逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用.pdf
车用发动机齿轮泵逆向设计[三维PROE]【8张CAD图纸和说明书全套终稿】
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上海交通大学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姓名：李烈华申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：邢渊20050501上海交通大学硕士研究生论文II逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用摘逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用摘 要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上海交通大学硕士研究生论文III 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上海交通大学硕士研究生论文IV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。关键词关键词：正向设计,逆向设计,检具,零件重要特性,产品数字化上海交通大学硕士研究生论文V RESEARCH AND APPLICATION ON THE DIGITALPRODUCTS INSPECTION SUPPORTEDON THE REVERSING ENGINEER TECHNOLOGIES ABSTRACTAs the premises and foundation, manufacturing is the key sides of our society. Product designis the most important part of manufacturing especially in the earlier stage. Mold is then soimportant and widely used in lots of fields, but the design and manufacture is so difficult andcomplicated, so, how to make the product mold in shorter time, higher quality and lower cost？And the most important is how to make the best product to fit the customers reqirement in orderto have the earlier batch is coming to be the main factor of market competition.Nowadays, during the autobile and die mould engineering, the three dimensions softwarehas the common use. According to the products situation. The ways to make the products arealways different. That is we call it the common design and the reversing design. As we know thatnot all the products are using the common design in the reality. For example, we want to make acopy of patent or to backup the datas because of the origial datas losted. So we have to adopt touse the resversing design. But weather which one to be adapted, we have to have a way to makesure that if the product is correct or not when we develop a new product.How to shorten the period of developing to make a mass production possible concerns everyenterprise. Gauge is one of the most important procedures in the process of developing. In mostenterprises, the testing of the products is realized via gauge. From the very beginning of the designof the mold, the engineer have to take great care of the blueprint, to find out the position of thecomponents and to particularize the level of importance of the components. They also have towork with those who design the gauge to make an analysis and to take the design of gauge intoconsideration. But the difficulties cannot be avoided. For instance, the costs of the gauge areusually high. Sometimes a product has to be reshaped by request even if it does reach the standardof the 3D-datas when a problem of matching exists. Therefore, a series of modification in the 3D-datas, mold and gauge takes place until the mass production begins. Then the gauge is no longerthe one it used to be and cannot match the digital mold. Generally speaking, there are 3shortcomings in such procedure:1. Frequent modification causes large waste of money and laborer.2. When the 3D-datas is not modified in time, there can be errors in gauge compared with the3D-datas, which is no good for the copying of the gauge or for the accuracy of the saving data.3. It takes time to modify the gauge, which somehow delays the progress of the developing.The following problem is researched hereinafter: Is it possible to skip the procedure ofdesigning and producing gauge in the developing and to lower the costs and accelerate thedevelopment of products through the reverse engineering technology?The machining of the gauge can certainly be undertaken after the testifying of products inconvenience of the operation in the mass production. In this way, the troubles the regularprocedure brings us as mentioned above can be eliminated. In this work, a great deal of facts israised to support the research and application of the reverse engineering technology in the digitaltest of products. Effective and successful conclusions can be drawn.KEY WORDS: injection product,reversing design,reversing,gauge,digital product1附件四附件四上海交通大学学位论文原创性声明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，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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：李烈华 日期： 2005 年 06 月 09 日2附件五附件五上海交通大学学位论文版权使用授权书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。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部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。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 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 日上海交通大学硕士研究生论文1第一章 绪论第一章 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，其中占有很大比重上海交通大学硕士研究生论文2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，Biles 将 RP 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的应用进行了可行性分析，徐艺则通过 CAD/CAE 集成实现 CAE 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：(1) 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；(2) 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、CAM、 CNC、 RP、 RPM 技术成为各自独立的 “自动化孤岛” ， CAE、 CAM、 CNC、RP、RPM 仅仅是 CAD 的后续过程，在 CAD 阶段也没有全生命周期的考虑，从而没有从根本上解决模具设计制造的不足。