面的构造。前者的研究重点在如何提取特征线、如何简化三角形网格和如何处理多视问题上。这些问题在诸多学者的努力下，已经有了较为全面的解决方案。（三角平面片，实际上就是以多个三角形平面片组成的多面形来拟合实物对象，显然，要达到一定的精度要求三角形网格具有足够的密度，同时，各个三角形平CO连续。BEZIER到C1连续。但是，这种曲面模型依赖于给定的坐标系，给后续的操作带来不SOFTBEZIER参数曲面模型，不仅使曲面片间达到了一定的连续阶次，而且采用的是形状与坐标系无关的参CAD中具有很大的应用潜力。采用三角曲面模型的最大优点是三角曲面具有良好的边界适应性和能够解决复杂形状拟合问题的特点：构造整体曲面模型时不需要对实测数据进行预先CAD／CAM系NURBSCAD／CAM系统的通讯和数据交换问题。§2.2表面配准概述检测软件包的基础和核心是散乱测量数据与CAD模型的配准。两个形状的（旋转＋平移能够使两个形状在一个共同的笛卡尔坐标系中实现对齐。自由曲面本身不含有3-2.1法并不适用。首先概述表面配准，介绍其概念，简述它在不同应用场合的实现方法。然后对参数曲面与数据点集的最小二乘配准进行了数学描述。针对本文研究的“基于三维测量数据与CAD模型的数字化检测”，分析了其中参数曲面配准过程所面临的技术难题，本文研究的内容和目标就是试图解决这些技术难题。基于曲面距离极小化的配准技术能够获得高精度的结果，由于它们在初值两个数据集之间方位偏差很小，从初始值出发，通过迭代地极小化某种表示距离的目标函数而获得精确结果。需要说明的是，改进型算法要求初始时两个表面足够接近，否则不能产生可靠的伪对应关系，而且配准可能偏离到一个局部极小值。改进型配准技术都假设一个初始的近似变换，然后利用局部优化过程对其进行改进，即对粗略的变换进行精细的微调。否则，当对全局最小解的位置一无所知时，它们容易收敛到一个不正确的局部极小值。从任意初始相对位姿出Campbell[2001]粗略配准过程的目标是有效地计算出一个近似的配准变换，由此把数据对齐到足够接近的程度，以利于后续在精细配准阶段使用改进型配准方法。换句话说，粗略配准过程的作用是增加使精细配准过程收敛到全局最优解的机会。【Dorai96】配准（registration）是确定同一物体的两个描述之间相对位姿（位置和方向）的过程，即寻找一个坐标变换，使得这两个描述达到由一个适当的成本尺度（costmetric）衡量的对齐状态。这些描述可以是几何的或摄影的（phoometric，可以是二维的或三维的。所施加的变换可以是刚性的或可变形的，可以包含或不包含一个比例因子。本文研究集中于三维几何描述的、不包含比例因子的刚体配准。物体的三维几何描述编码了关于物体形状的信息，包括体积形状描述和边物体的边界形状描述元素包括：点集、直线集、曲线集、多边形集（如三角网格、隐式曲面以及参数曲面等。本文中物体表面描述涉及点集、三角网格和参数曲面等三种形式，因而互换性地使用3D点集配准、三角网格面配准和参数曲面配准等术语。直观地，如果把场景相对于模型放置在正确的位置和方向后两者相吻合，我们就说两者实现了配准。更准确地讲，当两个描述中代表同一个表面点的任意对应点（p,q）都由同一个刚性空间变换相关联时，即存在一个刚性变换T使下式成立：p

