逆向工程技術在產(chǎn)品數(shù)字化檢驗中的研究與應用

碩士學位論文逆向工程技術在產(chǎn)品數(shù)字化檢驗中的研究與應用專業(yè)：材料加工工程PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII逆向工程技術在產(chǎn)品數(shù)字化檢驗中的研究與應用摘要制造業(yè)作為整個社會發(fā)展的前提和基礎，在人類社會中起著至關重要的作用。產(chǎn)品開發(fā)是制造業(yè)中最為重要的部分，特別是產(chǎn)品開發(fā)的早期階段更是起著決定性作用。模具作為產(chǎn)品成形的重要工具，廣泛應用于國民經(jīng)濟各生產(chǎn)領域，模具的設計制造是一個復雜過程，涉及到產(chǎn)品設計、模具設計、電加工、機械加工等方方面面，因此，如何快速、高質(zhì)量、低成本地設計制造出產(chǎn)品模具，尤為關鍵的是如何使制造的產(chǎn)品能迅速地滿足客戶的要求，以最快的速度形成批量就成為在市場競爭中的一個重要因素。在現(xiàn)在的汽車工業(yè)及模具工業(yè)中，三維的CAD/CAM軟件已得到了普遍的運用，根據(jù)產(chǎn)品的實際情況，制造產(chǎn)品的工序流程往往有所不同。即：所謂的正向設計及逆向設計的兩種設計思路。因現(xiàn)實中的各種因素并非所有產(chǎn)品都采用正向設計，如需仿制和備份某一非專利產(chǎn)品或是因原數(shù)據(jù)丟失等情況，這時就要采用逆向設計了。但不論正向還是逆向設計，在產(chǎn)品的開發(fā)過程中都不可避免地需要采取一定的手段來驗證產(chǎn)品制造的正確性這個工作環(huán)節(jié)。如何使產(chǎn)品開發(fā)的周期縮短，使產(chǎn)品早日進入批產(chǎn)階段，這是各企業(yè)所關心的問題。驗證工作這道工序在整個開發(fā)流程中就起到了至關重要的作用！在目前大多數(shù)企業(yè)中，對產(chǎn)品的驗證工作主要都是通過檢具來進行的。從模具設計開始，產(chǎn)品工程師就必須充分消化產(chǎn)品圖紙，了解產(chǎn)品的裝車部位及列出零件重要特性分級表，并與檢具設計工程師一起分析、考慮檢具的設計工作。然而，現(xiàn)實工作中總是存在著不少的困難，如：檢具的費用一般價格不菲；因匹配的關系，即便產(chǎn)品符合數(shù)模的要求，因與該產(chǎn)品相匹配的產(chǎn)品又不便更改等情況的出現(xiàn)時，應主機廠的要求而必須更改產(chǎn)品形狀。這樣一來，產(chǎn)品數(shù)模、模具、檢具就必須進行一連串的更改。根據(jù)實際經(jīng)驗，產(chǎn)品進入批產(chǎn)時，一般情況下，檢具往往已改得面目全非，并且與初始的設計數(shù)模對不上號了，可以說，這樣的流程具有三大缺點：1． 2．頻繁的修改，有時數(shù)模不能或難以及時地進行相應的更改，致使檢具的實際情況與數(shù)模有所偏差，不利于檢具的復制及存擋數(shù)據(jù)的正確性的工作的進行；3．檢具的更改不是一天二天的事情，一定程度上延緩了產(chǎn)品開發(fā)的進度。所以該課題研究的是：能否在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，躍過檢具的設計及制作工序？而是利用逆向工程的技術采用更加簡潔的方法達到此目的。節(jié)約加工成本、加速產(chǎn)品開發(fā)的進度。本課題提出了這樣的一個問題：在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，能否運用現(xiàn)在的逆向手段，另僻渠道，更加快速地驗證產(chǎn)品與設計的符合程度，以加速產(chǎn)品開發(fā)的速度。當然，在產(chǎn)品經(jīng)過數(shù)據(jù)驗證及裝車認可后，為了便于批量生產(chǎn)過程中的操作便利性，我們?nèi)匀豢梢栽诤笃谶M行檢具的加工工作，但這樣就可以消除上述所說的常規(guī)流程給我們所帶來的缺陷了，本課題結(jié)合了企業(yè)的多項生產(chǎn)事例，論證了逆向工程技術在產(chǎn)品數(shù)字化檢驗中的研究和運用，表明了本文研究得到的成果和結(jié)論是成功而有效的。