目前的模具 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、上海交通大学硕士研究生论文3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 产品开发的周期产品开发的周期1.2.1 先进制造技术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，并取得社会经济效上海交通大学硕士研究生论文4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。? 计算机集成制造计算机集成制造二十世纪八十年代， 计算机集成制造系统 （Computer Integrated ManufacturingSystem, 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、网络技术、数据库、知识库技术、CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/CAT 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决的，也是改善企业 TQCSE（时间、质量、成本、服务、环境）的基础。其内容主要包括： （1）企业建模、系统设计方法、软件工具和规范； （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。企业提高自身的市场竞争力，在今天不能走“小而全” 、 “大而全”的封建庄园式经济道路，而必须面对全球经济，全球制造的新形势，充分利用全球制造资源以更快、更好、更省地响应市场，这便是敏捷制造的由来。敏捷制造的组织形式是企业之间针对某一特定产品，建立企业之间针对某一特定产品的动态联盟，这个过程就是企业集成。企业集成的主要内容有： （1）支持敏捷制造的使能技术； （2）资源优化，包括供应链的建模和管理； （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（Concurrent Engineering,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）中提出的定上海交通大学硕士研究生论文5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。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：(1) 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。(2) 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。(3) 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（Virtual Enterprise）和虚拟开发（Virtual Development）(1) 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，其它联盟企业为需求定义产品设计工艺设计加工制造市场、维护串行过程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图 1.1 串行过程与并行过程的比较Fig1.1 Comparison of traditional engineering and concurrent engineering需求定义产品设计工艺设计加工制造市场、维护上海交通大学硕士研究生论文6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。(2) 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：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。虚拟制造 充分利用 CAPP、CAM、CS（Computer Simulation） 、RPM（Rapid Prototype Manufacturing)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。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。决策支持系统 由于产品的复杂性和设计加工的难度，要求在产品的生产全过程充分利用人类制造领域的成功经验和先进的知识， 在决策支持系统 DSS（Decision Support System）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 现代产品设计现代产品设计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%，产品生命周期各个阶段对差错的修改也会引起成本成倍的增加。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。100%85%7%概念设计详细设计产品制造产品维护报废回收实际消耗费用被确定费用图 1.2 产品生命周期费用Fig1.2 Cost during product life cycle上海交通大学硕士研究生论文71.3 检具在制造业的运用情况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 RPSFigure1-4 The RPS Points CoordinateFigure1-5 Scan Line Description上海交通大学硕士研究生论文8Figure1-6 The Value of Each Scan LineFigure1-7 The Measure Points Of Profile上海交通大学硕士研究生论文9 1.3.2 检具的总则及技术要求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。Figure1-8 The Coordinate Of Profiles PointsFigure1-9 The Coordinate Of Profiles Points上海交通大学硕士研究生论文104 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。钢制量规测量面的硬度应为 HRC5865。量规测量面的表面光洁度应按 GB 1031-68（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：（1） 制造厂商标；（2） 被检工件的基本尺寸和公差带代号；（3） 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；（4） 出厂年号；用于检验工件基本尺寸小于 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：（1） 产品名称；（2） 制造厂商标；（3） 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。对于位置量规当零件被测要素和 （或） 基准要素为中心要素时， 位置量规测量部位和 （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、方向和位置按测量部位或定位部位确定。当导向部位仅起导向作用（即台阶式） ，上海交通大学硕士研究生论文11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：位置量规工作表面的表面粗糙度 Ra 值不大于 0.2m,非工作表面的 Ra 值不大于 3.2m （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、产品的 3D 数模及检具设计的通用规则，使用现有非常流行的 3D 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： Figure 1-10 The Points Measured上海交通大学硕士研究生论文121.4 逆向工程技术介绍逆向工程技术介绍1.4.1 几种商用逆向工程系统和模块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IMAGEWARE 公司产品 SURFACER71，英国 DeICAM 公司产品 COPyCAD，英国 MDTV 公司的 STRIM AND SURFACE RECONSTRUCTION，英国RENISHAW 公司的 TRACE 等，在一些流行的 CADCAM 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 SURFACER71 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）曲面模型构造快速而准确地把扫描点变换成 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；2首先在扫描点群中构造 MURBS 曲线，然后，根据曲线来产生曲面。 DeICAM 公司的 C0PyCAD 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。 MDTV 公司 STRIM 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。 这些软件系统采用的都是 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。其优点是 NURBS 曲面的应用在 CADCAM 领域内相当广泛，因而，这些系统与其他 CADCAM 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上海交通大学硕士研究生论文13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，由于不需要过多地采用交互手段构造曲线，所以 RE-S0FT 操作非常简单。缺点是由于采用三角 BEZIER 曲面模型，使 RE 一 S0FT 与其他的 CADCAM 的通信不大方便。为止，在新版本的 RE 一 SOFT：中重点解决了复合三角 Bezer 曲面的分块 NURBS 重构和 IGES 输出问题。同时，已 RE-SOFT 还集成了基于三角 Bezler 曲面模型的曲面加工模块。