（机械制造及其自动化专业论文）基于逆向工程的复杂铸件的质量检测.pdf

、iu，f r e r t a t i 。ni n 僵e c h a n i c a l 僵a n u f j a c t u i n g a u t 。m a t i 。n 7箜明鳓彩8锄绕4342：；|； t h e i n s p e c t i o no fq u a l i t yo fc o m p l i c a t e d l u m e nb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g b yd ul i j i e s u p e r v i s o r ：v i c e - p r o f e s s o rl i up i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 _ 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：亡巴 思0 学位论文作者签名： 杜衍杰、 日 期： 7 渺8 2 乙7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期 - j 1 东北大学硕士学位论文 摘要 基于逆向工程的复杂铸件的质量检测 摘要 随着科学技术的迅猛发展和制造水平的不断提高，人们对复杂结构和曲面零件的精 度要求越来越高。但是由于此类零件形状复杂，用传统的检具检验难度大，检测精度不 高，那么，如何采用有效的检测方法取代传统的检测工具，提高曲面零件的检测精度便 成为了实际中亟待解决的问题。 本文在研究有关逆向工程应用技术的基础上，充分分析研究了将逆向工程技术应用 于结构复杂的产品的质量检测的可行性，最终提出了基于逆向工程技术的复杂结构产品 的质量检测方法，实现产品检测手段的数字化、可视化、自动化，以解决传统测量手段 耗时长，检测难，成本高等问题。在本文中，以复杂铸件为主要研究对象，对产品质量 检测过程中的测量误差，数据处理误差和数模匹配误差的产生原因进行了深入的分析， 并提出了相应的解决办法，并采用了不同的检测方式实现了产品质量的最终检测，并把 结果反馈到生产实际中。 本文在对逆向工程的应用及基本原理进行深入分析的基础上，根据实际产品数据获 取的方法不同和所获取的数据的类型不同，研究了基于逆向工程的复杂铸件的质量检测 的关键技术，对逆向工程中点云数据获取，数据输入，数据预处理等一系列关键技术都 进行了详细地阐述，提出了采用非接触式测量获得产品表面数字化信息的方法，以解决 检测过程中测量误差对检测结果的影响。在重点研究散乱“点云 数据的“去噪一、精 简等关键技术的基础上，针对本课题研究对象提出了人机交互的去噪算法和随机采样和 曲率采样相混合的数据精简算法，解决了检测过程中数据处理误差对检测结果的影响。 在对误差检测理论及现行的形位误差检测技术进行深入分析的基础上，提出了将逆 向工程技术应用于复杂零件的数字化检测的方法。通过建立精确的曲面匹配，将影响测 量结果的数模对齐误差控制在检测要求的范围内，然后采用不同的方法实现了原型件与 复杂零件在逆向工程软件g e o m a g i e 中的形位误差比较，达到检测产品制造质量的目的。 最终得出检测报告，并将检测结果反馈到产品制造过程，通过对检测结果的分析，找出 产生误差的原因。该方法提高了复杂曲面零件的检测精度和检测效率，能够满足精密加 工的复杂零部件高精度检测的要求，具有实用价值，对于实现产品在线检测的自动化、 柔性化、数字化具有重要的参考价值。 关键词：逆向工程；质量检测；数据精简；曲面匹配；g e o m a g i e ：误差分析 i i - 1 _ 一 - x 僚 人 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n s p e c t i o no fq u a l i t yo fc o m p l i c a t e dl u m e nb a s e do n r e v e r s ee n g i n e e r i n g a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r e ，t h ep r e c i s i o n o fi n s p e c t i o ni nc o m p l i c a t e da c c e s s o r ya r ee n h a n c i n gg r a d u a l l y b u tj u s tb e c a u s et h e c o m p l i c a t e da c c e s s o r ya r ec o m p l e x i t y , u s i n gt r a d i t i o n a lt o o l st oi n s