（机械电子工程专业论文）基于逆向工程的曲面轮廓形状误差数字化分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 作为消化和吸收先进技术并在原有基础上进行创新设计的一项技术手段，逆 向工程技术的研究与应用受到世界各国的普遍重视。随着市场竞争的不断加剧， 产品开发周期、开发成本和产品质量成为企业之间争夺市场机遇的重要法宝。为 了缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量，许多企业纷纷在产品开发 中采用逆向工程技术来实现快速设计与制造。本文所研究的基于逆向工程的曲面 轮廓形状误差数字化分析正是逆向工程技术在产品开发中很具发展潜力的一项实 用技术。 。 本文旨在研究曲面轮廓形状误差的数字化分析问题，实现曲面轮廓形状误差 定性、精密、高效的自动检测。它有利于误差检测系统与c a d c a e c 觚系统、自 动控制系统、质量管理系统等有效集成，从而实现设计、制造、检测的封闭式循 环。曲面轮廓形状误差数字化分析包括三项关键技术：待检测曲面轮廓形状的数 字化采样、测量点云向原始c a d 模型的对齐变换和检测点云到曲面c a d 模型的误 差计算。本文在逆向工程技术和误差检测理论的基础上，首先以c m m 三坐标测量 机和a t o s & t r i t o p 光学扫描系统为测量工具研究曲面轮廓几何形状数据采样，然 后分别利用a t o s & t r i t o p 软件与逆向工程软件i m a g e w a r e 将实际测量点云坐标数 据对齐变换到设计曲面c a d 模型坐标系下，实现点云向c a d 模型最大程度地“贴 合”，最后分别在这两个软件中计算测量点云坐标数据到c a d 模型曲面的法向距离， 即为曲面轮廓形状误差，并用色码图、标签注解图等方式显示误差结果。 在理论分析基础上，本文分别在a t o s & t r i t o p 软件与i m a g e w a r e 软件中进行 了汽车覆盖件和发动机气道等复杂曲面轮廓的误差分析，获得了精确可靠的检测 数据。将检测数据反馈给产品开发部门作为产品设计改进、工艺改进、模具修复 的重要依据。 最后通过实际零件曲面轮廓形状误差分析验证了本文研究的可行性，实现了 期目标。从而为复杂曲面轮廓形状误差检测提供了精密、高效、可靠的数字化检 测方法。 关键词：逆向工程，曲面轮廓，对齐交换，形状误差，数字化分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a saw a yo f d i g e s t i n go ra b s o r b i n ga d v a n c e dt e c h n o l o g ya n di n n o v a t i n gb a s e do n i t ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga l eb e i n gp u tm o r ea n dm o r e i m p o r t a n c eo nb ym a n yc o t m t r i e s0 1 1w o r l d w i t hm o r ea n dm o r es e v e r em a r k e t c o m p e t i t i o n ，t i m e ，c o s ta n dq u a l i t yo fp r o d u c td e v e l o p m e n th a v eb e c o m et h em o s t i m p o r t a n tw a y so fe n h a n c i n gr a c ec a p a b i l i t ya n dg e t t i n gh o l do fm a r k e to p p o r t u n i t y i n o r d e rt os h o r t e nd e v e l o p m e n tt i m eo fn e wp r o d u c t ，r e d u c ed e v e l o p m e n tc o s ta n d i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y , l o t so f e n t e r p r i s ea d o p t sr e t or e a l i z er a p i dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e ra i m sa tr e s e a r c ha b o u td i g i t a la n a l y s i so ff o r me r r o ra b o u ts u r f a c e p r o f i l e ，t or e a l i z ep r e c i s e ，e f f e c t i v e ，a u t o m a t i ci n s p e c t i o no ff o r m - e r r o ra b o u ts u r f a c e p r o