關鍵詞：正向設計,逆向設計,檢具,零件重要特性,產(chǎn)品數(shù)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附件四上海交通大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，學位論文作者簽名：李烈華日期： 2005年06月09日PAGEPAGE2附件五上海交通大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。本學位論文屬于不保密□。（請在以上方框內(nèi)打“√”）學位論文作者簽名：李烈華 指導教師簽名：邢淵日期： 2005年06月09日 日期： 2005年06月09日PAGEPAGE10第一章 緒論制造業(yè)作為整個社會發(fā)展的前提和基礎，在人類社會中起著至關重要的作用。激烈的市場競爭給企業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的壓力，要想在生產(chǎn)中取得優(yōu)勢，企業(yè)必須要能夠在最快的時間內(nèi)生產(chǎn)出高質(zhì)量、低成本、有特色的產(chǎn)品，并提供優(yōu)質(zhì)的售后服務。為了面對競爭日益激烈和需求不斷變化的市場，制造業(yè)紛紛提出新的制造技術、方法、戰(zhàn)略和哲理，從二十世紀七十年代的計算機集成制造哲理、八十年代的并行工程理論，到九十年代的智能制造，直至現(xiàn)在的敏捷制造和全球制造。雖然采用的手段和方式不同，但它們都有一個共同目的，即快速、高質(zhì)量、低成本生產(chǎn)出最令客戶滿意的產(chǎn)品。產(chǎn)品開發(fā)是制造業(yè)中最為重要的部分，特別是產(chǎn)品開發(fā)的早期階段更是起著決定性作用。盡管許多企業(yè)已通過柔性制造和信息集成等技術改善了生產(chǎn)條件，獲得了顯著的經(jīng)濟效益，但這些高新技術的應用遠沒達到人們所期望的目標。對國內(nèi)外企業(yè)的調(diào)查和分析表明：改進產(chǎn)品的開發(fā)過程比改進產(chǎn)品的生產(chǎn)過程獲得的效益更為顯著。因而對產(chǎn)品開發(fā)支持技術和環(huán)境的研究具有十分重要的意義。復雜產(chǎn)品的開發(fā)過程涉及到來自多個學科的人員，成功的產(chǎn)品是群體勞動的成果。為了使群體參與的產(chǎn)品開發(fā)過程取得成功，需要對其進行有效的控制和協(xié)調(diào)，并提供群體以相應的支持環(huán)境。模具作為產(chǎn)品成形的重要工具，廣泛應用于國民經(jīng)濟各生產(chǎn)領域，模具的設計制造是一個復雜過程，涉及到產(chǎn)品設計、模具設計、電加工、機械加工、表面工程、快速原型制造、逆向工程技術等方方面面，因此，如何快速、高質(zhì)量、低成本地設計制造出產(chǎn)品模具及形成規(guī)模生產(chǎn)的能力已成為市場競爭的重要因素。本文以汽車內(nèi)飾注塑產(chǎn)品為對象，結(jié)合生產(chǎn)過程中的實際焦點問題，著重對該類零部件在開發(fā)過程中利用逆向工程技術進行快速檢測進行研究?！?.1汽車內(nèi)飾注塑產(chǎn)品的現(xiàn)狀在現(xiàn)在的汽車工業(yè)發(fā)展過程中，隨著各種工業(yè)技術的發(fā)展及人們對汽車的概念轉(zhuǎn)化，汽車不僅僅是一種代步工具，更為重要的是：安全性、舒適性、性價比等各類參考因素在人們的購車過程中考慮的?！?.1.1注塑產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀塑料、混凝土、鋼材和木材并稱為四大工業(yè)材料，生產(chǎn)的年增長率以塑料居首位，以塑料代替金屬、木材是節(jié)約能源、方便制造以及賦予材料具有適宜性能的重要方向。在塑料加工工藝中注塑是熱塑性材料的主要成形方法之一，注塑可以制出形狀最復雜的制品，制品成形后加工少，準確性高，是生產(chǎn)率最高的加工方法之一。當前激烈的市場競爭帶來越來越快的產(chǎn)品的更新?lián)Q代，其中占有很大比重的注塑產(chǎn)品的更新?lián)Q代對注塑產(chǎn)品的開發(fā)提出了更高的要求。