p e c ti sd i f f i c u l ta n d n o te x a c t i t u d e h o wt ou s ea n o t h e re f f e c t i v em e t h o dt or e p l a c et r a d i t i o n g a lw a ye v a l u a t e i n s p e c t i n gp r e c i s i o ni su r g e n tp r o b l e mt ob es o v e d o nr e s e a r c h i n go ft h er e c e r s ee n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o do f i n s p e c t i n gt h eq u a l i t yo ft h ec o m p l i c a t ea c c e s s o r yb a s e do n3 ds c a n n i n gt e c h n o l o g y i n v i r t u eo ft h em e t h o d ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ep r o c e s so fi n s p e c t i o nf o rt h ec o m p l i c a t e d p a r t se f f e c t i v e l ya n de c o n o m i c a l l yi nd i g i t a l i z a t i o na n dv i s u a l i z a t i o n t h i sp a p e rh a sa n a l y s i s e dt h ef u n d a m e n t a la 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 g ， s t u d i e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n go fc o m p l i c a t e da c c e s s o r y , p a r t i c u l a r l y e x p a t i a t e das e r i e so fr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ：i n s p e c t i o nd a t ao b t a i n ，d a t a i n p u t ，d a t ap r e t r e a t m e n t , e t c p r o v i d et h e o r ya n do p r a t et e c h n o l o g yb a s e m e n tf o ra p p l y i n g r e v e r s ee n g i n e e r i n gt ot h ei n s p e c t i o no f c o m p l i c a t e da c c e s s o r y b a s e do nt h es t u d yo ft h et h e o r yo fe n o ri n s p e c t i o na n dt h et e c h n o l o g yo fa c t u a l f o r mi n s p e c t i o n , a u t h o rp r o p o s et h a ta p p l yr e v e r s ee n g i n e e r i n gt ot h ed i g i t a li n s p e c t i o n o fc o m p l i c a t ep a r t s ，e s t a b l i s he x a c t l ys u r f a c em a t c h i n g ，s t u d yd i g i t i z e dc h e c kt e c h n o l o g y o fm a c h i n e dp a r t sw i t l lg e o m a g i cs o f t w a r ea n dc a t i as o f t w a r ea n dg i v e st h em e t h o d s h o wt oa p p l yd i g i t i z e dc h e c kt e c h n o l o g yi n t os o m et y p i c a lm a c h i n e dp a r t s ，t oi n s p e c tt h e q u a l