P,qQ|Tpq

0（2-1）则认为两者配准。配准的目的是寻找这个空间刚体变换T，当施加到“场景”后能使它与“模型”达到对齐状态。更形式化地讲，配准就是求解方程mindQ,TPT （2-2）T(P)PT，d是物体描述间相似性的度量。实现配准以后，就获得了“模型”坐标系中任意点与“场景”坐标系中对应点之间的一个映射，反之亦然。关于表面配准的研究主要针对两个领域内的应用：计算机视觉和坐标计量学。在计算机视觉或机器人视觉领域中，表面配准应用于物体识别和视觉导航。物体识别[Brett98,Chin96,Johnson98]需要观测数据与代表不同物体的预存储模型相匹配。在视觉导航[Madhavan98,Zhang97]中，在不同瞬间得到的动态场景观测数据间进行匹配，目的是推导物体运动和解释场景。在坐标计量学领域中，表面配准可用于解决两类不同的问题：当我们有一个准确的模型并希望与场景测量进行配准时，称为“模型－场景”情况；而当我们要配准（以及融合）同一物体的两个不同的场景测量时，称为“场景－场景”情况。“场景－场景”配准“场景－场景”配准主要应用于反向工程中多视数据的拼合[ConanEggert98,98]。反向工程一般包括三个基本步骤：数据获取、数据配准Eggert1998】根据反向工程的三个步骤，最终模型的质量水平与每个步骤的不精确性直接相关：数据点之间的采样分辨率和传感器的固有噪声，对齐变换的计算误差，配准后数据的曲面拟合的残余误差。可以说，其中第二步对于最终质量也许是最关键的。测量设备的采样精度建立了误差基线，它将随着三维坐标计量技术的发展而逐步降低。最后的曲面逼近一般可通过调整网格面的三角面片数量或拟合参数曲面的阶数得到控制。但是，不论怎样降低上述两者的误差，如果来自多个视图的形状信息不能准确对齐，那么反向工程的结果只不过是对不正确数据集的较好逼近而已，因此有关数据集配准的误差体现了主要的系统误差【Rolls1999【Chengthesis】对于多视图配合中的“场景－场景”配准，确定相邻视图的相对位置的方法可划分为两类：基于人造物体的（artifact-based）方法和基于软件的（software-based）方法。基于人造物体的方法包括两种，一个是利（如旋转台、平移架、机器人臂、多轴机床等，它们能以不同水平的精度提供方向和位置信息。当这些信息具有足够的精度时，它可用于计算坐标变换参数。但这种方法对测量硬件有特定的要求。如果测量装置不能提供一致的、可靠的位置信息时，在数据获取的同时引入几何已知的标记物作为基准。标记由物理实体制成（一般是参考球，或者是已知形状或模式的粘贴物，它们被安放在物体表面上的重叠区域内或者任意两个表面区域之间的共同视野里。但标记实现配准的两个不足是（a）（b）难于精确确定表面上每个标记的参考点（即中心。基于软件的方法直接利用测量数据即形状本身进行配准。它简化了测量过程，降低了对测量设备的硬件要求。与使用标记的方法相比，该法计算量增大，但更精确。需要说明的是，测量数据经常包含噪声和具有大误差的点（称为局外点。另外，由于不一致的点采样，在每个扫描中无法在表面的同一位置处进行精确采点，也就是说不存在真正的对应点。这些特性使得基于形状的配准一个非常困难的问题。“模型－场景”配准“模型－场景”配准出现在需要机器坐标系和CAD坐标系之间对齐的形状检测、缺陷检查和加工过程等场合[Pahk93,Qu99]，也是本文研究的“基于三CAD模型的数字化检测”中的配准情况。很明显，上述“场景－场景”配准中两种基于人造物体的方法都不适用于“模型－场景”配准。此时，基于软件的方法是剩下的唯一选择。这种方法利用重叠区域内表面形状的最优Goshtasby1998】基于表面形状的表面配准可区分为三类方法：特征匹配法、曲面距离极小化法以及两者的联合法。特征匹配法在表面上定义并计算突出的特征，在重叠区域内搜索两个表面之间的唯一匹配模式。曲面距离极小化法直接计算两个描述之间的距离并优化每个描述的位置参数，以迭代方式减小重叠区域内的间隙。需要指出的是，这两种基于形状的配准方法有一个共同的不足：由于它们都需要重叠区域内曲面形状具有独特性以便能锁定到一个唯一的匹配位置，这两种方法都不能胜任于具有平面区域、一致曲率（如球、圆柱等）和循环几何特征的物体表面。对于平面和复杂形状组合的物体，需要标记、特征匹配和曲面距离极小化的复合法。§2.3参数曲面配准最小二乘拟合配准1【thesisnPp21