為了順應市場的要求，國內(nèi)外開始將逆向工程技術應用到注塑產(chǎn)品的開發(fā)過程中，BilesRP技術應用到注塑產(chǎn)品的開發(fā)過程中，將原先需幾個星期甚至幾個月才能完成的樣件在數(shù)天內(nèi)完成，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期；David利用CAPP實施注塑產(chǎn)品的并行設計；沈建新對并行技術在注塑模并行設計中CAD/CAECAE分析反饋修改CAD模型的方法達到注塑產(chǎn)品的并行設計；Kwong在將黑板推理和知識推理用于注塑模工藝規(guī)劃中；Kurth利用特征技術進行注塑模的型腔設計，Lee利用知識推理確定注塑模的設計過程規(guī)劃。但目前注塑產(chǎn)品并行設計僅僅屬于局部的協(xié)同，研究還不夠深入。根據(jù)模具工業(yè)面臨的問題和注塑產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀，本文以注塑模為對象，在注塑產(chǎn)品開發(fā)過程中引入逆向工程技術的方法，針對汽車內(nèi)飾產(chǎn)品的特點，研究在該類產(chǎn)品的開發(fā)過程中，如何解決在開發(fā)末期檢具制作的重復性焦點問題。研究內(nèi)容同樣適用于制造業(yè)其它產(chǎn)品的開發(fā)過程。§1.1.2模具工業(yè)面臨的問題模具對于一般的產(chǎn)品來說屬于工具范疇，精度高，結(jié)構(gòu)復雜、并有較高的材質(zhì)要求，使得模具的設計和制造相當困難，同時模具成形的封閉性和成形理論的不完善，使得模具設計制造帶有很強的經(jīng)驗性和盲目性。因此，目前模具設計制造一般有以下兩點不足：模具造價昂貴，設計制造過程中稍有不慎，就可能導致嚴重的后果，損失慘重，降低企業(yè)的市場競爭力；模具設計制造過程中往往需要反復試模和修模才能滿足要求，延長了生產(chǎn)周期，增加了成本，降低了企業(yè)的市場響應能力。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，在模具設計制造過程中，出現(xiàn)了CAD、CAE、CAM、CNC、RP、RPM等技術，但由于缺乏靈活的信息交流，使得CAD、CAE、MRRPMM、RP、RPMCADCAD階段也沒有全生命周期的考慮，CAD/CAE/CAM集成只是以數(shù)據(jù)文件的方式實現(xiàn)設計結(jié)果的交流，并行效率低，難以實現(xiàn)通過設計過程中的分析的及時反饋來改進設計。由于模具的設計制造是一個十分復雜的過程，它涉及產(chǎn)品設計、模具設計、電加工、機械加工、表面工程、快速原型制造、逆向工程技術等方方面面，現(xiàn)在的模具設計制造企業(yè)很難同時具有這些方面的技術優(yōu)勢及軟硬件條件，面臨市場的競爭，為了縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，采用逆向工程技術的工作方式是必然的選擇。§1.1.3塑料注射成型工藝的影響因素：塑料具有密度小、質(zhì)量輕、比強度大、絕緣型號和價格低等一系列優(yōu)點，在國民經(jīng)濟的各個領域得到了日益廣泛的應用。塑料注射成型在塑料加工行業(yè)中占有十分重要的地位，是最有效的塑料加工方法之一。但傳統(tǒng)的塑料注射成型主要是采用嘗試法，經(jīng)常是依據(jù)設計這有限的經(jīng)驗和比較簡單的計算公式來制定成型工藝和設計模具。而在注射成型生產(chǎn)實際中，塑料熔體的流動性能千差萬別，制品和模具的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，工藝條件各不相同，僅依賴有限的經(jīng)驗和簡單的公式難以對各種影響因素作綜合的考慮和正確的處理。傳統(tǒng)方法與塑料工業(yè)日新月異發(fā)展之間的差距，導致了注射成型中經(jīng)常出現(xiàn)反復試磨合修模、生產(chǎn)周期長、費用高、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證等弊病。注射成型工藝的正確制定是為了保證榮體能良好塑化并順利地充模、保壓、冷卻與定型。在注射成型工藝中最重要的工藝參數(shù)是溫度（料溫、噴嘴溫度、模具溫度、壓力（塑化壓力、注射壓力、型腔壓力）和相對應的各個作用時間（注射時間、保壓與實壓時間、冷卻時間）等。溫度的影響料溫 塑料的加工溫度是由注射機料筒來控制的。料筒溫度的正確選擇關系到塑化質(zhì)量。