i t yo fs t a m p i n gp a r t ，a n a l y s i st h ei n s p e c t i o nd a t a , f i n dt h eu t i m a t et e a s o no fq u a l i t y f l u c t u a t ea p p e a r e d t h em e t h o d sh a v ep r a t i c a lv a l u eb e c a u s eo fh i g h e rp r e c i s i o na n d h i g h e rs p e e dc h e c k ，w h i c hi sd i f f i c u l tf o rt h ec o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n d r e f e r e n c ev a l u et oa u t o m a t i o n ，f l e c i b i l i t ya n dd i g i t i z eo fi n s i t um e a s u r e m e n t 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 ；q u a l i t yc h e c k ；f e a t h e re x t r a c t i o n ；s u r f a c em a t c h i n g ； g e o m a g i c ；e r r o ra n a l y s i s i i i i 墨 余 卜 1 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 于葡要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 本论文课题提出的背景1 1 1 1 产品的质量检测及检测内容。l 1 1 2 传统的产品质量检测方法及弊端。3 1 1 3 逆向工程技术应用于产品质量检测的意义4 1 2 国内外逆向工程技术研究现状及文献综述5 1 3 本论文课题的研究内容与技术路线7 1 3 1 本课题论文的研究内容7 1 3 2 本课题论文的技术路线7 第2 章基于逆向工程的质量检测原理8 2 1 逆向工程定义8 2 2 逆向工程在实际生产中的应用1 0 2 3 基于逆向工程的产品质量检测工作流程1 0 2 4 基于逆向工程产品质量检测的误差分析1 2 2 4 1 测量精度的研究1 2 2 4 2 基于逆向工程的产品质量检测的误差分析1 3 第3 章逆向工程中的测量技术1 5 3 1 接触式测量方法。1 5 3 1 1 接触式测量概述1 5 3 1 2 接触式测量的优点1 6 3 1 3 接触式测量的缺点1 6 3 2 非接触式测量方法1 7 3 2 1 非接触式测量概述1 7 3 2 2 非接触式测量优点2 0 3 2 2 非接触式测量缺点2 0 3 3 数据获取实例：航空件的数据获取2 l 3 3 1 本课题所采用的测量设备简介2 1 3 3 2 获取数据时应注意的问题2 3 3 3 2 数据获取步骤2 3 第4 章基于逆向工程产品质量检测的海量数据处理技术研究2 5 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 4 1g e o m a g i c 软件简介2 5 4 2 原始数据评估与预显示2 7 4 2 1 点云数据信息评估2 7 4 2 2 点云资料的预显示2 8 4 3 多视数据对齐定位2 8 4 4 去除噪声点2 9 4 4 1 、噪声判别原则2 9 4 4 2 、噪声点判断3 0 4 4 3 噪声点去除3 1 4 4 3 1 常用的有序点云去噪算法3 1 4 4 3 2 散乱点云的去噪方法3 2 4 5 数据精简3 4 4 5 1 点云精简算法评价3 4 4 5 2 数据精简算法分类及比较一3 4 4 5 2 1 扫描线数据点云的简化3 5 4 5 2 2 散乱数据点云简化3 7 4 6 基于曲率精简的混合精简法4 0 4 6 1随机精简4 1 4 6 2 曲率精简4 1 4 6 3 混合精简4 2 4 6 4 实验数据和应用效果4 3 4 7 现有逆向软件中数据简化功能4 4 4 7 1i m a g e w a r e 中的数据简化功能4 4 4 7 2g e o m a g i c 中的数据简化功能4 5 4 7 3c a t i a 中的数据简化功能4 5 4 8 现有算法的实现及算法比较4 6 4 8 1 现有算法的实现4 6 4 8 2 各方法的误差分析4 6 第5 章曲面零件误差数字化检测技术4 8 5 1g e o m a g i cq u a l i f y 简介4 8 5 2 误差4 9 5 3 检测技术5 