f i l e i t w i l lb e n e f i tt oe f f e c t i v e i n t e g r a t i o n o fe l r o t a n a l y s i ss y s t e m w i t h c a d c a e c a ms y s t e ma n dq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m i nt h i sw a y , d e s i g n , m a n u f a c t u r e a n di n s p e c t i o nc a nc o n s t i t u t eac l o s el o o po fp r o d u c td e v e l o p m e n t i tc o n s i s t so ft h r e e k e yt e c h n o l o g i e s ：d i g i t a l i z a t i o no fb e i n gi n s p e c t e ds u r f a c e ，a l i g n m e n tf o rp o i mc l o u d y t od e s i g ns u r f a c ea n de r r o rc a l c u l a t i o nf o rp o i n tc l o u d yt od e s i g ns u r f a c e b a s e do nr e a n de r r o ri n s p e c t i o nt h e o r y , t h i sp a p e rs t u d i e sd i g i t a l i z a t i o no f s u r f a c ep r o f i l eu s i n gt o o lo fc m ma n do c m m ( o p t i c a lc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e a t o s & t r i t o p ) ，a l i g n m e n tt r a n s f o r m a t i o n f o rp o i n tc l o u d yt od e s i g ns u r f a c e ，e r r o r c a l c u l a t i o nf o rp o i n tc l o u d yt od e s i g ns u r f a c e b a s e do nt h e o r e t i c a lr e s e a “：l lt h i sp a p e rm a k e sa n a l y s i se r r o ro fs u r f a c ep a r t s a b o u tc a rb o d ya n dt r a c h e ao f e n g i n ee t c ，a n dg e t sr e l i a b l ea n dp r e c i s ed a t u m b e i n gf e d b a c kt od e s i g no rm a n u f a c t u r ed e p a r t m e n t s t h e yc a nb eu s e da si m p o r t a n tb a s i so f i m p r o v e m e n t o i ld e s i g n , p r o c e s sa n dr e p a i ro f m o l de t c e r r o ra n a l y s i so fp r a c t i c a ls u r f a c ep r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss t u d ya n dr e a l i z e s e x p e c t e da i m t h i sp a p e rp r o v i d e sp r e c i s e ，e f f e c t i v ea n dr e l i a b l ee r r o ri n s p e c t i o nw a y s f o rc o m p l i c a t e ds u r f a c e k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，s u r f a c ep r o f i l e ，a l i g n m e n tt r a n s f o r m a t i o n , f o r m 4 e r r o r , d i g i t a la n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 。9 7 5 1 3 8 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 年月 日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 指导教师签名：以们盈 矽诒年苦再( 留 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着人类生活水平的日益提高，企业对其产品的制造过程越来越精益求精。