其選擇原則是能保證順利地注射成型而又不引起塑料局部降解。在生產(chǎn)中除了要嚴格控制注射機料筒的最高溫度外，還應控制熔體在料筒中的停留時間。模具溫度在注射成型過程中模具溫度通常是由冷卻介質(zhì)（常溫水）控制的，它決定了熔體的冷卻速度．模具溫度愈低，冷卻速度愈快，熔體溫度降低得愈迅速，會造成熔體粘度增大，注射壓力損失過高，嚴重時甚至會引起充模不足．隨著模具溫度的升高，熔體流動性變好，所需充模壓力減小，制品的生產(chǎn)率下降，制品的成形收縮率變大．壓力的影響注射成型過程中的壓力包括背壓、注射壓力和型腔壓力。背壓是通過調(diào)節(jié)注射液壓缸的回油阻力來控制的。背壓增大了熔體的內(nèi)壓力，加強了剪切效果。由于塑料的剪切發(fā)熱，提高了熔體的溫度。背壓的增加使螺桿退回速度減慢，延長了塑料在螺桿中的受熱時間，塑化質(zhì)量可得到改善。但過高的背壓增加了料筒計算室內(nèi)熔體的反流和漏流，降低了熔體的輸送能力，減少了塑化量，增加了功率消耗。此外，過高的背壓還會因熔體剪切發(fā)熱，溫度上升過高或者切應力過大，使熔體發(fā)生降解。注射壓力是指注射時在螺桿頭部產(chǎn)生的熔體壓強。而型腔壓力是指注射壓力經(jīng)過噴嘴，流道和澆口渴壓力損失后在模具型腔內(nèi)產(chǎn)生的熔體壓強。注射速度和冷卻時間的影響注射速度主要影響熔體在型腔內(nèi)的流動行為。通常隨著注射速度的增大，熔體流速增加，剪切作用加強，熔體粘度降低，熔體溫度因剪切發(fā)熱而升高，所以有利于充模。制品各部分的熔接縫強度也得以增加。在實際生產(chǎn)中，注射速度通常是經(jīng)過試驗來確定的。一般先以低壓慢速注射，然后根據(jù)制品的成型情況而調(diào)整注射速度。模具的溫度直接影響到制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于各種塑料的加工性能和成型工藝要求不同，對模具溫度的要求也不同。當模具的冷卻系統(tǒng)確定后，模具的冷卻時間對調(diào)節(jié)模具溫度，保證注射成型過程連續(xù)而穩(wěn)定地進行起關鍵的作用?！?.2產(chǎn)品開發(fā)的周期§1.2.1先進制造技術先進制造技術至今沒有一個嚴格定義，但卻已是一個國際上形成廣泛共識的概念和已被公認的技術術語。廣泛的共識是：傳統(tǒng)制造技術不斷地汲取計算機、信息、自動化、新材料和現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術的最新成果，并將其綜合應用于產(chǎn)品的研究與開發(fā)、設計、生產(chǎn)、管理和市場開拓、售后服務、客戶關系維護、供應鏈關系維護等，并取得社會經(jīng)濟效益，這些綜合技術通稱為先進制造技術。先進制造技術主要包括四部分：現(xiàn)代設計技術、先進的制造技術、綜合自動化技術、現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術。其中引起廣泛關注和研究的有：計算機集成制造、并行工程、敏捷制造等。計算機集成制造（ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS）引起了國內(nèi)外的廣泛關注。CIMS將制造系統(tǒng)中的各種自動化孤島用計算機進行有機的集成，使制造系統(tǒng)適合于多品種、中小批量的生產(chǎn)，提高制造系統(tǒng)的總體效益和柔性。實現(xiàn)CIMS的基本要求是應用系統(tǒng)工程理論與技術、系統(tǒng)仿真技術等，實現(xiàn)各種信息的集成。從發(fā)展上來看，CIMS經(jīng)歷了信息集成、過程集成和企業(yè)集成等階段。信息集成是針對在設計、管理和加工制造中大量存在的自動化孤島，解決其信息的正確、高效的共享和交換，這是改善企業(yè)技術和管理水平必須首先解TQCSE（時間、質(zhì)量、成本、服務、環(huán)境）的基礎。其內(nèi)（1）（2）異構(gòu)環(huán)境下的信息集成。企業(yè)為了提高產(chǎn)品的TQCSE，除了信息集成外，過程集成也是必需的。傳統(tǒng)的設計、制造過程是串行的，往往造成產(chǎn)品開發(fā)過程的大量反復，這無疑使產(chǎn)品開發(fā)周期變長，成本增加。