0 5 3 1 检钡9 5 l 5 3 2 检测基准5 1 5 3 3 检测原则5 l 5 4 基于逆向工程的质量检测的曲面匹配技术的研究5 2 5 4 1曲面匹配方法的研究5 3 一v 一 卜 卜 i 4 东北大学硕士学位论文目录 5 4 2g e o m a g i cq u a l i f y 中的曲面匹配的研究5 4 5 5 复杂零件误差检测方法的研究5 7 5 6 复杂零件误差检测方法应用举例5 9 5 6 1 三维直接比较法5 9 5 6 2 边缘误差检查法6 3 5 6 3 二维截面误差检测法6 3 5 6 4 逆向工程中曲面轮廓度检测法6 4 5 6 5 关键数据点检测法6 5 5 7 检测过程中尺寸精度的控制。6 5 5 7 1 测量过程中的尺寸精度6 5 5 7 2 数据处理过程中产生的误差。6 6 5 7 3 由数模对齐产生的误差6 6 5 7 4 总体误差6 6 第6 章结论6 7 参考文献6 8 致谢7 1 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本论文课题提出的背景 1 9 9 4 年，美国著名的质量管理专家朱兰( j m j u r a n ) 在美国质量管理学会年会上指出： 2 0 世纪以“生产力的世纪载入史册，未来的2 1 世纪将是“质量的世纪 1 1 】。 在市场经济中，无论国际市场还是国内市场，到处都充满着国家之间、公司之间、 厂商之间的激烈竞争与角逐。影响市场竞争胜负的因素有很多，其中心问题则是产品的 质量。产品质量是一个国家文化、经济、教育、科技和管理水平的综合反映，是一个民 族物质文明的象征，是一个企业综合实力的具体体现，也是衡量一个国家经济实力和左 右一个国家政治地位的重要因素。树立全民意识、努力提高产品质量，已成为我国经济 发展中的战略问题，已成为影响国民经济和对外贸易发展的关键因素1 2 。只有高质量的 产品才能持久的进入市场，这一事实已为世界工业发达国家和众多企业的兴衰史证明。 随着我国改革开放的深入，与国际上的经济交往日益频繁，人们的生活水平不断提 高，对产品不断提出新的要求。主要表现在：由原来的重视价廉转变为更重视物美而且 要求使用、维修方便，服务周到等。因此，产品质量已成为当前企业经营中的主要因素。 这也是当今世界企业生存和发展的趋势【3 】。随着这种趋势的发展，不断提高质量以获得 和保持良好的经济效益的认识在不断加深，价格已不再是决定竞争能力的唯一因素，恰 到好处的质量和适中的价格才是用户追求的。所以说，质量是企业的生命，是企业竞争 的主要手段，是提高企业经济效益的重要条件【4 】。企业为了生存和发展，为了在国际贸 易中有立足之地，必须提供强有力的产品质量保证。 那么，一个优质产品的诞生，离不开良好的设计、合格的原材料、科学的生产销售 及良好的售后服务等等。但这些都与检测密切相关。检测对于产品质量有着举足轻重的 作用【5 】，尤其是在工业生产过程中，检测技术是进行质量管理的重要组成部分，是贯彻 质量标准的技术保证【6 j 。 1 1 1 产品的质量检测及检测内容 检测就是将被测参数的量值与作为单位的标准量进行比较，比较出的倍数即为测量 结果：或者分辨出被测参数所列属的范围，以此来判别被测参数合格与否。零件加工后， 其几何量需要加以测量或检验，以确定它们是否符合设计要求。就形位误差来说，检测 就是将实际被测要素与其理想被测要素相比较，以确定它们之间的差别，根据这些差别 ( 实际被测要素对其理论被测要素的变动量) 来评定形位误差的大小。利用适宜的量具 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 或量仪，按照正确的测量方法，测出实际零件所存在的形位误差值的大小，用以评定零 件加工的形状和位置精度，并判定是否符合图样要求的过程，这就是通常所说的形位误 差检测。 生产过程的检测技术，作为现代制造技术中的重要组成部分，不但能够准确的判断 产品生产过程各环节中一系列质量性能指标和工艺技术参数是否已经达到设计的要求， 即产品是否合格，而且更重要的是，通过对检测数据的分析处理，能够正确判断这些性 能指标和技术参数失控的状况和产生的原因。这一方面可以通过检测设备的信息反馈， 对工艺设备进行及时的调整来消除失控现象；另一方面也为产品设计和工艺设计部门采 取有效的改进措施消除失控现象，提供可靠的科学依据，从而达到保证产品质量和稳定 生产过程的目的。这就是通常所说的，检测技术对产品质量和稳定生产所起的“能动的 反作用。因此，检测的任务不仅是对产品的检验和测量，而是检查、监督和控制某个 生产过程或运动对象能够处于人们选定的状态。形位误差检测是生产过程中不可缺少的 重要环节，它不仅可以判断零件是否合格，而且还可以通过误差存在的状况，分析误差 产生的原因，便于在生产过程中采取有效措施，提高产品加工精度。 现代机械产品的质量，主要包括工作精度、耐用性、可靠性、效率等【7 1 。