实际上 RE-SOFT 已成为目前解决复杂产品逆向工程 CADCAM 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逆向工程技术的工具介绍ATOS 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* 模型改动后数据转移返原有 CAD 档案* 直接仿形铣加工及作快速成型用途* 测量数据与 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（the Advanced Topometric Sensor）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。 系统将一组不同的光栅条纹投影到工件表面，通过两个 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。上海交通大学硕士研究生论文14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* 生成 CAD 文件（用于反向工程）* 将模型修改方案转给 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* 将实际工件与 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350280mm (点距：0.46mm) 可选配其他：200160mm (点距：0.26mm)10080mm (点距：0.13mm)550440mm(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：768572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 论文选题的意义及主要研究内容1.5.1 论文的意义论文的意义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，这时上海交通大学硕士研究生论文15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。上海交通大学硕士研究生论文161.6 本章小结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。上海交通大学硕士研究生论文17第二章 自由曲面配准技术第二章 自由曲面配准技术2.1引言引言 快速原型制造（又称 RPM 技术）是诞生于 80 年代后期，基于材料累加法的一种产品高新设计与制造技术。被认为是近 20 年来产品设计与制造领域的一次重大突破，其对制造行业的冲击可与 50 一 60 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新技术，通过 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、修改及功能试验，大大缩短产品的研制周期。以 RPM 系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可以实现零件的快速制造 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。 逆向工程是实现 RPM 的核心技术之一，是从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的 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 CADCAMCAE 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。由实物建立 CAD 模型，不同于传统的 CAD 设计，要求首先对其实物表面进行数字化处理，然后由测量点直接构造 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，上海交通大学硕士研究生论文18可以相当密集地对产品表面进行数字化，形成所谓的“点云” 。目前这种以激光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，各视之间还有一定的重叠，从而引出了多视数据的拼合等问题。 ，目前，在逆向工程 CAD 中，主要有三种曲面构造的方案，一种是以 B-SPLINE 或 NURBS 曲面为基础的曲面构造方法，另一种是以三角 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。这种数据的曲面拟合有其自身特点。在 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配拟合出一张新的 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，产品型面往往由几张曲面混合而成（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。上海交通大学硕士研究生论文19 后者的研究主要在如何选用曲面模型上，最为简单的模型就是一次曲面（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，各个三角形平面片之问的连接是只能达到 CO 连续。 采用代数曲面，例如分段三次 BEZIER 三角代数曲面，可以使曲 面片间达到 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便。浙江大学在 Re 一 SOFT 软件系统中，采用了三角 BEZIER 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数方程形式。实践证明这种曲面建模方法在解决复杂产品逆向工程 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的分块处里从而简化了整个建模过程。但由于目前大多数的商用 CADCAM 系统采周的是 NURBS 曲面， 因此， 采用三角曲面造型技术必然带来与其它通用 CADCAM 系统的通讯和数据交换问题。2.2 表面配准概述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。两个形状的配准就是寻找一个三维刚体变换（旋转平移） ，当把它施加到其中一个形状后，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可用于定位的基准特征，传统的、适合于棱柱物体的 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，由于它们在初值的基础上进行微调，因此称为“改进型配准” 。改进型配准方法的思想是：假定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发实现大致对齐的配准称为“粗略配准” 。Campbell2001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。【Dorai 96】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（cost metric）衡量的对齐状态。这些描述可以是几何的或摄影的（photometric） ，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、上海交通大学硕士研究生论文20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界形状描述。本文限定于物体的边界形状描述，对应的配准称为“表面配准” 。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。本文使用术语“模型 Q”和“场景 P”来指示参与配准的两个表面几何描述。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：0|,=qTpQqPp（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( )PTQdT,min（2-2）式中 T(P)表示对场景 P 施加空间刚体变换 T，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Brett 98, Chin 96, Johnson 98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Madhavan 98, Zhang 97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。2.2.1 “场景场景”配准“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Conan 97,Eggert 98, Yang 98。反向工程一般包括三个基本步骤：数据获取、数据配准和模型重构。 【Eggert 1998】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【Varady 1997, Rolls 1999】 。【Cheng thesis】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）方法和基上海交通大学硕士研究生论文21于软件的（software-based）方法。基于人造物体的方法包括两种，一个是利用坐标测量系统，另一个是利用标记物。坐标测量系统包括定位和固定装置（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）测量过程中需要额外地维护标记， （b）难于精确确定 3D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。2.2.2 “模型场景”配准“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Pahk 93, Qu 99，也是本文研究的“基于三维测量数据与 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匹配实现对齐。 【Goshtasby 1998】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 参数曲面配准参数曲面配准2.3.1 最小二乘拟合配准最小二乘拟合配准【Tucker thesis】考虑一组 n 个坐标数据点，3in21p;p,.,p,pP=，它是从一个物体表面 N 测量得到的；表面 N 由参数方程),(vuN描述，该方程把参数u和v映射到3上。P 中一个点 pi 到 N 的距离定义为从 pi 到其在 N 上的最近点之间向量的大小，即上海交通大学硕士研究生论文22),(min,vuNpdivui=（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)(icipuu =和)(icipvv =。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（smooth, closed, and bounded） ，并且坐标数据点集 P 在3中位于 N 的相当小的邻域内。这个邻域通常称为配准问题的解的“初估” （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 N代表一个球形面片而 pi 位于球心。