如果對產(chǎn)品開發(fā)中的各個環(huán)節(jié)進行有效的過程集成，則可以減少反復、縮短開發(fā)時間。過程集成的主要內(nèi)容包括：（1）產(chǎn)品設計開發(fā)過程的重構(gòu)和建模；（2）支持并行作業(yè)的多學科大協(xié)同工作小組，以及計算機網(wǎng)絡支持的協(xié)同工作環(huán)境（CSCW）和PDM，支持實現(xiàn)異地互操作；（3）各種并行工具的使用，如DFM，DFA等。（1）支持敏捷制造（2）（3）網(wǎng)絡平臺的支持。應該說，CIMS的最早含義是側(cè)重于信息集成，隨著對CIMS的進一步研究，現(xiàn)代CIMS包含了系統(tǒng)論、信息化、集成化、網(wǎng)絡化、虛擬化、智能化等促進制造系統(tǒng)更快發(fā)展的新技術、新方法，從而具有更大的靈活性，為后續(xù)的進一步發(fā)展留有余地，更重要的是有利于企業(yè)的接受和推廣應用。并行工程長期以來，產(chǎn)品開發(fā)過程一直采用串行工作方法，沿著“需求定義→產(chǎn)品設計→工藝設計→加工制造→產(chǎn)品銷售和維護”的流程進行。這種方法由于設計的上游不能考慮到下游的各種因素，如可制造性、可裝配性等因素，造成產(chǎn)品設計過程中的“設計→加工→試驗→試件”的大循環(huán)，從而導致產(chǎn)品開發(fā)的周期長、成本高。在目前競爭激烈、產(chǎn)品更新?lián)Q代快的市場條件下，這種方法的缺陷已經(jīng)嚴重威脅著企業(yè)的生存和發(fā)展。并行工程（ConcurrentEngineering,CE）正是在這種背景下產(chǎn)生的。目前人們普遍采用的是R.L.Winner在IDA研究報告（R-338）中提出的定義：并行工程是一種對產(chǎn)品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）進行并行、一體化設計的系統(tǒng)化工作模式，這種模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品生命周期（從產(chǎn)品的概念形成到報廢）中的所有因素：包括質(zhì)量、成本、進度與用戶需求。工藝設計產(chǎn)品設計需求定義串行過程工藝設計產(chǎn)品設計需求定義并行過程并行過程的產(chǎn)品開發(fā)周期節(jié)省的時間串行過程的產(chǎn)品開發(fā)周期并行過程并行過程的產(chǎn)品開發(fā)周期節(jié)省的時間串行過程的產(chǎn)品開發(fā)周期市場、維護需求定義市場、維護加工制造加工制造工藝設計產(chǎn)品設計Fig1.1Comparisonoftraditionalengineeringandconcurrentengineering并行工程與串行工程的比較如圖1.1所示。并行工程實施的目的有以下三點：縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)對市場的應變能力。并行工程通過并行設計、優(yōu)化生產(chǎn)過程，減少再設計工作量，縮短了設計周期和生產(chǎn)準備時間，提高了生產(chǎn)過程的效率，從而整體地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。提高產(chǎn)品及其全過程的質(zhì)量。并行工程不僅僅把質(zhì)量看成是產(chǎn)品度量的標準，也是設計、工藝、制造、服務等系統(tǒng)度量標準，即將質(zhì)量融于產(chǎn)品設計、制造、服務的全過程，強調(diào)只有持續(xù)地提高和完善設計與制造全過程的質(zhì)量，才能真正保證產(chǎn)品的質(zhì)量。降低產(chǎn)品整個生命周期的成本。并行工程的目的不是單純地降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期中某一部分的消耗，而是降低產(chǎn)品在整個生命周期中的消耗，包括設計、制造、裝配、檢驗、維護等消耗。敏捷制造作為近年來的一種先進企業(yè)集成形式，敏捷制造指導思想是：充分利用信息時代的通訊工具和通信環(huán)境，為某一產(chǎn)品的快速開發(fā)，在一些制造企業(yè)之間建立一個動態(tài)聯(lián)盟，各聯(lián)盟企業(yè)之間加強合作和知識、信息、技術資源共享，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢和創(chuàng)造能力，在最短的時間內(nèi)以最小的投資完成產(chǎn)品的設計制造過程，并快速把產(chǎn)品推向市場。