一般产品 质量的高低与其几何量的精密程度密切相关。而通俗的讲，几何量精度是指构成零件几 何形体的尺寸、形状和位置精度以及表面粗糙度，即加工后它们的实际值与设计要求的 理论值相一致的程度【8 l 。 几何量的检测是指对零、部件和整机制造完工后进行测量和验收的过程。主要检测 的有：零件几何形体尺寸、形状、位置精度、轮廓度和表面粗糙度( 或加工表面质量) 等。 从机械产品的加工过程来看，几何量的检测是机械产品质量的可靠保证。在机械产 品中，几何量的检测所占比重最大【9 】。几何量检测有以下两个目的：一是对加工后的零 件做出合格性判断，只要测量得到的几何参数的极限偏差( 尺寸) 或公差在设计标准范围 内，则判断为合格，否则为不合格：二是通过检测了解产品质量情况，并对生产过程进 行分析，寻找产生不合格产品的根源，调整加工工艺系统，或者采取有效措施，防止不 合格产品的产生，以保证加工质量，起到主动积极的作用，尤其在自动生产线上，几何 量检测具有重要的意义【9 1 。 从机械工业的发展过程来看，几何量检测技术的发展是与机械加工精度的提高相辅 相成的，加工精度的提高，一方面要求并促进检测器具提高测量精度，另一方面，加工 精度本身也要通过精确的检测来体现和验证。 本课题以复杂铸件为研究对象，采用逆向工程技术，针对目前我国对复杂零件及其 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 模具质量检测存在诸多问题的背景下，在专用逆向工程软件的数据处理和比较功能相结 合的基础上，研究了数字化检测的新技术，并给出了几种典型曲面零件误差数字化检测 的具体方法和实现步骤，该方法成功的解决了传统检具检测精度低、检测成本高的问题， 对于实现机械产品生产在线检测的自动化、柔性化具有重要的指导作用。 1 1 2 传统的产品质量检测方法及弊端 在加工过程中，为了确定零件尺寸、形状等是否达到加工要求，在零件加工后，为 了确定零件是否符合设计要求，都需要通过一定的工具或量具，按照一定的方法来进行 检测。 在传统机械工业生产中，无论对那些具有复杂空间几何形状的大型冲压件、焊接件、 铸件，还是对简单的小型冲压件、机加件，长期以来，专用检验夹具都被作为主要的检 测手段。传统的检测方式一般有： ( 1 ) 采用普通计量器具 它们是有刻线的量具，通过测量可得到被测几何量的实际尺寸。根据该尺寸是否超 越零件极限尺寸，来判断工件尺寸的合格性。如在加工过程中使用的游标卡尺、千分尺、 各种指示表和比较仪等普通计量器具都属于这种方式。 ( 2 ) 采用极限量规 它们是没有刻线的专用测量工具，是按照被测量工件两个极限尺寸制造，用它们与 被测的孔或轴进行比较。虽然得不到被测工件的实际尺寸和形状误差的具体数值，但可 以定性的判断该孔或轴是否合格。这种用于检验零件孔、轴的量规，称为光滑极限量规。 ( 3 ) 直线度误差的测量 直线度误差的测量方法有很多。如用刀口尺、水平仪和桥板、自准直仪和反射镜、 平板和指示器、优质钢丝和测量显微镜等测量。 ( 4 ) 平面度误差的测量 由于任一平面都可以看成由若干条直线组成，因此在平面度误差的测量中，常用若 干个截面的直线度误差来综合反映平面度误差。因此测量直线度误差的仪器和方法，也 能用于测量平面度误差。 ( 5 ) 圆度误差的测量 圆度是零件回转体表面的一项重要的质量指标。在满足被测零件功能要求的前提 下，圆度误差值可以选用不同的评定方法确定。一般有：圆度仪测量、在分度装置上测 量、两点测量法和三点测量法等。 ( 6 ) 制造专用量具测量 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 其原理是从理论上形成需要的复杂运动轨迹，再装上测微仪去与实际工件的轮廓进 行比较测量，描绘出实际轮廓曲线。这种测量装置的专用性强、成本高，如果机构不精 确，产生的误差大。 通过以上的介绍，我们可以看出对不同的产品、遵照不同的要求或标准进行检测就 需要采用不同的检测手段和仪器。但是随着生产力水平和科学技术的迅速发展，特别是 以航空航天为代表的大型工业生产的快速发展，飞机、汽车等工业产品的零件越来越复 杂，对检测的精度和效率提出了越来越高的要求，即都希望用最短的时间和最简单快捷 的方式完成检测的工作任务。 但常用的方法或工具已经满足不了要求了，因为他们的形状不规则且随着不同客户 的要求会做修改，如果仅仅采用常规量具需专门制造相应的专用量具，劳动强度大、效 率低、精度不易保证。即使使用专用量规，也存在制造成本高，使用麻烦，即使是非常熟 练的测量人员也难以获得稳定、精确的测量结果，对复杂零部件的某些部位不能精确检 测，增加生产成本和新产品开发周期等缺点。 1 1 3 逆向工程技术应用于产品质量检测的意义 科学技术的高速发展和科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要 手段。