随 之关于产品制造误差和制造精度的研究也越来越受到国内外科学家和工程师的重 视。产品质量检测是保证设计质量、工艺质量和实现加工工艺过程与装配工艺过程 的基本手段。机械产品质量检测的内容主要是制造误差和制造精度检测。而制造误 差和制造精度检测主要是尺寸和形位误差检测。对于标准曲面尺寸和形位误差检 测，相关的理论和检测手段已非常成熟。但对空间自由盐面，传统的量规、样板及 专用检测仪器等检测手段无法给出误差的具体检测数值，工程技术人员只能凭借经 验粗略地估计误差的大概范围或只能简单地判断零件合格与否。这种粗糙的定性检 测往往造成复杂零部件的某些部位不能精确检测，使产品质量降低。而零部件的尺 寸和形状位置精度能否满足设计要求直接影响到零部件的装配、安装及使用。同时 这些专用检具的加工制造需要大量的入力、物力且耗费相当长的时间。这不但增加 了生产成本、延长了新产品开发周期而延误新产品有利的上市时机，而且专用检具 还不具通用性，利用率低。因此这种定性而不定量的样板检测手段难以适应现代高 精度、高效率和高质量的产品质量检测要求。现代制造业迫切需要能够对曲面轮廓 形状误差进行定量检测( 误差检测结果必须提供具体、详实、精密、可靠的误差数 值。) 的数字化检测技术。 信息技术的飞速发展带给我们的是崭新的二十一世纪数字化社会。各种信息都 是用具体、精密、可靠的数字来体现。这种足够具体、精密、可靠的数字构成了科 学技术的坚实基础。也只有相当精密的测量和足够精确的数字，才能为工业产品互 换性检测和科学技术信息的致性提供必不可少的前提。当前c i m s ( 计算机集成制 造系统) 在企业中开始大力推广应用，企业在向柔性化、自动化发展的进程中，提 出了对计算机辅助质量管理( c a q ) 的需求。计算机辅助检测规划( c a i p ) 系统已 成为c a q 系统的重要组成部分其核心问题是如何实现零部件质量的计算机检测及 其检测数据计算机处理。 本文针对目前复杂曲面轮廓形状误差分析中存在的诸多闯题，以逆向工程技术 为平台，研究复杂曲面轮廓形状误差的数字化检测问题：应用三坐标测量机对曲面 轮廓轮廓形状进行几何形状数据采样及其采样点云处理；然后将处理后点云数据和 江苏大学硕士学位论文 曲面原始设计c a d 模型同时导入c a d 系统，并把点云对齐定位到c a d 模型上实现点 云和曲面c a d 模型的紧密“贴合”，最后以益面c a d 模型为基准，计算点云到曲面 c a d 模型的法向距离作为曲面的形状误差，并输出误差报告提供给产品设计、工艺 设计、产品加工和模具设计制造部门等作为产品不断优化改进的依据。 本文所研究的眭甘面轮廓形状误差数字化分析方法能够满足复杂曲面零部件高 精度检测的要求，对实现生产在线检测的数字化、自动化、集成化具有现实意义。 1 2 逆向工程技术 1 2 1 逆向工程技术是实现我国由制造大国向制造强国转变的快捷手段 制造业的整体能力和水平决定各国的经济实力、国防实力、综合国力和在全球 经济中的竞争与合作能力，决定着一个国家特别是发展中国家实现现代化和民族复 兴的进程。近年来发达国家的产品制造越来越多地向我国转移，因此我国制造业快 速发展并已跻身世界制造大国行列。但”制造大国”、”世界工厂“不等于制造强国。 我国制造业同发达国家相比总体规模小、人均劳动生产率低。在国际制造业分工中， 我国主要处于产业链的低端：多数企业技术创新能力薄弱，不少核心技术和关键装 备依赖进口，比如国内目前鲜有高档轿车核心技术，大部分关键零部件( 大排量、 低排放发动机、自动变速箱等) 还是依赖进口。由于对国外核心技术和关键零部件 高度依赖，致使在全球价值链分工中，我国的制造业处在低端位置，国内企业只能 获取少量的加工费用，增加值率被限制在较低水平。我国的企业不能安于加工、组 装的现状，必须走引进、消化和吸收的路子，通过自主研发逐步建立自己的核心技 术、建立自己的品牌、建立以中国企业为主导的产业链。而实现我国由制造大国向 制造强国转变建立核心技术的根本是技术创新。但是当前我国在相当长时间里尚不 具备创新能力。所以目前这个阶段我们更多地是靠消化和吸收别人的技术，更多地 学习和模仿。逆向工程技术正是当前适合我国企业引进、消化、吸收先进技术，实 现自主创新建立我国核心技术最为快捷的技术创新手段，即通过逆向工程技术在消 m 化、吸收先进技术的基础上，建立和掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创、 新设计。这是提升我过制造业的必由之路。 逆向工程技术是2 0 世纪8 0 年代初分别由美国3 m 公司、日本名古屋研究所以 及美国u v p 公司发明并成功使用的新技术 ”。进入2 0 世纪9 0 年代以来，这项技术 被广泛用于缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力中来。在越来越激烈的市场竞 争中，逆向工程技术早已被先进工业国家有远见的企业所采用，使其在市场竞争中 2 江苏大学硕士学位论文 立于不败之地。 