类似的特殊情况本文不作考虑。图 2.1 显示了 P 中所包含点和曲面 N 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备的坐标系测量的， 而 CAD 模型是相对于机械设计软件包内部的坐标系设计的。测量系统的坐标系和 CAD 模型的坐标系极少是重合的，两者之间的偏差可由 di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。()=niniiTiidddf112（2-4）P 中的点在三维空间中是刚体，因此能够以 6 个自由度进行运动。这 6 个自由度包括 3 个正交平移和 3 个正交旋转。平移可定义为添加到 P 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tRppii+=（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上海交通大学硕士研究生论文23系的三个主轴的转角。利用这种方法，R 是 x、y、z 的一个函数，其中 i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TzyxzyxtttX=（2-6）这样式（2-5）可重写成 X 的函数，即)()()(XtpXRXppiii+=（2-7）把（2-7）式代入（2-3）式得到( )()(),(min)(,XvXuNXpXdciciivui=（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pi 是 X 的函数。把方程（2-8）代入方程（2-4） ，f 将改写为 X 的函数，即=niiXdtf12)()(（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，Menq 1996 1999】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（nominal geometry） ，通过测量数据向名义几何的最佳拟合实现公差评定。 更进一步， 【Yau 1999】 提出 “一个数据库，一个算法”的公差评定方法，其中使用 NURBS 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。在基于 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【Yau 1992，Soulier 1995,，Yau1996】 。以涡轮叶片为例。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曲面本身的“内在的”坐标系。换句话说，在所有表面测量点到 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）中，来比较 CAD 定义的表面与测量点，将得到比实际上可能值（理论上最优对齐）大的形状偏差【Gander 1999】 。通过这种通用的最小二称拟合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/方向误差，它通常与夹具的精度和机床刀具的定位误差有关，这种“软夹具”能够节省制造高精度专业夹具的费用。此外，形状误差可用于评价 NC 算法及上海交通大学硕士研究生论文24其软件的性能，也可反馈到 NC 机床以补偿过大的表面偏差。2.3.2 主要技术难点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：1. 必须保证高精度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（breakdown point）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。2. 具有对于初始相对位姿的鲁棒性具有对于初始相对位姿的鲁棒性【Cheng 2001 thesis】配准过程相当于在一个无界的、连续的、具有六个自由度的参数空间中全局搜索一个 6 维点（三维刚体坐标变换） 。它形成一个 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（hills and valleys）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。这种鲁棒性对于基于 CAD 模型的数字化检测具有重要意义，因为测量数据与 CAD 模型之间的初始相对位姿偏差可能是任意值。例如，当使用光学数字化仪进行测量，而不是采用 CMM 进行 CAD 指导的测量，所获测量数据与 CAD 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。3. 能够正确处理局外点能够正确处理局外点【Simon 1996】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，包括在非重叠区域采集数据、数据采集过程存在噪声以及在测量过程中引入的人工产物（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【Claudet thesis】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，上海交通大学硕士研究生论文25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。4. 追求高效率追求高效率当使用 CMM 以外的设备测量数据时，数据量可能很大，甚至是包含百万点的密集数据集。大量数据点与精确表示 CAD 模型的参数曲面进行配准的计算量非常大。这是因为在最小二乘配准过程中，需要频繁地计算空间点到 NURBS 曲面的距离，这是一个计算量繁重的迭代过程。因此，配准过程尤其精细配准阶段必须效率高，并且必须保持低的算法计算复杂性。2.4 改进型配准技术改进型配准技术2.4.1 最近迭代点（最近迭代点（ICP）法）法 基本算法基本算法【Besl & Mckay 1992】提出了迭代最近点（ICP, Iterative Closest Point）算法，用来配准模型和场景数据集。ICP 算法已获得计算机视觉和制造领域的广泛接受。ICP 已被应用于多种场合，如物体识别、探矿和星际漫游的自动车、医学成像、计算机辅助微创手术、反向工程以及制造检测。ICP 法是一个通用的、与几何表示无关的配准方法，可用于点集、曲线和曲面等三维自由形状，而且通常是精确的。ICP 算法的一个特点就是它的简单性，因为它只需要一个为给定点在几何实体上确定最近点的过程，以及一个在已知对应关系的两个点集之间计算刚体变换的过程。ICP 算法的设计是为了把一个“场景形状”P 向一个“模型形状”Q进行匹配，其前提是 P 是通过对 Q 进行采样（可能含噪声）获得的，即 P 是 Q的子集。在一个数据点Pp和模型 Q 之间定义一个距离尺度 dqpQpdQq=min),(（2-10）定义一个点 qc 以使),(),(Qpdqpdc=成立，其中Qqc，因此 qc 是 Q 上到 p 的距离最近点。如果用 Qc 表示对应于 P 中每个点的 Q 中最近点的集合，则可定义一个算子 C 使得),(QPCQc=（2-11）图 2.2 表示了这个概念，其中模型形状 Q 是光滑曲线，场景形状 P 是十字叉标记之间的虚线，而最近点集 Qc 由圆圈表示。假设存在匹配两组对应点集的过程 R，其定义为),(),(PQRdtRc=（2-12）它返回在某个意义上最优配准对应点集 Qc 和 P 的旋转矩阵 R 和平移向量 t，它还给出作为两个点集之间均方距离的 d 值。ICP 算法的基本描述如下：算法 2-1：基本的 ICP 算法1. 分别把 R0 和 t0 初始化为单位矩阵和零向量。上海交通大学硕士研究生论文262. 定义点集 P0 = P。3. 置 k = 0。4. 重复下述过程：（a）计算最近点，),(QPCQkck=；（b）计算刚体变换，),(),(ckkkkkQPRdtR=；（c）施加刚体变换，kkkktPRP+=+1；（d）k 加 1。5. 直到均方误差的变化（dk dk-1）小于某个阈值0。如果配准过程 R 在最小二乘的意义上进行最优配准，则可证明 ICP 算法能保证单调地收敛于关于对应点之间均方距离的局部极小值。Besl & Mckay 还提出一个改进的 ICP 算法，参数空间中解的轨迹由一个线性估算器进行预测，以此达到加速收敛的目的。可以看到，ICP 算法的思路相当简单清晰：从给定初值开始，迭代地进行“确定对应关系/计算刚体变换”的过程，直到满足某个表示正确对齐的收敛准则。 对对 ICP 法的改进与发展法的改进与发展基本 ICP 算法有两点不足：场景形状必须是模型形状的子集，场景形状与模型形状已初步对齐。这就是说，它不能处理因局部重叠或噪声等造成的局外点，不能避免局部极值，因而不能保证高精度。对于局部重叠形状的配准问题，最大的难点是在保持有效性的同时， 处理局外点和局部极值。 自从 ICP 法于 1992年提出以来，以改善其精度和速度为目的，众多研究者对 ICP 提出了很多改进和发展。下面按照 ICP 算法的流程（如图 2.3） 【M. A. Rodrigues 2002】对各项改进详细介绍。第第 1 步：初始化步：初始化作为一种改进型配准方法，只有提供初值才能保证 ICP 收敛于正确解。有关获取初值的自动粗略配准方法见 2.5 节。初 始 化距 离 度 量搜 索 最 近 点评 价 配 对 点运 动 估 算结 束 否 ？输 出 配 准 结 果第 1步第 2步第 3步第 4步第 5步第 6步第 8步施 加 配 准第 7步是否上海交通大学硕士研究生论文27第第 2 4 步：改进对应关系步：改进对应关系在确定最近点过程中，大多数研究都使用简单的欧氏距离。少数使用更高维的特征向量，如包括法向量Lu 1994、表面的主曲率Feldmar 1994以及其他表面性质Feldmar 1996。通过在特征向量的不同分量上适当加权，使得在点距离最远的最初几个迭代中产生更少的不正确对应关系。在距离度量中可利用的其他信息有颜色Godin 1994、矩不变量Sharp 1999等。计算可能的对应关系（即计算最近点）通常是最费时的步骤。蛮力方法(abrute-force approach)Besl 1992, Menq 1992需要进行 O(N2)次比较才能找到N 个对应关系。一种能减少实际计算时间但有可能降低精度的方法是对原始数据集进行二次采样。二次采样的准则包括简单地取原始数目的一部分Blais1995、使用分辨率渐增的多尺度Turk 1994, Masuda 1996、在表面不连续处以外区域采点Chen 1992以及在一些小随机集内采点以实现鲁棒的变换估算Masuda 1995等。另外一种更精确但较慢的方法是，在完整的原始数据集上使用如八叉树Champleboux 1992 、k-d 树Zhang 1994, Masuda 1996、最近点缓存Simon 96、 z缓冲器Benjemaa 1997、 网格最近点转化Yamany 1998等有效的数据结构。确定可能的对应点以后，正确对它们进行评价（即区分真实的和错误的）将决定配准的精度和其对局外点的鲁棒性。因此，很多对 ICP 法的改进都致力于评价匹配点是否代表了似乎真实的对应点（因为真实的对应关系永远无法知道） ，主要以施加到点对的约束形式排除局外点的影响。