各国都在充分利用别国的科技成就并简易消化吸收与创新，发展自己的新技术。 事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速发展的有效战略措施。但 是要取得最佳技术成果和经济效益，不仅要积极从国外引进先进的技术和装备，而且还 要善于对引进的技术进行深入的研究、吸收、消化和创新，在此基础上开发出合乎本国 国情的先进产品，形成自己的技术体系。 世界各国在经济技术发展中应用逆向工程消化吸收先进技术的经验，给人们以有益 的启示。其中尤以日本对引进技术的消化、吸收与创新的经验，具有典型性。 日本在第二次世界大战结束时，国家经济几乎处于瘫痪状态，1 9 5 0 年国民生产总值 仅为英国的1 2 9 ，法国的1 3 8 ，经济上落后于欧美先进国家- - = 十年【l o l 。但在后来的 3 0 余年中却以惊人的速度一跃而为仅次于美国的世界第二号经济强国，其经济的高速发 展是与善于引进先进技术和进行逆向工程研究分不开的。战后日本把旨在引进国外先进 技术的“吸收性战略 作为坚定不移的国策来推行。1 9 4 5 - 1 9 7 0 年，二十五年中引进国 外先进技术投资6 0 亿美元( 自行研制约需1 8 0 0 - 2 0 0 0 亿美元，是引进投资的3 0 倍) ， 掌握每项技术约需2 3 年( 自行研制需1 2 - 1 5 年，是引进的5 6 倍) 。7 0 年代每年平 均引进2 0 9 1 项技术，在此阶段得到了约2 6 0 0 0 项技术成果。不管是美国、东欧、西欧 甚至是落后国家，凡是先进和适用的技术，日本都积极引进，内容灵活多样。日本在引 4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进技术的同时，十分注意反求工程的研究，对先进技术进行消化、吸收和国产化。引进 技术投资6 0 亿美元，而花1 5 0 亿美元对其进行消化、吸收、改造和国产化。6 0 年代中 期1 6 9 的机械工业研究费用于引进，而6 8 1 用于引进技术的改造。他们的口号是“第 一台引进，第二台国产化，第三台出口。据日本政府推算，成功的技术引进使日本节 省了约2 3 的研究时间和大约9 1 0 的研究费用【l 。 重视逆向工程研究的不仅是日本，其他国家也是如此。当今科学技术日新月异，渗 透到社会的各个领域。已经没有一个国家可以包打天下了。据有关统计资料表明，各国 7 0 以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，正常的途径都是通过逆向工程。 但是目前对于逆向工程的研究主要集中在了点数据处理和点云的曲面拟合等方面， 对其中各环节的精度评价、误差分析以及基于c a d 模型的制造产品的质量检测研究很 少。而基于逆向工程技术的检测方法最大的优点就是能够将被检测对象的表面形状转换 成离散的几何坐标数据，在此基础上实现被检测零件的数字化，获得产品表面特征信息。 通过将得到数据与原型c a d 模型进行比较，可以直观、迅速进行检测，这对于产品检 测将带来极大的方便与快捷。因此，把逆向工程技术应用于基于c a d 模型制造的产品 的质量检测有着广泛的发展空间和研究价值。 此外，逆向工程技术已经发展的相当成熟，与之配套的硬件和软件也有许多，如： 三坐标测量仪、激光扫描仪等；i m a g e w a r e 、g e o m a g i c 、c o p y c a d 、r a p i d f o r m 等逆向 软件。通过借助这些设备和软件所具有的产品扫描，数据处理和产品检测等功能，来完 成对产品的尺寸、形状位置的检测是可以实现的，在工程应用上也是可行的。 基于逆向工程的产品质量检测技术主要有以下几个优点：( 1 ) 通用性强，可实现空 间坐标点的测量，方便的测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；( 2 ) 测量精确可 靠；( 3 ) 可方便的进行数据处理与程序控制，工作效率较高【1 2 】。 因此，本文提出了将逆向工程技术应用于仿制精度的检测。具体操作是将基于逆向 工程的思想，通过扫描获取的点云数据，来得到产品的外观信息并对信息进行相应的数 据处理和分析，之后将原设计c a d 模型与获得的点云数据对比，来分析尺寸和形状误 差，以完成检测的任务。 1 2 国内外逆向工程技术研究现状及文献综述 逆向工程技术是2 0 世纪8 0 年代分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究所以及 美国u v p 公司提出并研制开发成功的。进入2 0 世纪9 0 年代以来，逆向工程技术被放 大到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。 