实际上任何产品的问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、 技术的继承、应用和借鉴。目前面对越来越多同行业的竞争、原材料价格的上涨以 及国家相关政策的出台等多方面原因，产品利润空间越来越低。为了维持或提高利 润，生产商不得不利用逆向工程技术来缩短产品开发周期、产品革新、降低成本。 我国当前正处在由制造大国向制造强国的转交过程。我们应该借助逆向工程 技术手段消化、吸收和借鉴国外先进技术。在此基础上加快技术创新，建立适合我 国国情的自主核心技术。这才是真正实现我国成为制造强国的出路。 i 2 2 逆向工程的概念及内容 传统的正向设计是从市场需求出发，经历产品的概念设计、结构设计、加工制 造、装配检验等产品开发过程。对工程技术人员来说，它是一个从无到有的过程。 设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用c a d 建模技 术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设 计制造周期。而逆向工程则是根据已存在的产品模型反向推出产品的设计意图、设 计数据( 包括形状、材料、工艺、强度等) 的过程。 因此，逆向工程可定义为“针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技 术的结合，以先进产品、设备的实物、软件( 包括图纸、程序、技术文件等) 或影 像( 图象或照片) 作为研究对象，应用现代设计方法学原理，生产工程学、材料学 和有关专业知识进行系统深入地分析研究，探索掌握其关键技术进而开发出同类更 为先进的产品 2 1 。逆向工程不是传统意义上的仿制而是综合应用现代工业设计理论 的方法、生产工程学，材料学和有关专业知识，进行系统地分析研究进而开发制造 出高附加值，高技术水平的新产品。 目前逆向工程技术的研究大都是基于实物的逆向工程，即从实物样件获得产品 数学模型然后制造得到新产品。现在它已经成为c a d c a m 系统中的一个研究热点 并发展成为一个相对独立的领域。在这一意义下，逆向工程可以定义为：利用多种 测量手段和几何建模技术将产品原型和油泥模型转化为计算机上的三维数字模型 进而输送到c a m 系统完成产品制造的一种技术手段；或是将已有产品或实物模型 转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行剖析、深化和再创造 的过程脚。 随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展， 基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量 江苏大学硕士学位论文 设备获取物体表面空间数据，需要经过逆向工程系统重构获得产品三维数字化模 型。在工程分析的基础上，数控加工出产品模具或者送到快速成型系统，制成最终 产品，实现从产品或模型一设计一产品的整个生产流程。逆向工程的具体流程如图 1 1 ，其主要技术内容如表1 1 。 样品卜+ | j d 点蠡据蔫譬卜_ - 刊点薮幂蛙理 批量复制k 一攘其成受 楱其w 加工 曲面造型謦装 饰疑窭体透壁 匦引2 l 瓣1 2 h 撇铎汛 图i - - ! 基于逆向工程的产品开发流程 表卜1逆向工程的主要技术内容 已存在的物理模型专决定后面工程的需要专物理模型的数字化 点云坐标数据读入逆向工程软件或c a d 软件 分散点云的对齐 点处理过程 不需要的点，误差点去除 预先规划创建曲线 曲面所需要的 点并显示 创建出所需点的片段： 曲线处理过程决定要创建的曲线类型 由已创建的点创建曲线 检查修改曲线； 决定要创建的曲面类型 由点云或曲线创建瞳面检查，修改曲线 曲面处理过程 后处理。 1 3 曲面轮廓形状误差数字化分析 1 3 1 基于逆向工程的曲面轮廓形状误差数字化分析 像发动机气道、叶轮、汽车车身曲面、航天飞机机身造型曲面等这类曲面，微 小的形状误差都会对产品的使用功能产生较大的影响。因此需要对这类曲面的加工 误差进行高精度检测以满足产品功能要求。这类零件称之为功能型自由曲面。为了 保证和提高功能型自由曲面的加工质量，迫切要求对曲面加工精度进行高精度形位 误差检测。用传统的样板法、仿形法、影像法虽然检测过程简单，但自动化程度低、 误差大、需要制造样板周期长，成本高且不能给出定性评定。传统的样板检测方法 已无法满足功能型自由曲面准确、科学而高效的检测问题。 4 瑟 江苏大学硕士学位论文 图1 - 2 基于逆向工程的曲面轮廓形状误差数字化分析流程 于是本文提出基于逆向工程的曲面轮廓形状误差数字化分析方法，为功能型自 由曲面的高精度检测提供了准确、科学而高效的检测手段。本文在逆向工程和误差 检测理论的基础上，以c 啪三坐标测量机和a t o s & t r i t o p 三维光学扫描系统为测量 工具，分别利用a t o s & t r i t o p 软件与逆向工程软件i m a g e w a r e 强大的调整功能将测 量点云坐标数据对齐变换到设计曲面c a d 模型坐标系下实现点云与c a d 模型的紧密 “贴合”，然后分别在这两个软件中计算测量点云坐标数据到c a d 哇甘面模型的法向距 离，即检测曲面制造误差并用色码图及针状图、标签注解图等显示误差结果，也可用 统计方法输出超差报告。