一种方案是在某些量上施加一个经验阈值， 包括： 有效点对之间的允许距离Zhang 1994, Champleboux1992, Turk 1994、对应点对处表面法向量的偏差Bergevin 1996，Pulli 1999，对应点对之间的刚性约束Dorai 1996等。任何超过阈值或破坏约束的点对被认定是无效的。这一定程度地缓解了一个曲面必须是另一个曲面子集的要求，容许局部重叠视图的配准。这些阈值通常是与初始变换的估算精度有关的预定常数，很难鲁棒地选择。Zhang 1994提出一个确定匹配距离阈值的半自动方法，它基于对应点之间距离长度的方差。因此，它可被认为是一种鲁棒估计技术。Pulli 97提出一个类似思想，其中把阈值表示为一个估计的（或已知的）扫描精度的倍数。这种思想的一个变种是根据点间距离对对应进行过滤，抛弃一定百分比的最长的匹配。这是对Zhang1994的统计阈值选择方法的有效的一个非参数替代方法。除了阈值法，另外一种方法是舍弃包含网面边界上点的点对Turk 94，因为边界点它对避免错误点配对尤其有用。第第 5 步：计算刚体变换步：计算刚体变换当一组对应关系确定以后，利用对齐对应点集的封闭形式解法是计算变换矩阵最常用的方法。求解方法有基于奇异值分解Arun 87、四元数Horn 87、正交矩阵Horn 88、双四元数Walker 91。Eggert97评价了每个方法的数值精度和稳定性，表明其间的差异很小。在一定情况下，根据数据集中不同部分的假定噪声对各个点的贡献施加权重，能够取得更精确的结果。但是在实际中，由于错误匹配和数据中的噪声，配准的目标函数通常有大量的局部极小值。因此 ICP 等迭代方法容易收敛到一个局部极值。这是因为最小二乘估算器的溃点（reakdown point）是 0，即使一个错误点对都能导致不可预料的坏结果。更鲁棒的计算方法是利用最小平方中值技术(LMS, Least MedianSquares)Masuda 1995, 1996，即对从较小点集计算得到的许多变换进行集群(clustering)，但实现该方法所需的计算时间是巨大的。 【Luck 2000】提出模拟上海交通大学硕士研究生论文28退火与 ICP 的复合算法，把 ICP 法的速度和 SA 对局部极值的鲁棒性结合起来。SA 为 ICP 提供逐渐靠近全局极小值的随机初始值。也就是说，由 ICP 进行大部分工作，但当它陷入局部极值时，利用 SA 跨越该局部极值并提供一个新的开始值。Wheeler1996描述了一种利用基于 Lorentzian 函数的 M估算器的鲁棒方法减少局外点的影响。在这种方法中，具有小误差的对应关系比具有大误差的对应关系获得更大的权重。更复杂的计算运动变换技术是，在可能变换空间内进行某种形式的搜索。极小化一个成本函数，如所有的对应点间距离之和，根据成本函数的变化性质计 算 变 换 参 数 空 间 的 运 动 。 被 使 用 的 标 准 搜 索 策 略 有 Levenberg-MarquartChampleboux 1992和模拟退火Blais 1995，以及其它一些更具经验性的方法Stoddart 1996, Bergevin 1995。在搜索过程中必须周期性地更新对应关系以确保误差函数反映当前状态。但过于频繁的更新会显著增加计算量，而过少的更新又会导致不正确的极小化。当然，这些复杂技术的代价就是较慢的速度。【Laurendeau 1996】对距离图像配准的五种通用优化算法进行了比较研究。所考虑的算法包括简单进化算法、遗传算法、动态爬山算法以及两种风格的模拟退火算法。得出的结论是：尽管动态爬山法模拟退火算法优于其它两种方法，但它们的性能无一能与大多数已发表的配准方法相比。关于这些基于搜索的方法Blais & Levine 95,Bergevin et al.95,Laurendeau et al.96， 【Chen1994】的观点是：即使利用某些启发规则，搜索巨大的参数空间既不易于计算，也是不必要的。第第 6 步：收敛准则步：收敛准则对于用最小二乘法计算运动变换的方法， 当变换表示的运动足够小时Zhang1994, Bergevin 1995或当对应点间距离足相当接近时Besl 1992, Masuda 1996,Chen 1992, etc.，就达到了收敛。Ristic1997对 ICP 迭代的终止标准、避免收敛到局部极小等方面也进行了研究，考虑使用已知的测量噪声的标准差。而对于参数空间内迭代搜索Blais 1995, Champleboux 1992, Menq 1992，一般当参数或误差的变化很微小，或者如果成本函数的形状在当前参数值取极小值就认为达到收敛。当然，任何方法都可以在某个最大迭代次数后仍未收敛的条件下终止计算。2.4.2 Chen & Medioni 的方法的方法 基本算法基本算法【Chen & Medioni 1992】的方法（本文简称 C-M 法）与 ICP 算法在一个基本方面有所不同，那就是误差准则函数的定义。具体地说，C-M 法极小化场景形状 P 中数据点与模型形状 Q 上切平面之间的距离（如图 2.4） 。对于每个控制点Ppi，其表面法向量被投影并与 Q 相交于点 qi。然后在每个 qi 点处逼近切平面 Si，通过极小化 pi 和切平面 Si 之间的距离来确定变换。形式上讲，误差函数由下式给出3),(12=NSpTdeNikiiksk（2-13）式中 Tk 是在第 k 次迭代中施加于控制点 pi 的 3D 变换。0)( |=piiinapal上海交通大学硕士研究生论文29是在 pi 处垂直于 P 的直线，QlTqiki=)(1是曲面 Q 与变换后的直线 Tk-1li 的交点，qin是 Q 上 qi 处的法向量，0)(|=sxnsSiqiki是 qi 处 Q 的切平面，ds是点到平面的有符号距离。该配准算法利用最小二乘法迭代地极小化 ek，由此确定一个变换 Tk。切平面kiS作为曲面 Q 在 qi 处的一个局部线性逼近，交点 qi是第 k 次迭代中未知的实际对应点的近似。一个近似配准两个视图的初始变换用于启动迭代过程。通过极小化点到平面的距离，只有沿着距离能被减小的方向才被约束。通过验证任何两个连续迭代中误差 ek 之间的差值小于一个预定的阈值，断定过程收敛。算法 2-2：C-M 法1. 选择控制点Ppi（i = 1.N） ，并计算这些点处的表面法向量pin。2. 对每次迭代 k = 1,2,，进行下述过程：（a）对每个控制点 pi，进行：i. 把 Tk-1 施加给控制点 pi 和该处法向量pin。ii. 确定上述变换后的法向量与 Q 相交所获得的点Qqi。iii. 计算 Q 在 qi 处的切平面 Si。（b）利用最小二乘法，计算极小化控制点 pi 与对应切平面 Si 之间距离的变换 T。（c）由1=kkTTT更新变换的估计（变换合成） 。3. 重复直到ekkNee=1，式中e是一个由实验确定的阈值。步骤 2（b）除了通过直接极小化式（2-11）计算增量变换 T 外，也可通过在 Si上计算与 pi 的最近点后，使用对应点集配准算法得以实现。Chen & Medioni 阐述了在平坦区域选择控制点的方法。为了检查在某个邻域内曲面的平坦程度，利用最小二乘法向邻域拟合一个光滑的曲面函数（例如平面） ，然后检查拟合的残余标准差。另外一种方法是， 【Bergevin 1996】在选择控制点过程中明确地提取和抛弃不连续处点（discontinuity points） ，然后在其余部位选择控制点。这里的控制点不需要代表有意义的曲面特征，只需要它们取自一个曲面。这使得控制点的选择策略大大的区别于大多数其他的基于特征的匹配算法，后者寻求对于定位的目的来说表示一定几何含义的点或特征。这是因为该配准算法不依赖于控制点或其他特征的准确对应，而使用曲面的整体形状所提供的约束。C-M 法的一个主要不足是，它要计算曲面的微分量（法向量和切平面） ，而这些量对点集或形状中的噪声很敏感。 为改进噪声不敏感性以及配准性能， Chen& Medioni 建议可在匹配前进行低通过滤，进而有效地平滑含噪声数据。但这可能产生副作用，即从曲面去除了重要的特征，这一点在运用该法前必须给予考虑。上海交通大学硕士研究生论文30C-M 法的优点是，它表现出比 ICP 算法更快的收敛速度，高出一个数量级【Stoddart 1996，Pulli 1999】 。通过匹配点与平面，而不是点与点，该算法允许曲面彼此相对滑动，这进一步降低了一些类型的错误对应的影响。ICP 法假设基于点的曲面的离散近似，而 C-M 法利用一个连续的线性近似，因而当应用于点集配准时，C-M 法的配准精度可超过采样分辨率。 【Williams 2001 thesis】当匹配局部重叠的形状时，这个最初的 C-M 法也易于出错，但没有 ICP 算法的程度严重。当然，上述 ICP 算法中处理局外点的措施在这里也是合适的。 对对 C-M 法的改进法的改进【Dorai 1998】提出一个基于刚性约束的控制点验证方法，与原始的 C-M法相比，增加了该验证步骤的改进方法能提供更为精确的结果。对于场景形状X 中的一组控制点，C-M 法中由法向投射建立对应关系的有效性取决于以下两个因素：（1）启动迭代过程的初始变换的精确度；（2）进行配准的曲面的平坦度（smoothness） 。如果变换的初估精确并且物体表面平坦，则由法向投射确定的大多数对应控制点是真实对应控制点的比较好的近似，如图 2.5a。但是，如果初估不精确，或者物体的表面多噪声并且粗糙不平，则许多找到的对应控制点可能远离实际的对应控制点，如图 2.5b。这里的“对应控制点”是指场景形状 P 中控制点处法向量与模型形状 Q 的交点。建立控制点对应关系的任何不精确都导致成本函数中距离估算的不精确，并因此导致变换参数的不精确。Dorai 由刚性变换所施加的距离约束来检查对应控制点的有效性，只有有效的控制点对才用于更新变换矩阵。即给定 X 上的控制点 p1 和 p2，而 Y 上的对应控制点为 q1 和 q2，则它们应该满足约束：2121qqpp=（2-14）否则， （p1, q1）和（q1, q2）不可能同时是有效的控制点对，即（p1, q1）和（q1, q2）不是相互协调的。两对控制点（p1, q1）和（q1, q2）被定义是协调的，当且仅当tqqppqqppt),max(21212121（2-15）其中 t 是预定的阈值。【Dorai 1997B】在使用 C-M 法时，把对传感器不精确度的估计考虑进切平面计算中。他们建立了在距离数据中存在误差的情况下表面方向与表面法向量估算之间的依赖关系，以及这种依赖关系对变换参数的估算的影响。他们提出了一种新的误差模型，来处理不同方向表面上所测量数据的 z 值不确定度。上海交通大学硕士研究生论文312.4.3 其他方法其他方法非线性数值极小化的牛顿法很少被用于表面配准问题，因为缺乏解析的导数公式，而由有限差分法计算一阶和二阶导数的计算费用很高。 【Tucker 2003】在参数曲面的最小二乘目标函数引入偏导数，提供导数的解析公式，把一阶信息与 Newton 法结合开发了一种新的参数曲面配准方法。根据导数信息能够识别达到极小值时的临界点（critical point） ，减少了平方和目标函数的计算次数，从而降低了计算费用。所提出的牛顿法比过去研究中所实现的方法更有效和精确，与如今普遍采用的配准方法（如 ICP 法）相比具有明显的优势。该法与 ICP法的相同点是，都通过搜索最近点来建立对应关系。不过，该法假设参数方程表示的曲面在两个参数方向上都是二次可微的，以保证其光滑性和提供该配准方法所必须的条件。