迄今，在国际市场上不仅有许多逆向测量设备，并且出现了多个专用的逆向工程软 一卜 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 件，较具代表性的有e d s 公司的i m a g e w a r e 、r a i n d r o pg e o m a g i c 公司的g e o m a g i c s t u d i o 、p a r a f o r m 公司的p a r a f o r m 、p t c 公司的i c e ms u r f , d e l c a m 公司的c o p yc a d 软件、m d t v 公司的s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、a l i a s w a v e f r o n t 公司的s u r f a c e s t u d i o 以及 m a t e r i a l i s e 公司的3 m a t i c 、m a g i c s 、m i m i c s 等。 在一些流行的c a d c a m 集成系统中也开始集成了类似模块，如u n i g r a h i c s 中的 p o i n t c l o u d 功能、p r o e n g i n e e r i n g 中的p r o s c a m 功能、c i m a t r o n 9 0 中r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等。日本开发了从m 、c t 重构三维实体的软件，英、法等国能将扫描数据 在数控设备上复制，美国开发c t 可视化可转成i g e s 的软件。 与国外相比，国内研究起步晚、经费投入少，限制了高水平研究的开展，创新性的 研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。己知的较早从事逆向工程研究 的单位多为高等院校，较有代表性的有西安交通大学c i m s 中心的面向c m m 的逆向工 程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究；上海交通大学国家工 程模具中心的集成系统和自动建模技术：浙江大学生产工程研究所的基于曲面特征建模 技术；南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和 自动建模方法；华中科技大学的曲面测量与重建和西北工业大学的数据点处理、建模等。 作为新产品开发的重要手段，逆向工程的研究正受到广泛的重视，我国已把逆向工 程作为国家8 6 3 高新技术项目在c i m s 研究中的重要单元技术，进行了深入的研究，一 些重要的国际和国内的学术会议也将逆向工程及相关技术作为一个重要的会议专题，如 g e o m a g i cm o d e l i n ga n dp r i c e s s i n gs e r i e s 、i e e et r a n s a c t i o n so ni m a g ea n a l y s i sa n d m o d e l i n g 、s i g g r a p h 和s p i e 等会议。著名的c a d 杂志也在1 9 9 7 年编发了一个逆向 工程研究专辑。从重要文献和会议情况看，国内外已形成了一批长期从事逆向工程研究 的单位和个人，发表的文章也逐年递增。目前逆向工程已发展为c a d c a m 系统中的一 个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型 和数字化制造等。 国内外的一些专家学者对于逆向工程及形位误差检测的理论与实际应用进行了深 入细致的探讨，研究了测量过程中的自适应分布、测量路径的优化【1 1 , 1 2 ；提出了基于点 的i c p 算法，解决了逆向工程中任意多视点云的拼合问题i l3 】；提出了基于最d , - 乘法、 牛顿迭代法和遗传算法来解决检测问题中的采样测量点与设计模型的匹配问题【1 4 , 1 5 】；运 用微分几何的活动坐标以及临近结构理论，导出测量点到理想轮廓的统一形式的距离函 数，建立复杂轮廓度误差最小条件的模型；根据实物模型的点云，重建其几何和拓扑信 息，并再现特征，实现基于特征的曲面模型重建；提出了基于面域理解的多面体三维重 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 建，该算法适用于平面多面体，通过面域作为中介，容易实现与模型引导方法的融合， 从而扩展n - 次曲面面体的重建：提出了基于神经网络进行曲面重构；针对有序离散点， 提出了二次反算的曲面重构方法；结合测量数据结构的异同，介绍了各种计算机建模技 术，并且指出它们在工程中各自的使用范围。 