,...,pn

;pi

3，它是从一个物体表面N测量得到的；表面N由参数方程N(u,v)描述，该方程把参数u和v映射到3上。PpiNpiN上的最近点之间向量的大小，即diminu,v

N(u,v)

（2-3）方程（2-3）中提供极小化解的参数u和v显然依赖于pi的值，因此最优的u和v值是pi的函数，由此这些最优值被称为uci和vci，其中uciu)和vciv(pi)。为了保证uci和vci的存在性和唯一性，假设曲面N是光滑的、封闭的和有界的（osed,ndbundedP在3中位于N（initialguess。需要说明的是，存在方程（2-3）有无限多解的特殊情况，例如当Npi2.1显示PN之间的关系。在基于三维测量数据与CAD模型的数字化检测中，点数据是相对于测量设CAD模型是相对于机械设计软件包内部的坐标系设计的。CADdi大小的平方和进行量化表示，如方程（2）所示，其中距离di值取平方以消除符号。n 2nT nf dii1

dii1

di（2-4）P66个33P中点上的一个3向量，而旋转可定义为一个33正交矩阵。定义平移向量为t、旋转矩阵为R，方程（3）揭示了把P变换到新坐标系中的方法piRpit（2-5）平移向量t容易理解，但旋转矩阵要复杂些。在求解配准问题中，使用了多种指定旋转矩阵参数的表示方式。一种较简单的方法是，使用围绕某个固定坐标系的三个主轴的转角。利用这种方法，R是θx、θy、θz的一个函数，其中θi代表围绕第i轴的转角。如果t由tx、ty、tz构成，则六个自由度组成以下的6参数向量xXx

yz

txty

Ttz（2-6t这样式（2-5）可重写成X的函数，即piXRXpitX（2-7）把（2-7）式代入（2-3）式得到di(X)

minu,v

iXNuci(X),ci(X)

（2-8）在方程（2-8）中，uci和vci被表示为X的函数，因为uci和vci是pi的函数而piX的函数。把方程（2-）代入方程（2-，fX的函数，即nnf(t)(di(X)i1