各企業(yè)間嚴格履行企業(yè)合約，利益同享，風險共擔。當任務或產(chǎn)品壽命終結(jié)時，聯(lián)盟企業(yè)自行解散或締結(jié)新的聯(lián)盟。敏捷制造體系可以認為主要有兩個實際內(nèi)涵：虛擬企業(yè)（VirtualEnterprise）和虛擬開發(fā)（VirtualDevelopment）虛擬企業(yè)具有較大優(yōu)勢的某一企業(yè)經(jīng)過市場的調(diào)查研究后完成某一產(chǎn)品的概念設計，然后組織其它具有某些設計制造優(yōu)勢的企業(yè)組成動態(tài)聯(lián)盟，快速完成產(chǎn)品的設計加工，搶占市場。我們稱這個具有優(yōu)勢的企業(yè)為盟主，其它聯(lián)盟企業(yè)為盟友。各聯(lián)盟企業(yè)間通過現(xiàn)代通信技術相互聯(lián)系，由盟主協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)同地或異地設計制造過程。虛擬開發(fā)一個產(chǎn)品的生命周期主要包括概念設計、結(jié)構(gòu)設計、制造裝配等各方面。各因素之間的相互關系比較復雜，且相互影響。要想加快開發(fā)速度，就必須借助現(xiàn)代化的計算機設備構(gòu)成一個虛擬開發(fā)環(huán)境。虛擬開發(fā)環(huán)境應包括以下內(nèi)容：①虛擬設計虛擬設計應充分利用現(xiàn)有的CAD設計軟件和設計平臺、面向制造設計、面向裝配設計和面向質(zhì)量設計等設計思想。在虛擬設計過程中，可以充分利用虛擬制造、虛擬裝配、決策支持系統(tǒng)等虛擬加工、裝配，及早發(fā)現(xiàn)設計上的問題。②虛擬制造 充分利用P、M、S（CoputerSiulation、（RapidPrototypeManufacturing)等虛擬制造技術，為設計的優(yōu)化提供依據(jù)，也為優(yōu)化制造過程提供分析和輔助工具，達到縮短開發(fā)周期、實現(xiàn)敏捷制造的目的。③虛擬裝配部件設計得再好，加工再精良，如果難以完成裝配，將難以實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的目的。虛擬裝配可直接提高產(chǎn)品開發(fā)的敏捷度。④決策支持系統(tǒng)由于產(chǎn)品的復雜性和設計加工的難度，要求在產(chǎn)品的生DSS（DecisionSupportSystem）的幫助下完成產(chǎn)品的設計開發(fā)過程。這對減小產(chǎn)品開發(fā)的風險、降低技術人員的勞動強度、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期都具有重要意義。§1.2.2現(xiàn)代產(chǎn)品設計被確定費用實際消耗費用產(chǎn)品設計是生產(chǎn)技術中的第一道工序，設計質(zhì)量的高低是決定產(chǎn)品一系列技術經(jīng)濟效果的關鍵問題。產(chǎn)品設計階段決定了產(chǎn)品成本的主要部分，圖1.2給出了一般產(chǎn)品生命周期中投入費用的分布情況?？梢钥闯霎a(chǎn)品開發(fā)的早期階段將決定產(chǎn)品生命周期費用的85%，產(chǎn)品開發(fā)早期階段只占生命周期費用的7%被確定費用實際消耗費用100%85%7%概念設計 詳細設計 產(chǎn)品制造 產(chǎn)品維護 報廢回收圖1.2產(chǎn)品生命周期費用Fig1.2Costduringproductlifecycle現(xiàn)代產(chǎn)品設計是面向市場、面向用戶的設計，企業(yè)的TQCSE五項指標是衡量設計成功與否的標準。在爭取用戶滿意的競爭中，現(xiàn)代設計要求對產(chǎn)品進行全生命周期設計。而面對越來越復雜的設計對象，單個人和企業(yè)已不能勝任，需要多個專家和企業(yè)組成多功能設計小組，以一種協(xié)同的工作方式來進行產(chǎn)品的設計。