1 3 本论文课题的研究内容与技术路线 1 3 1 本课题论文的研究内容 本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 逆向工程测量方法、测量原理以及使用设备； ( 2 ) 逆向工程关键技术的研究，主要研究“点云 数据去噪和精简技术； ( 3 ) 以复杂铸件为例，研究点云的获取，运用逆向工程软件g e o m a g i cs t u d i o 和 i m a g e w a r e 对“点云数据进行预处理： ( 4 ) 逆向工程应用于复杂铸件检测中的研究，内容包括数模对齐方法及其原理，以 及数模比较方法等。对于本课题主要是运用逆向检测软件g e o m a g i cq u a l i f y ，将扫描的 点云与其三维数学模型进行匹配，检测其是否在公差范围内。 1 3 2 本课题论文的技术路线 ( 1 ) 机械零件曲面数字化扫描测量的技术路线 分析被测零件的情况，明确需要检测的部位或结构，考虑是否会有测量死角，确定 所使用的测量探头，将零件固定在夹具上或安放在测量平台上。确定扫描测量时的区域。 调节相关的参数，预览激光束于待测物表面所形成之曲线的效果情况。 ( 2 ) “点云数据的预处理研究的技术路线 首先采取合适的方法对多视“点云进行对齐定位；其次采取合适的方法对点云进 行去噪处理，基于本课题的研究对象，拟采用人机交互的方法对点云进行去噪；最后对 该海量无序“点云进行精简处理，提高产品的质量检测速率，本文提出采用基于曲率 精简和随即精简相结合的方法对点云进行精简处理。 ( 3 ) 机械零件曲面质量检测技术路线 首先研究目前各种数模对齐方法及其工作原理，基于本课题研究对象，最后拟采用 最佳匹配法，实现“点云 数据与零件标准模型的对齐；其次对于各种检测方法进行了 研究，并对每种比较方法进行了对比研究。 7 一 东北大学硕士学位论文第2 章基于逆向工程的质量检测原理 第2 章基于逆向工程的质量检测原理 作为产品设计制造的一种手段，在2 0 世纪9 0 年代初，逆向工程技术开始引起各国 工业界和学术界的高度重视【1 6 l 。从此以后，有关逆向工程技术的研究和应用就一直受到 政府、企业和个人的关注，特别是随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用 c a d c a m 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向，以及产品质量的检测，使得逆 向工程成为c a d c a m 领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容。 2 1 逆向工程定义 “逆向工程 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称反求工程、反向工程、三坐标点测绘、 三坐标点造型、抄数等。它是将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重 建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转换为工程设计模型和概念模 型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过型7 1 。它源于精密测量和质 量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路【1 8 1 。 从广义讲，逆向工程可分以下三类： ( 1 ) 实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从而再创造；其 中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以 是整机、零部件和组件。目前，大多数有关逆向工程的研究和应用都集中在此方面， 因此该方面的逆向工程称为“实物逆向工程 ，其定义是将实物转变为c a d 模型相关的 数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称【1 9 】。 ( 2 ) 软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标 准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类，分别为：既有实物， 又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件【1 9 1 。 ( 3 ) 影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍 或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像 逆向【