【Claudet 2001】对于改进型配准中的最小二乘极小化问题，一种被普遍证明成功的方法是 Levenberg-Marquardt 方法。该法是 Newton 法和 Gaussian-Newton 法之间的一种折衷。它的主要劣势是存储需求，它需要偏差向量和对应的 Jacobian矩阵。 其他非线性极小化方法， 如Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS) 只需要平方误差的和以及该和的梯度，因此它的存储需求就相对小得多。2.5 自动粗略配准技术自动粗略配准技术ICP 算法、C-M 法（包括它们的）改进型配准方法的一个不足是，两个形状必须事先达到近似对齐，否则所建立的对应关系中会包含更多的错误，由此导致局部极值。如前所述，在“场景场景”配准情况中，坐标测量系统、定位夹具、参考球等可作为粗略配准方法。但是，这些方法不适用于本文所研究的“场景模型”配准情况。当然，在计算机屏幕上识别对应点（三对非共线的点就足以定义一个空间刚体变换） ，或者直接拖动等人工交互方法可提供粗略配准。不过，直接利用原始数据或从中提取的特征的自动化粗略配准方法更具吸引力，它避免了人工交互，而且对测量设备等硬件没有特殊要求，具有通用性。2.5.1 基于特征匹配的方法基于特征匹配的方法【Cheng 2001 thesis】特征匹配法首先处理将要对齐的曲面，创建表现曲面形状特点的特征。一旦这些特征被创建以后，通过在两个曲面上搜索相似的特征模式建立对应关系。因此，特征匹配把无界的、连续的、6 个自由度的参数空间搜索问题转化为一个有限的、离散的特征空间搜索问题。这个问题在理想情况中至少可由穷尽枚举方法求解，而实际中多采用更有效的搜索方法。特征匹配法具有至少两个潜在的优点。首先，它们不需要初始对齐，因而可能实现自动化的匹配。其次，一旦为一种“表面特征”定义匹配尺度后，匹配过程应该是鲁棒的。但是，基于特征的方法的不足主要是： （1）可能不能解决三维数据集中不包含显著（prominent/salient）的局部特征的问题； （2）预处理需要花费大量计算时间，这包括不变性特征（invariant feature）的提取和所提取特征元素的组织（例如排序、哈希等） 。所采用的特征大致有以下四类：1. 在所有点定义的属性，如曲率、主标架、点特征图等。在所有点定义的属性，如曲率、主标架、点特征图等。【Cheng 2001 thesis】由高斯曲率和平均曲率的数值划分顶点处局部曲面的类型，然后把具有相同的局部曲面类型的相邻顶点集群，把它定义为多边形上海交通大学硕士研究生论文32网格上的曲面特征。这种曲面特征有几个优点，包括（1）它们是基于局部不变曲率的低阶特征， （2）它们是可应用于多种物体表面的通用的形状描述， （3）它们适用于基本表面和雕塑曲面。 【Frohlich，2001】使用具有特殊特征的有限数目的网格顶点进行粗略配准，为这些网格顶点定义了适当的数值特征值。首先选择一定数目的网格点，它们具有特殊的数值特征值，然后从中选择匹配良好的三对对应的顶点。再经过利用刚性约束的过滤，利用剩余的对应点计算变换。由距离图像进行自由曲面物体识别的技术大多可归为此类。本文研究的局部重叠形状之间的粗略配准类似于在有遮挡和背景混杂信号的场景中识别多个物体。在这种情况下，必须使用关于物体的局部信息进行识别。可借鉴有关的物体识别技术有【Chua 1997】的“点特征图” （point signature） 、 【Johnson1998】的“旋转图像” （spin image） 、 【Stein 1992】的“飞溅” （splash） 、【Yamany 1999】的“面特征图” （surface signature）以及【Dorai 1997】的“COSMOS”等。2. 显著的点特征，如角点、线的交点、高曲率点、极值点（显著的点特征，如角点、线的交点、高曲率点、极值点（extremal points） 、由密度图像确定特征点等。） 、由密度图像确定特征点等。【Roth 1999】利用这样一个事实：每个距离图像都伴随有一个对应的密度图像，两者处于一对一的配准状态。该法首先在 2D 灰度图像中确定特征点，对与这些 2D 特征点相关的 3D 距离点进行三角化，然后在两个 3D 三角化之间匹配所有可能的三角形对。最优匹配就是在两个距离图像之间对齐最大数目特征点的匹配。需要说明，两个距离图像之间至少有 20%-30%的重叠以确保存在足够的共同特征点，该法才能成功。 【Thirion，1996】提出了新的一种特征点“极值点” （extremal points） ，极值点或轮廓被定义为高斯曲率的最大值与最小值之间的零交点（zero crossings） 。它能够帮助确定点与点的对应关系。但是这种表示还是太复杂，对物体识别或位姿定位并不适用。3. 点的特殊集合，如边、面、峰线（点的特殊集合，如边、面、峰线（crest lines） 、双切曲线（） 、双切曲线（bitangent curves）等。）等。【Yang，1998】选择梯度高于某个阈值的点，而不是随机选点。由于具有高梯度的点通常属于物体的边或轮廓，它们可形成内在的特征点。这些点连成曲线，获得距离数据的高度结构化描述。而且这些特征曲线相对于刚体变换是稳定的，并且由于其局部性可容忍局部遮挡。然后通过匹配 3D 空间曲线来估算初始变换。 【Wyngaerd，1999】提出了一种以双切曲线对（bitangent curvepairs）的提取和不变性表征为基础的自动粗配准方法。该法只需要点坐标和其一阶导数，避免了提取曲率、扭矩等更复杂特征。不过，该法受到提取可靠的双切曲线对的数值稳定性的影响。4. 统计特征，如矩不变量（统计特征，如矩不变量（moment invariants） 、重心、主轴） 、重心、主轴( principal axes)等。等。【East 2000】通过考虑曲面的质量性质实现对齐，两个数据集之间位姿偏差无要求，这与最小二乘极小化法是不同的。该法利用惯性矩法（moment ofinertia）为 ICP 法提供初值。2.5.2 其他方法其他方法【Bergevin 1995】 。 【Seeger】提出一个鲁棒的多分辨率配准方法，它把粗、细两个配准过程组合起来。对要进行配准的物体和变换参数空间分别进行层次化分解，然后使用 Hough 方法搜索，因此该算法对于局外点是鲁棒的。 【Conan1997】针对快速原型应用，提出了一个新的自由曲面 3D 距离图像多分辨率配上海交通大学硕士研究生论文33准方法。首先用多分辨率二次样条逼近每个数据集，基于这些样条面片使用“假设验证”方法（最小平方中值）计算粗配准，然后使用 ICP 法进行微调。为了给自由曲面的 ICP 法配准自动计算初值， 【Brunnstrom1996】使用中值场理论 （MFT, mean field theory） ， 而 【Stoddart 1996】 使用遗传算法 （GA, geneticalgorithm） 。它们把自由曲面匹配问题映射为对应空间中的搜索或优化问题，这是一个带有许多局部极值的问题。MFT 和 GA 作为强大的优化技术，有比梯度下降法（如 ICP 法）更大的机会收敛到全局最优解。它们对凸性或无遮挡等不作过分假设，不过它们不适用于平面、圆柱和球等简单表面构成的物体。【Chen 1998 1999】提出基于 RANSAC 的 DARCES（data-aligned rigidity-constrained exhaustive search）法。该法无需初值，无需局部特征。由于采用穷尽搜索方法，在无噪声情况下能保证获得正确解。该法把配准过程视为在预先选择的控制点之间的一个低阶搜索问题，这些控制点之间应用刚体相对位置约束。尽管计算结果表明该法有效，但其中控制点的选择原则这以重要内容却没有详细讨论。而且，没有使用局部特征信息，该法对噪声敏感，使得它难于获得亚像素（sub-pixel）的配准精度。2.6 本章小结本章小结本章对自由曲面配准技术进行了综述。从广义的曲面配准谈起，描述了参数曲面与测量数据的最小二乘拟合配准问题。指出这种基于最小二乘准则的参数曲面配准实际上提供了一种通用的公差评定方法，能够实现把形状误差与位置/方向误差的完全分离。针对基于三维数据与 CAD 模型的数字化检测，分析了参数曲面的配准所面临的主要技术难点，即必须保证高精度、具有对于初始相对位姿的鲁棒性、能够正确处理局外点和追求高效率。重点介绍了迭代最近点（ICP）法和 Chen & Medioni 的方法，这两种改进型配准技术的共同点是从一个初值出发迭代地求解最小二乘目标函数，所不同的是目标函数的定义。国际上对 ICP 算法进行了大量研究，针对其各个阶段提出了很多改进措施，目的就是为了不断提高配准的精度和速度。可以说， “建立对应关系”阶段是影响 ICP 法性能的最重要阶段。与 ICP 法相比，关于 C-M 法的研究和应用要少得多。Chen and Medioni1992配准多个距离图像用于创建物体的完全模型，其后也大多被采用进行距离图像的配准。虽然 C-M 法更有效，但至今在文献中未发现把应用于参数曲面配准。而且，以往研究中或单独采用ICP 算法或单独采用 C-M 法，没有把两个方法的优势结合起来的尝试。对于多视拼合的“场景场景”配准，值得推荐的粗略配准方法是在测量过程中借助测量装置或参考球，这样比较简单。但对于形状检测中的“模型场景”配准，固然可以由人工进行大致对齐，但研究自动的粗略配准方法是很有意义的，并进而实现整个配准过程的自动化。大多数自动粗略配准采用基于特征匹配的方法。对于实践中常见的形状之间局部重叠情况，粗略配准方法还必须能够处理局外点。在本文的研究中，重点是基于三维测量数据与 CAD 模型的数字化检测”中的配准情况，也就是说在产品开发的前期，我们已经拥有了产品在车身坐标系下的三维数模的前提下，在开发过程中，在线通过逆向工程技术对产品进行三维测量，该场合适合于“模型场景”配准情况。换言之，它需要在机器坐标系和 CAD 坐标系之间进行对齐的形状检测和缺陷检查。上海交通大学硕士研究生论文34在本文中，结合汽车内饰件的产品特点及目前企业的一般做法，采取了多种的配准技术进行了有机结合，达到提高曲面配准的精度的目的。这将在下面的案例中得到体现。上海交通大学硕士研究生论文35第三章 汽车内饰产品需要检测的特点第三章 汽车内饰产品需要检测的特点3.1 汽车内饰产品的常规检测类别汽车内饰产品的常规检测类别如今，汽车已不仅仅是代步工具，为了满足现代人越来越苛刻的要求，同时，也为了多给购车者一份安全保障。随着我国汽车开发能力的日益提高，对各类零部件的开发都有了相应的标准要求，诸如：材料、性能、颜色、匹配等等。（一）材料的检测（一）材料的检测塑料内饰产品的性能检测项目比较多，在产品开发的前期，对材料的选择必须依据图纸的材料性能要求进行该项工作，该项工作很重要。一般而言，材料的性能检测项目有：密度、熔融指数、燃烧指数、拉伸强度、屈服强度、耐光性、耐摩擦性等；（二）产品性能、颜色的检测（二）产品性能、颜色的检测产品的性能分为材料性能及产品的性能要求。对于颜色，一般有颜色色板，通常凭肉眼观察，如必要可在标准光源下，采用光谱仪进行。A.外观性能及解决办法外观性能及解决办法1. 龟裂龟裂是塑料制品较常见的一种缺陷，产生的主要原因是由于应力变形所致。主要有残余应力、外部应力和外部环境所产生的应力变形。 （）残余应力引起的龟裂残余应力主要由于以下三种情况，即充填过剩、脱模推出和金属镶嵌件造成的。作为在充填过剩的情况下产生的龟裂，其解决方法主要可在以下几方面入手：（1）由于直浇口压力损失最小，所以，如果龟裂最主要产生在直浇口附近，则可考虑改用多点分布点浇口、侧浇口及柄形浇口方式。