最后依照所得到的详细检测结果对零件模具进行修模，以 修正曲面缺陷，使曲面满足给定的轮廓度公差要求。具体检测流程如图i - 2 。 1 3 2 曲面轮廓形状误差数字化分析的应用 ( 1 ) 在冲压成型试模中的应用 对于一些外形结构尺寸大、表面质量要求高、形状复杂的空间薄板零件如汽车 发动机盖、汽车翼子板等在冲压成型时，由于回弹、残余应力分布不均匀、材料力 学性能等原因，一般很难确切计算出其模具型腔、型芯的精确形状和尺寸。往往要 江苏大学硕士学位论文 经过多次拉伸后根据成型件的形状误差来反复修模。这时对制造出来的模具和拉伸 成型件进行轮廓形状误差分析，将模具的检测结果反馈到模具设计和制造过程修正 模具；或将拉伸成型件的检测结果反馈到冲压工艺过程修改工艺，经过几个循环就 可以获得优化后的精确加工工艺文件。 ( 2 ) 在注塑成型试模中的应用 对于像汽车仪表板、保险杠等大型复杂注塑类零件在注塑成形时，由于收缩不 均产生不均匀分布的拉压应力等原因造成注塑后的成型件翘曲变形或尺寸不合格 等。因此需要对这类成型件进行轮廓形状误差数字化检测获得误差结果。并根据误 差结果对注塑工艺、模具等相关部位的形状尺寸和成型产品设计等做相应调整。 ( 3 ) 在零件受力变形检测中的应用 一 图i - 3车门板受力变形分析叫图1 4 车门配合缝隙检测 6 7 1 车门装配过程中，车门和侧围形状误差使得关闭车门时配合间隙不均匀，导致 关门力过大。这样间隙小或者间隙为零的部位在关闭车门时受到的不均匀接触应 力。这种不均匀的接触应力使得车门发生弹性甚至塑性变形，在长期使用过程中会 发生严重磨损、产生噪声等。这严重影响轿车的美观和使用性能。对此可用曲面误 差数字化分析方法检测出车门关闭后的形状变形，根据检测误差结果进行车门和侧 围制造工艺改进提高轿车质量，如图1 3 车门外板变形分析。 ( 4 ) 配合间隙检测中的应用 m 。一在车门和侧围配合间隙的测量中，由于车门和侧围装配后狭小的配合间隙使得 坐标测量机测头无法伸入。因此无法准确检测整个配合面上的间距误差，只能用游 标卡尺粗略的测量有限的几个配合截面。为此首先用坐标测量机采集车门的实际轮 廓形状，然后以车门的安装铰链为基准将车 - j n 量点云坐标数据变换到侧围c a d 模型坐标系下，然后计算车门测量点云到侧围c a d 模型的法向距离，即车门的配 合间隙。如图i - 4 车门配合间隙检测可以准确地检测整个配合面上的间距误差。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 在焊接变形检测中的应用 零件焊接特别是像汽车外覆盖件等薄板焊接过程中，由于焊接而局部大量受 热。受热不均导致板件产生不均匀的热应力，冷却后为了平衡，板件发生翘曲变形， 使得最终装配无法进行。为此可进行焊接变形误差检测，根据变形情况调整焊接工 艺，使得板件焊接满足设计要求。 ( 6 ) 在模具修复中的应用 模具长时间使用后磨损，如果继续进行冲压或者注塑，那么得到的成型零件将 产生尺寸形状误差，无法满足设计要求。因此需要对磨损部位要进行补修、打磨等 处理。但是运用普通的样板进行磨损部位及其磨损量检测，需要制作样板。其成本 高、周期长、而且精度低。为此利用曲面轮廓形状误差的数字化分析方法检测磨损 部位和磨损量，然后根据检测结果进行手工补焊、数控加工、打磨等模具修复工作。 ( 7 ) 在成型件批量生产加工误差原因分析中的应用 在成型件的大批量加工阶段，需要进行生产过程监控和质量保证以提高成型件 的质量。传统的过程监控和质量保证方案是对产品进行抽样检测，因此可能造成抛 弃合格产品和接受次品两类统计推断错误，抛弃合格产品导致人力、物力、财力的 极大浪费；而接受次品，零件的缺陷可能会在最终装配阶段产生间隙、重叠、无法 配合等或者整个机器系统的性能达不到要求。目前光学坐标测量机o c m m ( 如 a t o s & t r i t o p 系统等) 已广泛应用于工业生产中，与c m m 测量未知曲面相比，其 检测过程非常简单、效率高、检测点多。测量前只需要标定过程，测量时可获得大 量的高密度点。使用c m m 测量点检测数据少，不足以全面反映曲面之间的偏差， 在验证自由曲面的精度方面不能令人信服。尽管a t o s & t f i t o p 等o c m m 系统测量 精度低于c m m ，但能提供比c m m 多得多的数据参与模型对齐和比较计算。因此 检测结果的可信度更高、速度快、能够实现零件1 0 0 检测。 根据误差数字化分析方法检测出零件的误差结果，运用数理统计思想通过持续 改进指标c i i 值来判断加工质量是否稳定；如果不稳定则运用相关性分析法，用相 关系数表示影响误差的各个因素间的相关性关系；对一组多个零件运用主成分分析 法分析各主成分误差占总误差的百分比，根据百分比寻找产生总误差的主要原因来 调整生产工艺、工装改进、模具优化等控制成型件生产质量。误差数字化分析的结 果用于指导生产可以做到有的放矢，大大节约误差诊断和控制周期。 ( 8 ) 在零件仿制精度、修复精度检测中的应用 对于以零件仿制、修复为目的的反向工程，其原型件和复制件( 修复件) 之间 7 江苏大学硕士学位论文 的定量比较历来为人们所关注。