隨著計算機技術與網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展,基于計算機網(wǎng)絡的協(xié)同設計技術成為現(xiàn)代產(chǎn)品設計的技術載體?！?.3檢具在制造業(yè)的運用情況設計對象結(jié)構(gòu)的越趨復雜，面對市場的需求，同時客戶對產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越趨嚴格，如何保證所生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足設計要求并能在制造環(huán)節(jié)中起到有效的控制作用？單純靠傳統(tǒng)的測量技術顯然不能滿足實際大批量的生產(chǎn)要求了。檢具在這種特定的要求中有了其需求?！?.3.1汽車內(nèi)飾件開發(fā)中產(chǎn)品檢測計劃的制定在汽車的開發(fā)過程中，所涉及的零件成千上萬，人們對汽車的要求不僅僅局限在性能上。同時，對汽車的內(nèi)外飾也提出了更高的要求。如：內(nèi)飾件的匹配斷差、間隙值是否均勻等，為獲得市場的青睞，獲取更多的客戶，主機廠的開發(fā)、質(zhì)量部門對這些匹配問題的要求甚至達到了“苛刻”的地步！然而問題的發(fā)生是哪家供應商的產(chǎn)品的問題，或亦是主機廠本身的問題？如何判斷？如何修正？這一系列問題的產(chǎn)生使檢具有了用武之地。檢具的設計、制造、運用體現(xiàn)在產(chǎn)品的制造過程。在產(chǎn)品制造過程之初，我們就應該考慮檢具的制作了。通常我們與主機廠的檢測工程師一起商定制作檢具測量計劃。明確產(chǎn)品的RPS點及其分布描述、掃描范圍的描述及要求公差、需要檢測的輪廓部位、剖面線位置等。亦即雙方明確了產(chǎn)品的特性要求，達成共識。Figure1-3 The RPS Figure1-4TheRPSPoint’sCoordinateFigure1-5ScanLineDescriptionFigure1-6TheValueofEachScanLineFigure1-7TheMeasurePointsOfProfileFigure1-8TheCoordinateOfProfile’sPointsFigure1-8TheCoordinateOfProfile’sPointsFigure1-9TheCoordinateOfProfile’sPoints§1.3.2檢具的總則及技術要求對于光滑極限量規(guī)：總則：1．測量的標準條件：溫度為：200C，測力為零；2．檢驗工件最大實體尺寸（即孔為最小、軸為最大極限尺寸）的量規(guī)稱通規(guī)；檢驗工件最小實體尺寸（即孔為最大、軸為最小極限尺寸）的量規(guī)稱止規(guī)；3．符合極限尺寸判斷原則（即泰勒原則）的量規(guī)如下：通規(guī)的測量面應是與孔或軸形狀相對應的完整表面（通常稱為全形量規(guī)，其尺寸等于工件的最大實體尺寸，且長度等于配合長度。止規(guī)的測量面應是點狀的，兩測量面之間的尺寸等于工件的最小實體尺寸。符合泰勒原則的量規(guī)，如在某些場合不方便或有困難時，可在保證被檢驗工件的形狀誤差不影響配合性質(zhì)的條件下，使用偏離泰勒原則的量規(guī)。4．如通規(guī)能通過，止規(guī)不能通過，則該工件應為合格品；5．制造廠對工件進行檢驗時，操作者應該使用新的或者磨損較少的通規(guī)；檢驗部門應該使用與操作者相同型式，且已磨損較多的通規(guī)。用戶代表在用量規(guī)驗收工件時，通規(guī)應接近工件的最大實體尺寸，止規(guī)應接近工件的最小實體尺寸。6．如判斷有爭議，應該使用下述尺寸的量規(guī)解決：通規(guī)應等于或接近工件的最大實體尺寸；止規(guī)應等于或接近工件的最小實體尺寸。7．量規(guī)的形狀和位置誤差應在其尺寸公差帶內(nèi)。其公差為量規(guī)尺寸公差的50%。當量規(guī)尺寸公差小于或等于0.002毫米時，其形狀和位置公差為0.001毫米。技術要求：量規(guī)的測量面不應有銹跡、毛刺、黑斑、劃痕等明顯影響外觀和影響使用質(zhì)量的缺陷。其它表面不應有銹蝕和裂紋。塞規(guī)的測頭與手柄的聯(lián)結(jié)應牢固可靠，在使用過程中不應松動。量規(guī)可用合金工具鋼、碳素工具鋼、滲碳鋼及其它耐磨材料制造。HRC58～65。GB1031-68（表面光潔度。量規(guī)應經(jīng)過穩(wěn)定性處理。