2)（2-9）为了变换点集的坐标系以使它与模型的坐标系尽可能重合，函数f必须相对于X中所指定的六个刚体变换参数进行极小化。能够提供该目标函数最小值的X就是配准问题的解。上述最小二乘拟合配准实际上提供了一种通用的公差评定方法。【Yau，Menq19961999】式（6）可解释为在CAD模型坐标系中计算的形状误差，式（7）表示利用最小二乘准则把测量数据向CAD模型进行最佳拟合。在传统的替代几何法中，目标函数相对于随不同几何特征而异的特征参数进行极小化。与此不同，这里把目标函数相对于刚体变换参数进行极小化，而这些变换参数对于所有类型的几何特征都是通用的。所以，该方法在这个意义上是统一的：与需要为不同几何特征开发各自算法的传统方法形成对照，该方法把所几何有特征（包括标准特征和自由曲面）都视为名义几何（nominalgeometr，通过1999NURBS表示各种几何特征，这样评定算法和被评定的表面都得到了统一。CAD模型的公差评定中，选择最小二乘准则是因为它被认为更稳定、对测量噪声较不敏感。早期的最小二乘法致力于开发解决公差评定问题的鲁棒算法。最近，研究者注意到一个统一的最小二乘方法能实现位置/方向误差与一般形状误差的分离【1992，Soulier1995,，Yau1996为了获得纯粹的形状偏差（不含有位置/方向偏差，必须确定涡轮叶片的雕塑CAD模型距离的平方和达到最小值的坐标系中，形状偏差才能得以显示。如果在由一些参考点定义的坐标系中，或者由涡轮基座确定的坐标系中（此处能够测量并最佳拟合标准表面CAD（理论上最优对齐）大的形状偏差【Gander1999实现误差分离特别有助于制造误差的鉴别和修正。例如，刚性坐标变换包括位置/NC算法及其软件的性能，也可反馈到NC机床以补偿过大的表面偏差。主要技术难点基于三维测量数据和CAD模型的数字化检测系统中，参数曲面（NURBS）配准是核心与关键，它主要有以下几个技术难点：必须保证高精度对于检测系统来说，追求高精度无疑是第一位的。除了测量数据的精度外，检测结果的可信度完全决定于配准算法的精度。最小二乘拟合配准技术被证明能够提供高精度，但它必须满足两个前提条件：（1）测量数据与CAD模型的相对位姿偏差较小；（2）测量数据是CAD模型的子集。前者是由最小二乘配准的梯度下降法性质所要求的，否则会导致算法陷入局部极小值；而后者是因为最小二乘法的溃点（breakdownpoint）是零，破坏该条件数据点（称为局外点）将造成错误的位姿估计。因此，为了保证配准算法的高精度，除了提高相关数值计算的可靠性和准确性外，一方面要正确处理局外点，另一方面要提供好的初值。具有对于初始相对位姿的鲁棒性【Cheng2001thesis】配准过程相当于在一个无界的、连续的、具有六个6维点（三维刚体坐标变换6维的优化问题，带有很多局部极值，因此它是一个非凸的优化问题。【Tucker03】配准问题的目标函数可想象为超空间（hyperspace）中一个具有很多峰和谷（hillsandvalleys）的曲面，配准的目标是确定提供绝对最低谷的那个状态的方位。当测量点集在配准开始时距离最终解相当远的距离时，在趋近配准解所在的全局最小解的路途中存在更大的风险会遇到局部极小值。这就需要配准过程具有对于初始方位状态的鲁棒性。CAD模型的数字化检测具有重要意义，因为测量数据CAD模型之间的初始相对位姿偏差可能是任意值。例如，当使用光学数字化CMMCADCAD模型之间的初始相对位姿偏差可能很大。这种情况需要采用某种方法使两者达到大致的对齐状态，由此为随后的最小二乘拟合配准提供初值。那么，一个重要的问题是如何自动地实现这种粗略配准。能够正确处理局外点【Simon1996】对于配准过程来说，违反“一个数据集是另一个数据集的子集”这个假设的数据点就是局外点。局外点可由几个因素造成，包括在非重（如参考球、夹具等。尤其当使用光学3D扫描仪时更容易导致局外点，例如3D点云通常包含一个零件上几个表面的测量数据，甚至其他物体的测量数据。而实际的检测中，我们一般关注某个特定的物体或物体上某个特定的区域。因此，识别出局外点并消除其对配准的影响，对于获取正确和有意义的检测结果是至关重要的。一种作法【Claudetthesis】是：在配准前数据预处理阶段，从点云中修剪掉来自夹具部件和其他非零件源的局外数据。在为计量目的所进行的数据集修剪过程中，一个重要的考虑是应该宁可删除可能的好数据点也不要留下一些可能的坏数据点。也就是说，在存在充裕的数据点的情况下，为计量的目的最好排除一些属于零件的数据，而不是包含进来一些属于夹具部件的数据。但是，由于在实现真正的配准之前无法准确划分局外点与局内点，这种人工方法无疑会导致边界处计量结果不可信。因此，在整个配准过程中，无论是粗略配准阶段，还是使用最小二乘拟合法的精确配准阶段，都应该能够自动地正确处理局外点。追求高效率CMM以外的设备测量数据时，