对此问题，可以按照曲面误差数字化分析方法，首 先采集仿制件、修复件轮廓形状点云数据，然后将得到点云坐标数据对齐变换到原 始零件c a d 模型上，最后计算并显示误差结果。将误差分析结果用于零件修复等。 ( 9 ) 在受热变形测量中的应用 零件在使用过程中由于受热不平衡而产生内应力。但零件自身为了保持应力的 平衡，便使零件形状发生弹塑性变形。这将影响到零件的配合，甚至外观质量。为 此对零件的变形测量也成为误差数字化分析的一个重要内容。例如图1 5 中，轿车 发动机在长时间运行过程中产生大量的热。因散热系统设计不合理或其他原因使热 量不能及时散出。这种不均匀的受热会使得发动机盖、前围板等产生不均匀的热应 力而发生变形。因此对相关部件进行热变形检测，为设计部门提供散热系统结构、 工艺改进设计依据。图1 - 6 、1 - 1 也是热变形误差的测量。 图1 - 5 基于参考点的熟变形分析9 可图1 - 6 门内板热变形分析【b 日 图1 7 车顶热载变形分析嘲 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 论文选题背景、研究现状和研究内容 1 4 1 论文选题背景 随着现代工业的迅速发展，消费者对产品质量的要求越来越高，产品功能上的 需求已不再是赢得市场的唯一条件。产品不仅要具备先进的功能，还要有流畅、富 有个性的外观造型吸引消费者。流畅、富有个性的产品外观造型必然要求产品外观 由复杂的自由曲面及其各种标准睦面混合组成。这类曲面产品运用现成的c a d c a m 软件如c a t i a 、u g 、p r o e 及逆向工程软件i m a g e w a r e 等完成产品设计与加工的几 乎没有任何问题。但是加工后曲面是否满足设计要求呢? 传统的检验方法是模板 法、仿形法等检测方法。这种落后的检测方法很难适应目前曲面高精度检测的要求。 其不足之处表现为： ( 1 ) 传统的模板、样板等检具只能定性检测、定性描述自由曲面，不能给出 具体的误差数值大小，手段落后，且检测精度不高； ( 2 ) 模板评价需要人的主观参与，评定结果因人而异： ( 3 ) 需要专门制作模板，周期长，成本高，检测时间长，严重影响现代市场 缩短产品开发周期的要求； ( 4 ) 模板检测实际上只是控制参数曲面上若干个截面曲线的形状误差，有限个 截面曲线并不能百分之百地表征整张曲面的形状误差，严格来讲不符合轮廓度误差 的定义； ( 5 ) 手工操作的模板检测难以与自动控制系统、质量管理系统进行信息交流； ( 6 ) 和先进的c a d c a e c a m 系统差距甚远，无法集成。 本文研究曲面轮廓形状误差的数字化分析，从检测原理上改变了传统曲面误差 检测方法上的先天性不足。这对曲面误差的检测甚至对机械制造业信息化的发展举 足轻重。 ( 1 ) 当今产品设计中功能型自由曲面应用甚为广泛，迫切需要曲面高精度检 测技术以提高曲面加工质量。 由各类曲面混合表示的复杂曲面零件在航空航天、汽车及各类模具中应用极为 广泛。这类零件的尺寸、轮廓形状和位置精度对正确实现零件功能至关重要。功能 型自由曲面的加工制造对高精度设计、制造和检测提出了更为严格的要求。但是传 统的自由曲面检测手段很难进行精密、定性而高效的误差检测分析。目前自由曲面 加工技术取得了显著进展，但自由曲面的检测仍是个难题。以模具为例，与先进的 9 江苏大学硕士学位论文 c a m 相比，模具制造的检测和质量保证一直是一个自动化程度很低的过程。检测操 作占制造主导时间的一大部分，这已成为生产线中严重的制约瓶颈。 ( 2 ) 瞌面误差数字化分析方法从根本上提高了自由曲面零件的检测精度和检测 效率，能够满足精密加工的复杂曲面高精度检测的要求，具有实用价值。与传统测 量的主要区别是它产生被测零件的表面点坐标而不是测量几何尺寸。获取数字化表 面形状点坐标后，就可通过数值分析( 比如最小二乘法等) 检查零件误差的细节。这 种利用空间点坐标信息分析几何形状误差的方法称为“误差数字化分析”。 ( 3 ) 在模具制造中，小批量、复杂轮廓表面的加工与测量技术水平已成为一 个国家科技水平的标志之一。 ( 4 ) 曲面轮廓形状误差数字化分析有利于检测系统和先进的c a d c a e c a m 系 统、自动控制系统和质量信息管理系统实现有效集成实现设计、制造、检测封闭方 式循环。 ( 5 ) 曲面轮廓形状误差数字化分析是计算机集成制造系统( c i m s ) 的重要组成 部分。 2 1 世纪要求高质量、低成本的产品，并且要对各种不同的要求做出快速的反应。 制造技术的发展趋于集成化、虚拟化、网络化、异地化；并出现了并行工程、精益 生产、敏捷制造及其c i m s 等多种生产模式。因此，研究基于逆向工程的曲面误差 数字化分析意义重大。 1 4 2 曲面形状误差数字化检测国内外研究现状 总的来说关于曲面轮廓形状误差数字化分析的研究主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 曲面形状数据采样 主要集中在型面采样数据点数量的确定【4 1 、基于c a d 模型的测量数据点的自适 应分布、测量路径的优化嘲、基于i c p 算法的多视点云的拼和技术 6 1 、三坐标测量 机测量路径自动生成【刀。