（2）在保证树脂不分解、不劣化的前提下，适当提高树脂温度可以降低熔融粘度，提高流动性，同时也可以降低注射压力，以减小应力。（3）一般情况下，模温较低时容易产生应力，应适当提高温度。但当注射速度较高时，即使模温低一些，也可减低应力的产生。（4）注射和保压时间过长也会产生应力，将其适当缩短或进行 Th 次保压切换效果较好。（5）非结晶性树脂，如 AS 树脂、 ABS 树脂、 PMMA 树脂等较结晶性树脂如聚乙烯、聚甲醛等容易产生残余应力，应予以注意。脱模推出时，由于脱模斜度小、模具型胶及凸模粗糙，使推出力过大，产生应力，有时甚至在推出杆周围产生白化或破裂现象。只要仔细观察龟裂产生的位置，即可确定原因。在注射成型的同时嵌入金属件时，最容易产生应力，而且容易在经过一段时间后才产生龟裂，危害极大。这主要是由于金属和树脂的热膨胀系数相差悬殊产生应力，而且随着时间的推移，应力超过逐渐劣化的树脂材料的强度而产上海交通大学硕士研究生论文36生裂纹。通用型聚苯乙烯基本上不适于宜加镶嵌件，而镶嵌件对尼龙的影响最小。由于玻璃纤维增强树脂材料的热膨胀系数较小，比较适合嵌入件。另外，成型前对金属嵌件进行预热，也具有较好的效果。（二）外部应力引起的龟裂这里的外部应力，主要是因设计不合理而造成应力集中，特别是在尖角处更需注意。（三）外部环境引起的龟裂化学药品、吸潮引起的水降解，以及再生料的过多使用都会使物性劣化，产生龟裂。二、充填不足充填不足的主要原因有以下几个方面：i. 树脂容量不足。ii. 型腔内加压不足。iii. 树脂流动性不足。iv. 排气效果不好。作为改善措施，主要可以从以下几个方面入手：1）加长注射时间，防止由于成型周期过短，造成浇口固化前树脂逆流而难于充满型腔。2）提高注射速度。3）提高模具温度。4）提高树脂温度。5）提高注射压力。6）扩大浇口尺寸。一般浇口的高度应等于制品壁厚的 12l3。7）浇口设置在制品壁厚最大处。8）设置排气槽（平均深度 003mm、宽度 3smm）或排气杆。对于较小工件更为重要。9）在螺杆与注射喷嘴之间留有一定的（约 smm）缓冲距离。10）选用低粘度等级的材料。11）加入润滑剂。三、皱褶及麻面产生这种缺陷的原因在本质上与充填不足相同，只是程度不同。因此，解决方法也与上述方法基本相同。特别是对流动性较差的树脂（如聚甲醛、PMMA树脂、聚碳酸酯及 PP 树脂等）更需要注意适当增大浇口和适当的注射时间。四、缩坑缩坑的原因也与充填不足相同，原则上可通过过剩充填加以解决，但却会有产生应力的危险，应在设计上注意壁厚均匀，应尽可能地减少加强肋、凸柱等地方的壁厚。五、溢边对于溢边的处理重点应主要放在模具的改善方面。而在成型条件上，则可在降低流动性方面着手。具体地可采用以下几种方法：1）降低注射压力。2）降低树脂温度。4）选用高粘度等级的材料。5）降低模具温度。上海交通大学硕士研究生论文376）研磨溢边发生的模具面。7）采用较硬的模具钢材。8）提高锁模力。9）调整准确模具的结合面等部位。10）增加模具支撑柱，以增加刚性。11) 根据不同材料确定不同排气槽的尺寸。六、熔接痕熔接痕是由于来自不同方向的熔融树脂前端部分被冷却、在结合处未能完全融合而产生的。一般情况下，主要影响外观，对涂装、电镀产生影响。严重时，对制品强度产生影响（特别是在纤维增强树脂时，尤为严重） 。可参考以下几项予以改善：l）调整成型条件，提高流动性。如，提高树脂温度、提高模具温度、提高注射压力及速度等。2）增设排气槽，在熔接痕的产生处设置推出杆也有利于排气。3）尽量减少脱模剂的使用。4）设置工艺溢料并作为熔接痕的产生处，成型后再予以切断去除。5）若仅影响外观，则可改变烧四位置，以改变熔接痕的位置。或者将熔接痕产生的部位处理为暗光泽面等，予以修饰。七、烧伤根据由机械、模具或成型条件等不同的原因引起的烧伤，采取的解决办法也不同。1）机械原因，例如，由于异常条件造成料筒过热，使树脂高温分解、烧伤后注射到制品中，或者由于料简内的喷嘴和螺杆的螺纹、止回阀等部位造成树脂的滞流，分解变色后带入制品，在制品中带有黑褐色的烧伤痕。这时，应清理喷嘴、螺杆及料筒。2）模具的原因，主要是因为排气不良所致。这种烧伤一般发生在固定的地方，容易与第一种情况区别。这时应注意采取加排气槽反排气杆等措施。3）在成型条件方面，背压在 300MPa 以上时，会使料筒部分过热，造成烧伤。螺杆转速过高时，也会产生过热，一般在 4090rmin 范围内为好。在没设排气槽或排气槽较小时，注射速度过高会引起过热气体烧伤。八、银线银线主要是由于材料的吸湿性引起的。因此，一般应在比树脂热变形温度低 1015C 的条件下烘干。对要求较高的 PMMA 树腊系列，需要在 75t）左右的条件下烘干 46h。特别是在使用自动烘干料斗时，需要根据成型周期（成型量）及干燥时间选用合理的容量，还应在注射开始前数小时先行开机烘料。另外，料简内材料滞流时间过长也会产生银线。不同种类的材料混合时，例如聚苯乙烯。和 ABS 树脂、 AS 树脂，聚丙烯和聚苯乙烯等都不宜混合。九、喷流纹喷流纹是从浇口沿着流动方向，弯曲如蛇行一样的痕迹。它是由于树脂由浇口开始的注射速度过高所导致。因此，扩大烧四横截面或调低注射速度都是可选择的措施。另外，提高模具温度，也能减缓与型腔表面接触的树脂的冷却速率，这对防止在充填初期形成表面硬化皮，也具有良好的效果。十、气泡根据气泡的产生原因，解决的对策有以下几个方面：上海交通大学硕士研究生论文381）在制品壁厚较大时，其外表面冷却速度比中心部的快，因此，随着冷却的进行，中心部的树脂边收缩边向表面扩张，使中心部产生充填不足。这种情况被称为真空气泡。解决方法主要有：a）根据壁厚，确定合理的浇口，浇道尺寸。一般浇口高度应为制品壁厚的 5060。b）至浇口封合为止，留有一定的补充注射料。c）注射时间应较浇口封合时间略长。d）降低注射速度，提高注射压力，e）采用熔融粘度等级高的材料。2）由于挥发性气体的产生而造成的气泡，解决的方法主要有：a）充分进行预干燥。b）降低树脂温度，避免产生分解气体。3）流动性差造成的气泡，可通过提高树脂及模具的温度、提高注射速度予以解决。十一、白化白化现象最主要发生在 ABS 树脂制品的推出部分。脱模效果不佳是其主要原因。可采用降低注射压力，加大脱模斜度，增加推杆的数量或面积，减小模具表面粗糙度值等方法改善，当然，喷脱模剂也是一种方法，但应注意不要对后续工序，如烫印、涂装等产生不良影响。对该类内饰缺陷的检测一般不需要特别的仪器，靠产品工程师或质量工程师的经验凭肉眼即可判别。该项特性的研究不是本文的重点。B.产品性能及颜色的检测产品性能及颜色的检测汽车内饰零件随着整车的要求的提高而对它的要求也相应提高，不同部位的零件产品的性能要求也各不相同。常见的产品性能要求有：耐冲击性、疲劳性（往复功能性） 、抗振动性、拉拔力、嵌入力等等。对于该类性能及颜色的检测亦非本文研究的重点，在此略过。(三三)匹配的检测匹配的检测汽车零件种类繁多，有可视零件及不可视零件之分。对不可视零件，需要检测相关零件之间是否有干涉现象？它们之间的装配关系是否符合要求等；对可视零件则要求会更高，特别是内饰零件，除了以上要求外，其它常见的匹配项目有：间隙值（按间隙图的要求，包含间隙的大小，均匀性等） 、段差（面差）及其它的外观性能。3.2 汽车内饰产品的检测手段汽车内饰产品的检测手段汽车内饰零件的品种数量繁多，结构亦有简有繁，不同的零件我们采用的检测手段亦有所不同。本文的重点针对产品的形状、尺寸项目，通常对该类产品的特性，常用的检测手段有如下几种：一.用检测工具的使用这种情况一般是针对具有相对简单的产品外形或特征体，如仅需控制诸如：直径、长度、高度、角度等尺寸的情况，这时我们可以分别根据具体的情况选用游标卡尺、千分尺、摇表、高度尺、角规等测量工具来进行；二.特殊检测工具的使用这种情况，因产品的结构关系，通用的检测工具已经无法满足使用的需求上海交通大学硕士研究生论文39了。如：需要检测的部位比较狭小，检测的项目又不难，这是我们可以采用万能显微镜来进行；三.特殊工装检具的使用这种情况，产品的型面通常比较复杂，需要检测的频率又比较高，考虑的成本问题，对这类项目，通常我们为其制作专门的检具来满足其使用要求。四.机械、激光、光电的检测设备的使用工装检具的使用适合于批量生产的情况，它方便工人的操作，具有一定的操作性，得到的结果通常是定性的，如该产品的型面是否符合要求？如果想得到具体的偏差值，则必须运用机械、激光、光电的检测设备，得到量化的结果。但该种情况的缺点亦很明显，不适合大批零件的检测，费时且费用较高。3.3 汽车内饰产品的特点汽车内饰产品的特点一、容易翘曲、变形注射制品的翘曲、变形是很棘手的问题。主要应从模具设计方面着手解决，而成型条件的调整效果则是很有限的。翘曲、变形的原因及解决方法可参照以下各项：1）由成型条件引起残余应力造成变形时，可通过降低注射压力、提高模具并使模具温度均匀及提高树脂温度或采用退火方法予以消除应力。2）脱模不良引起应力变形时，可通过增加推杆数量或面积、设置脱模斜度等方法加以解决。3）由于冷却方法不合适，使冷却不均匀或冷却时间不足时，可调整冷却方法及延长冷却时间等。例如，可尽可能地在贴近变形的地方设置冷却回路。4）对于成型收缩所引起的变形，就必须修正模具的设计了。其中，最重要的是应注意使制品壁厚一致。有时，在不得已的情况下，只好通过测量制品的变形，按相反的方向修整模具，加以校正。收缩率较大的树脂，一般是结晶性树脂（如聚甲醛、尼龙、聚丙烯、聚乙烯及 PET 树脂等）比非结晶性树脂（如 PMMA 树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS 树脂及 AS 树脂等）的变形大。另外，由于玻璃纤维增强树脂具有纤维配向性，变形也大。尽管目前 CAE 软件已能对该缺陷作一定的预防，但因某种因素未能得到普遍的运用，该类缺陷的存在还是比较常见。二型面的复杂程度较高，通常都具有较高的外型的曲面要求。此外，为了保证产品的外观光顺、整洁，目前大多产品设计时都已不采用可视性的固定方式。所以，在产品的内表面也有较多的加强、定位及紧固结构。三相关联的零件比较繁多，一般都为可视性零件。所以零件的重要程度都相对较高。对待零件的变更，需要对模具、工装、检具、工艺等作一连贯的修改，牵连性比较高。零件的轻微改动都会带来不菲的修改费用；3.4 本章小结本章小结本章通过对汽车内饰件产品的检测特点及通常的检测方法的介绍，在该类产品的开发中，最为显著和重要的特点就是开发周期的控制，所以逆向工程技术正好发挥了其特点，利用 ATOS 精密光学测量仪，它具有独特流动式的设计，上海交通大学硕士研究生论文40在不需要任何平台（如三坐标测量仪，数控机械或机械手等）支援下，使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（如汽车及大型内外饰件、摩托车外形、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。概括地说，整个测量过程可分为以下过程：待测实物的准备工作 光栅数码拍照 光栅的空间编码测量 物体点云诚然，汽车内饰件有其固有的特点的存在，如易变形，产品的外形曲面通常不规则及较为复杂，固定点多，相关的匹配关系多等。本文在研究过程中充分考虑到了这些问题的存在，并提出了仿真车身的固定方式，在样架上进行产品的三维检测，从而减少产品的变形，逼近产品的装配状态，之后利用逆向工程技术对其进行三维测量，进而达到快速与 3D 模型相比较，得出两者之间的差异比较结论，为产品开发过程中作出有利判断提供了基础。上海交通大学硕士研究生论文41第四章 逆向工程技术在产品数字化检验中的应用实例运行第四章 逆向工程技术在产品数字化检验中的应用实例运行本章主要介绍通过检测软件包对产品进行检测。