四川大学李耀东嘲等人针对曲面设计和加工特点提出自由 益面检测建模方法，指出检测点数量的确定与加工设备的精度、检测的置信度和自 由曲面的面积大小有关系有关。检测点的分布则应综合考虑曲率变化情况和测量网 格的制约关系。西安交通大学高国军【9 】等提出按照加工能力及规定的公差范围确定 检测点数量按曲率及预报的加工误差确定自由曲面上检测点的分布，使检测点的分 布更为合理，并在检测路径仿真中引入虚形体的概念。美国福特汽车公司的梁任和 密执安大学的伍正详【lo 】根据数论、序列和误差理论对坐标测量机抽样点数、抽样点 的最优分布与精度关系提出了相关算法，并进行实验得到理想效果。德国g o m 公 1 0 江苏大学硕士学位论文 司的a t o s & t r i t o p 系统是非接触式激光测量的典型代表，为快速获得零件高密度点 云、快速检测等提供了很大的方便，从而实现生产线上零件1 0 0 检测。k w a n h l e e 和h y u n - p u n gp a r k t h l 等人研究了激光扫描测量自动检测规划。k c f a n t 投l 研究了在 c n c 坐标测量机上开发自由曲面轮廓非接触式自动测量系统及其c a d c a m 系统 的集成等相关问题。南洋理工大学s z l i ”】提出了哇b 面自适应采样和自适应网格产 生方法。其中对附加边界状态等问题进行了重点研究。m e n qc h i a h s i a n g ，y a n h o n g t z o n g ，l a ig w a n y w a n 1 4 1 等人提出以c a d 模型确定扫描方向进行自由曲面精确 测量。 ( 2 ) 对齐定位 主要集中在基于k r i s t j a n 法扩展的牛顿迭代法的曲面检测问题中的采样点和 设计模型匹配问题、基于最小二乘法、牛顿迭代法、遗传算法、i c p 算法等的测量 点云和原始设计c a d 模型的最优匹配定位及其优化。湖北工学院张业鹏i 博1 提出通过 几何特征来进行无定位基准的空间自由曲面的对齐算法。同济大学万德安【1 9 】把三坐 一标测量技术应用于轿车车门变形的测量中，通过对车门板截面位置测量值的数学统 计分析，成功的评价了车门质量。m i h a i l or i s t i c 和d j o r d j eb m j i c 【2 0 1 等人采用i c p 算法对n u r b s 几何的定位问题进行了深入研究。d a n i e l h u b e r 和m a r t i a lh e b e r t z 1 1 针对多视三维点云坐标数据手工对齐的不足提出全自动对齐方法。浙江大学生产工 程研究所的李剑但】等针对复杂曲面零件检测过程中难以准确定位和效率低的问题 提出自由曲面零件寻位自适应检测，解决了曲面零件的自动寻位、测量点的自适应 生成和基于寻位信息的位置自适应检测控制等问题，并进行了仿真验证，得到预期 效果。 ( 3 ) 误差计算 主要集中在基于遗传算法的复杂曲面形状误差计掣翻、基于微分几何的活动坐 标以及邻近结构理论的测量点到理想轮廓的统一形式的距离函数建立的复杂轮廓 度误差最小条件评定的模型等等。清华大学王旭蕴阱】针对坐标测量机上进行轮廓 测量提出对曲面轮廓的数学描述方法，引入矢量积运算对实际轮廓进行法向评定来 实现复杂曲面轮廓误差的精密检测。k k 髓e w 肛5 】等人提出自由曲面形状误差的局部 和整体评定方法。局部评定方法使用曲面实测数据和c a d 数据的曲率变化进行； 而整体评定方法通过合成曲面部分法向矢量进行。a w l 2 6 利用三维扫描技术和逆 向工程技术研究快速响应产品的质量控制。主要研究将三维扫描技术、逆向工程技 术和快速原型技术的集成用于产品制造过程中，快速响应产品的整个质量控制过 江苏大学硕士学位论文 程。通过三维扫描数据、逆向工程技术与快速原型的结合实现零件的几何形状快速 地测量、加工等。详细的误差检测报告能够快速响应产品的整个质量控制。t i m o t h y w e b e r 2 7 1 等人利用线性逼近技术研究形状误差计算，实现任何形状零件形状误差的 统一评定。华中科技大学王伏林t 2 a l 等人分析了由理论轮廓节点到被测轮廓节点的 偏差计算表面轮廓误差和由被测轮廓节点到理论轮廓节点的偏差计算曲面误差两 种通用轮廓误差评定模型在数字化齿面加工轮廓误差评定方面的应用为数字化曲 面加工误差的精确评定和误差补偿提供理论基础和数值依据。北京航空航天大学方 芳网等通过工业c t 测量的离散点云坐标数据与产品设计模型进行配准研究产品制 造误差数字化检测方法。上海大众汽车有限公司朱正德【3 0 铡用三坐标测量机的矢量 检测功能进行自由曲面的误差检测，取得了良好的效果。 ”一 1 4 3 本文研究内容 本文在逆向工程和误差检测理论的基础上，利用c 删( 三坐标测量机) 和 a t o s & t r i t o p 三维光学扫描系统测量工具，分别在逆向工程软件i m a g e w a r e 和 a t o s & t r i t o p 软件环境中进行误差计算、分析和显示。根据分析结果( 色码图) 或 统计超差报告进行模具调整、夹具调整或制造工艺调整、生产方式调整等。本文研 究的重点内容是曲面轮廓数据采样和采样数据处理、采样点云坐标数据向设计c a d 模型的对齐变换、误差的数字化分析等，难点是采样点云坐标数据向c a d 设计模型 的对齐变换。 本课题研究的主要内容如下； ( 1 ) 曲面轮廓形状数据采样； ( 2 ) 传统的曲面轮廓形状误差检测； ( 3 ) 采样点云坐标数据向c a d 设计模型的对齐变换； ( 4 ) 曲面轮廓形状误差数字化分析； ( 5 ) 汽车外覆盖件、发动机气道、涡轮叶片等曲面误差数字化分析。 江苏大学硕士学位论文 第二章曲面轮廓形状的数据采样 2 1引言 基于坐标法的曲面轮廓形状数据采样是指利用特定的测量设备和测量方法通 过获取零件轮廓表面上一系列离散点的几何坐标来提取样件曲面轮廓形状信息的 过程。测量获得的数据点准确与否，影响两曲面的对齐变换及最终的误差分析精度。 因而高效、精密地实现样件轮廓形状的数据采集是实现曲面轮廓形状误差数字化检 测的关键技术之一。 用来采样样件表面轮廓形状的测量设备和方法各种各样，其原理也各不相同。 因此测量方法的选用是轮廓误差数字化检测的一个重要问题。不同的测量方式不但 决定了测量本身的精度、速度和经济性，还使得测量数据类型不同，以及后续处理 方式不同。根据测量探头是否和零件表面接触，轮廓形状数据采样可分为接触式数 据采样和非接触式数据采样两大类。根据测头的不同接触方式又可分为触发式和连 续式；非接触式按其原理可分为光学式和非光学式。非光学式采样包括c t 、声波 和电磁。轮廓形状数据采样方法分类见图2 1 。 垃 发 式 曲面轮醇彤袄数据采样 接 麓 式 靠 接 齄 式 篓ff 订 声ii 电 城ii 磁 崮剖引剖国斟剖 ” 图2 - 1曲面轮廓形状数据采样方法分类 2 2 采样数据的类型 点云是通过各种数字化设备采样得到的大量离散点坐标数据。根据使用测量设 备的不同原理，点云分为散乱数据点、删格数据点、扫描线数据点和等高线数据点 江苏大学硕士学位论文 等类型，如图2 - 2 所示： ( 1 ) 散乱数据点：测量点之间没有任何规则，如图2 - 2 ( a ) ； ：f ：il 。 1 。- 。 ( a ) 散乱数据点( b ) 橱格数据点( c ) 扫描线数据点( d ) 等值线数据点 图2 - 2 采样数据点类型 ( 2 ) 栅格数据点：测量点在测量平面上以等距栅格状分布，如图2 - 2 ( b ) ： ( 3 ) 扫描线数据点：为了重构的需要，在一些区域专门测量一些脊线，作为 曲面重构的依据，这些测量数据就是扫描线数据，如图2 - 2 ( c ) ； ( 4 ) 等值线数据点：c t 和层析式测量设备的测量结果多为等值线数据，如图 2 2 ( d ) 。 2 3 被测零件的c a d 模型 被测零件c a d 模型不单是自动检测规划的出发基础，还是测量结果评价的基准。 国际标准化组织( i s o ) 1 9 9 1 年颁布的关于工业产品数据交换的s t e p 国际标准，将 n u r b s ( n o n - u n i f o r mr a t i o n a lb - s p l i n e ) 方法作为定义工业产品几何形状的标准 数学描述方法。从而n u r b s 方法便成为蓝面造型技术发展的基础。现在大部分商用 c a d c a m c 姗软件系统( 如p r o e 、u g 、c a t i a 等软件) 也都是基于n u r b s 方法表示 的矩形域四边曲面。 1 、n u r b s ( 非均匀有理b 样条) 曲面的特点： ( 1 ) 用n u r b s 生成的曲面不但能满足渲染所需要的精度要求，又能满足机械 设计、机械加工所要求的精度要求，而多面体建模只能满足渲染的要求； ( 2 ) 由于n u r b s 在数学表达方面比较简单，所以对计算机的要求不是十分苛 一，刻，其核心模块可以广泛用于各种软件平台； ， 。 。一 ( 3 ) 由于n u r b s 曲面精度较高，所以它易于转换为多面体模型，以便于渲染 及虚拟演示： ( 4 ) 易于提高或降低曲面的精度，解决计算机运算速度与曲面精度之间的矛 盾。 2 、n u r b s 曲面的定义 1 4 厂；。 江苏大学硕士学位论文 曲面c a d 模型近年来被广泛用于产品几何造型的描述。无论一个多么复杂曲面 c a d 模型都可看成是由两种或多种单一曲面片组合而成。任何一个单一曲面片都可 由n u r b s 精确表示为d 1 】： n ( hv ) ：圣二圣丛坐型些! 盟 ( 2 _ 1 ) 二二。m ，( “) 一。( v 式( 2 1 ) 中，j 是控制顶点的位置参数，吃是控制多边形顶点，m 。是与控制 顶点相应的权因子， ，( 甜) 和j 。( v ) 分别是1 1 向p 阶和v 向q 阶正交b 样条基函数， 它定义在节点矢量【厂= 珥r ，f ，疗+ p + 1 ) 和v = m r ，_ ，脚+ g + l 上。 曲面片的组合可以得到复杂的表面形状。同时通过选取合适的公式和边界条件 可以保留曲面上孔、槽等信息。由于表面c a d 模型含有曲面片的公式描述，因此在 其基础上容易实现c m m 检测路径、数据对齐变换、测量点云同c a d 模型的误差比较 分析以及数控加工自动编程等工作。 2 4 接触式数据采样 2 4 1 接触式数据采样方法 ( 1 ) 触发式数据采样 采用触发式数据采样测量，当探针刚好接触到模型表面时，探针尖的微小移动 便会触发采样头的开关，使数据采样系统记下探针尖( 测球中