如前所述，检测的基础和核心是散乱测量数据与CAD模型的配准。当配准完成后，就可由软件轻易地得到所需的偏差数据，并可通过偏差图谱等直观的方式表达出来。以下以一套仪表板的数据检测为例，说明数据检测的一般过程。案例一：4.1 基于仪表板 CAD 三维数模对仪表板产品的整体检测案例一：4.1 基于仪表板 CAD 三维数模对仪表板产品的整体检测411将仪表板CAD三维数模和仪表板三维测量数据导入到软件中。仪表板CAD三维数模的绝对坐标为汽车坐标系，而仪表板三维测量数据绝对坐标为测量时确定的一个随机坐标系， CAD三维数模和三维测量数据不可能重合，因此需要调整三维测量数据，将测量数据的空间位置调整到与CAD三维数模一致。下图4-2可以明显地看出：仪表板的原始CAD三维数据（蓝色）与仪表板的三维测量数据（灰色）两者不相重合。Figure 4-1: The Position Of The Original CAD Data And The Measuring Data上海交通大学硕士研究生论文42412 测量数据与测量数据与 CAD 模型的初步配准模型的初步配准Geomagic studio 的数据配准的方法有多种，但是通常使用的方式为先手工配准，其次再由整体配准的过程，本例也不例外。手工配准又分单点配准和多点配准，对于复杂的曲面，我们通常采用多点配准的方法，即先在CAD模型找到多个比较具备明显特征的点。同样，在测量数据相对应的位置找出相同的点（保证点的个数与各点的选择顺序一致） ，当配准点选择完毕后，运行软件的配准功能即可。此时得到初步配准后的仪表板三维测量数据，如下图4-2所示：仪表板CAD三维数模为红色（选择了六个点配准） ，仪表板三维测量数据为黄色（也选择了六个点配准） 。Figure 4-2:The Points Choosing Process初步配准后，得到配准数据如下图4-3所示上海交通大学硕士研究生论文43 Figure 4-3: The Result Of Rough Matching413 测量数据与测量数据与 CAD 模型的整体配准模型的整体配准在初步配准后，如果有必要，还需对测量数据进行整体配准，进一步提高配准精度。下图4-4即为整体配准后的测量数据。Figure 4-4: The Matching Of The Whole Surface414 测量数据与测量数据与 CAD 模型的整体数据检测模型的整体数据检测当测量数据与CAD模型的整体数据配准完成后，下面进行的检测工作就比较方便了。我们用偏差图谱来表示测量数据与CAD模型的整体偏差情况，偏差上海交通大学硕士研究生论文44在特定的范围内用特定的颜色来表示，从而能够轻而易举的判断整体偏差情况，如下图4-5所示： 我们对偏差设置了七个色段， 分别用来表示 （-，-5.0） 、 （-5.0，-2.75） 、 （-2.75，-0.5） 、 （-0.5，+.5） 、 （+.5，+2.75） 、 （+2.75，+5.0）和（+5.0，）七个区间。从偏差图谱中可清晰地看出：在产品的不同区域，两者进行比较后的偏差大小。为了得到更为准确、可靠的比较结果，步骤二、三中的选点及初配准是显得非常重要的。该步的工作也与操作者的经验有关，必须选择一些显著的特征点，如：圆心、棱边的端点，同时，选取的点的区域不要太过集中于某一区域。如果改变设置区间值，偏差图谱能够即时地反映偏差情况而不需要重新计算。如下图4-6所示：对偏差设置了七个色段，表示（-，-4.0） 、 （-4.0，-2.25） 、（-2.25，-0.5） 、 （-0.5，+.5） 、 （+.5，+2.25） 、 （+2.25，+4.0）和（+4.0，）七个区间。Figure 5: The Deviation Photo1上海交通大学硕士研究生论文45Figure 6: The Deviation Photo2到此，仪表板的数据检测结果可清楚地展示仪表板产品与仪表板CAD数据之间的整体偏差情况，当能也可检测仪表板产品上任意一点的偏差。数据检测的关键就是数据配准，数据配准的精度越高，数据检测结果的可靠性就越高，因此，在数据检测当中，应当非常关注在前期的数据配准。从而引出了下一个话题：如何增强前期的数据匹配精度问题？本文结合生产实际及软件的功能提出了以下的想法并用案例二来说明：案例二：案例二：4.2 基于基于 CAD 三维数模及样架对三维数模及样架对 A 柱内装饰板的整体检测柱内装饰板的整体检测4.2.1 准备工作准备工作在汽车内饰件产品的开发过程中，我们不仅需要检测产品的固定点（即RPS点） 。同时我们还需要检测产品的型面正确与否？在目前的生产实际中企业的通常做法是：先制作样架，亦即在产品开发初期根据已知的产品3D数据及及装配情况，模拟其在车身上的固定关系设计必要的固定点，该做法的意义有：如第三章所述，汽车内饰产品极易发生变形的情况，产品固定在样架上，可以仿真产品的装车效果，纠正一些变形给我们带来的误判断；为下面的坐标系配准工作提供便利；我们准备检测的对象为某车型的“A柱内装饰板” 。如下图4-7、4-8所示分别为产品的正、反两面。上海交通大学硕士研究生论文46 Figure 4-7: The Photo-1 of Product Figure 4-8: The Photo-2 of Product根据产品的特征，我们设计了相应的工装，见下图4-9所示： Figure 4-9: The Fixture Of The Product Figure 4-10: The Fixture and The Product产品固定在样架上的情况如图4-10所示：注意：此时我们建立了如上图所示的坐标系，它不是车身的绝对坐标，但它和绝对坐标系之间存在者一定的关系。根据零件的装车部位不同，可能存在简单的平移关系，也有可能存在着平移+旋转的关系。不论如何，在3D软件中都可轻易地查询到两个坐标系之间的相对关系。掌握这个信息为我们下面的坐标系配准精度的提高至关重要。接下来的操作步骤基本上如上例：422 测量数据的导入测量数据的导入将三维测量数据在Geomagic中打开， 可见其坐标位置是随机的。 如下图4-11所示：上海交通大学硕士研究生论文47 Figure 4-11: The Measuring Data Of The Product423 工作坐标的建立工作坐标的建立我们可以比较方便地在测量数据上建立平面特征plane1,plane2,plane3，通过配准得到调整好坐标的三维测量数据。如上所述，该坐标与车身的绝对坐标系具备一定的关联性（已知条件，我们可以在原始的3D数据中查询到它与车身坐标系必然有一定的旋转和平移的关系并且数值已知） 。如下图4-12所示：上海交通大学硕士研究生论文48 Figure 4-12: The Creation Of Coordinate424 产品产品 3D 数模的导入数模的导入如图4-13所示，我们导入产品的3D数模： Figure 4-13: The Import Of the Products 3D Data 上海交通大学硕士研究生论文49我们仅取A柱内装饰板测量数据，经坐标旋转、平移后与A柱内装饰板的原始3D数据进行比较，可得比较数据如下图4-14所示: Figure 4-14: The Deviations Photo4.3 本章小结本章小结本章通过两个案例的过程说明阐述了逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用。案例一说明了整个工作方法，而案例二在案例一的基础上另僻渠道，考虑了样架工具的介入，从而大大提高了测量数据与原始的3D产品数模的坐标系配准工作。如第二章中所述，我们的目的是：结合汽车内饰件的产品特点及目前企业的一般做法，采取多种的配准技术进行有机结合，从而达到提高曲面配准的精度的目的。在案例中，我们利用了表面配准技术中的“场景场景”配准技术，利用标记物的方法。特别是案例一，因产品的外形尺寸比较大，单纯靠仪器的坐标测量系统无法达到其要求，我们在数据获取的同时引入几何已知的标记物作为基准。采用了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。进而获得我们所需要的点云。在案例二中，当我们获得测量系统的坐标系时，我们需要把它和车身坐标系进行重合的工作，本文采用了参数配准中“最小二乘拟合配准”方法把两者进行了最佳拟合，并利用了最小二乘准则的稳定、对测量噪声较不敏感的特上海交通大学硕士研究生论文50性。详细的理论计算依据见第二章；同时，本文还结合自动配准技术中的特征匹配方法。将要对齐的曲面，创建表现曲面形状特点的特征，通过在两个曲面上搜索相似的特征模式建立对应关系达到配准的目的。上海交通大学硕士研究生论文51第五章 结论与展望第五章 结论与展望逆向工程技术是现代制造业与先进制造技术相结合的研究领域，是在市场竞争的压力和技术进步推动下的必然趋势，为现代企业高质量、短时间、低成本地推动新产品提供了一个有效的产品开发模式。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，提高产品质量等目的，产品开发过程中采用先进的逆向工程技术的工作方式将是必然的选择。本文在研究国内汽车零部件产品开发过程中大多企业所碰到的开发难点，结合汽车内饰注塑产品开发的研究现状，提出运用逆向工程技术的数字化检测手段，得到了以下研究成果：1针对注塑产品开发的特点，就目前汽车内饰产品在开发过程中各企业所碰上的共同问题进行了研究。对传统的开发流程尝试着提出了新的改进思路。2本文分析了在产品的检测中运用数字化的检测手段，并在数字化的检测过程中根据内饰件的特点揉合了表面配准技术中的参数配准技术（最小二乘拟合配准）和自动配准技术中的特征配准方法快速进行测量数据与原有的 3D 数模配准。加速了产品的验证工作；3在上述理论研究的基础上，本文通过一定的软件基础达到对数字化点云与原始的 3D 模型的坐标系对准及对比工作的尝试、运用，从而达到本文的研究目的。本文对汽车注塑产品在开发过程中利用逆向工程技术的研究和运用，对坐标系对准及表面配准关键技术进行了研究和探索，得到了许多有益的经验和结论。由于时间限制，在各个方面的内容有待进一步提高和完善。作者认为在以下几个方面还值得进一步研究：1坐标系的对准工作因为目前有许多软件已经具备了该项功能，所以本文未对其展开重点的研究，为了避免过多的人工干预，本文还提出了参考样架的制作过程，为坐标系的对准工作带来了一定的便利。同时，精度上也得到了较大的保障。当然，有的时候甚至会对 RPS 点进行调整。所以，该种做法同样还存在着弊病。所以，如何快速、准确地运用计算机软、硬件对坐标系的对准及表面的配准作出智能的判断还是有很大的研究空间。2逆向工程技术的推广使用由于逆向工程技术目前在我国的运用还不是非常的广泛，就现况而言，大多数的企业都把该项技术运用与反向测绘样件的前期开发工作中，未在检测环节得到广泛的运用，同时，目前该项技术的一次性费用支出也不小，也造成本文 的 研 究 方 法 的 推 广 工 作 将 会 带 来 问 题 。 但 相 信 随 着 我 国CAD/CAM/CAD/CAPP/RP/RE 的迅速发展，逆向工程技术的使用将会得到广大用户的青睐，也会在内饰产品的开发过程中一展身手。上海交通大学硕士研究生论文52参考文献参考文献1. 雷源忠.美国制造业的发展战略、研究近况及我们的对策.中国机械工程,1994,(2):63-642. 张和明,熊光楞. 面向敏捷制造的集成产品开发要素研究. 计算机集成制造系统-CIMS, 1999, 5(4): 20-243. 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