標志與包裝1．在塞規(guī)測頭端面和其它量規(guī)的非工作面上應標志：制造廠商標；被檢工件的基本尺寸和公差帶代號；量規(guī)的用途代號（單頭雙極限的量規(guī)可不標志；T表示通規(guī)的用途代號；Z表示止規(guī)的用途代號；出廠年號；14毫米的塞規(guī)，上述標志可標在手柄上。當單獨供應時，塞規(guī)測頭應有上述標志的標簽。2．在產(chǎn)品包裝盒上應標志：產(chǎn)品名稱；制造廠商標；被檢工件的基本尺寸和公差帶代號。3．量規(guī)在包裝前應經(jīng)歷防銹處理，并妥善包裝。4．量規(guī)應有產(chǎn)品合格證。對于位置量規(guī)（或（或）定位部分的尺寸、形狀、方向和位置度英語零件上相應北側(cè)要素的時效便結(jié)伙最大尸體邊界的尺寸、形狀、方向和位置相同。當零件基準要素為輪廓要素（主要指平面）時，位置量規(guī)規(guī)定位部位的尺寸、形狀、方向和位置應與零件上相應基準要素的尺寸、理想形狀、方向和位置相同。當導向部位兼作測量部位或定位部位（即無臺階式）時，其尺寸、形狀、（即臺階式，其尺寸、形狀由設計者按量規(guī)結(jié)構(gòu)要求確定；其方向和位置按所引導的測量部位或定位部位確定。一般情況下，在被測要素和基準要素的尺寸（如孔或軸的直徑、槽和凸臺的寬度等）檢驗合格后，再使用位置量規(guī)檢驗。檢驗零件時，操作者應該使用新的或者磨損較少的位置量規(guī)；檢驗者應使用與操作者相同型式且已磨損較多的位置量規(guī)，用戶代表應使用接近磨損極限的位置量規(guī)。技術要求：位置量規(guī)的技術要求與光滑極限量規(guī)的要求相似，除了：Ra0.2цm,Ra值3.2цm（用不去除材料方法獲得的表面除外?！?.3.3檢具的制作及運用產(chǎn)品檢測計劃的制定為檢具的設計提供了基礎，設計據(jù)此結(jié)合圖紙、產(chǎn)品3D3D設計軟件可以進行檢具的結(jié)構(gòu)設計。綜合而言，需要考慮：1．檢具的實用性；如：便于操作人員的搬運、防止日久生銹、可加工性等，綜合考慮選取密度較小的材料諸如：鋁、代木、有機玻璃塊等材料；2．檢具的安全性：檢具在生產(chǎn)過程中使用的頻率較高，對人身安全因素必須加以考慮，如不允許有銳角的出現(xiàn)，底板考慮安裝支撐塊等結(jié)構(gòu)；3．檢具的可操作性：檢具的設計應以簡單、實用為原則，滿足操作人員的日常使用；檢具制作完畢后，如果內(nèi)飾產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過試樣，并準備送樣。此時把產(chǎn)品固定在檢具上，利用三坐標測量機根據(jù)原先制定的產(chǎn)品測量計劃對產(chǎn)品逐一打點，做好產(chǎn)品的測量工作。如下圖1-10所示： Figure1-10ThePointsMeasured§1.4逆向工程技術介紹§1.4.1幾種商用逆向工程系統(tǒng)和模塊迄今，在國際市場上出現(xiàn)了多個與逆向工程相關的軟件系統(tǒng)，主要：美國DeICAMCOPyCAD，英國MDTV公司的STRIMANDRECONSTRUCTION，英國RENISHAW公司的TRACE等，在一些流行的CAD／CAM集成系統(tǒng)中也開始集成了類似模塊，如UG中的POINTCLOUD；PRE/E中的PRO/SCAN功能模塊等。已有關逆向工程的研究與開發(fā)工作也在不少單位內(nèi)展開，如浙江大學、華中理工大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學等。并取得一定的成果如浙江大學推出了RE-SOFT軟件系統(tǒng)。IMAGEWARE公司的SURFACER7．1主要有四個方面的功能:1）掃描點的分析及處理——可接收來自不同數(shù)據(jù)來源，如CMM，2）曲NURBS曲面模型，3）曲面模型精度、品質(zhì)分析。4）曲面修改——曲線和曲面可實時交互形狀修改。在曲面的重建方面，該系統(tǒng)主要采用下列方法：1）可由掃描點直接產(chǎn)生曲面而不需要經(jīng)過建造曲線的過程，亦可先建周邊曲線，而后用該邊界與其內(nèi)部的掃描點群來產(chǎn)生曲面；2MURBS曲線，然后，根據(jù)曲線來產(chǎn)生曲面。DeICAMC0PyCAD主要有五個方面的功能，1）數(shù)字化點的輸入與處理，包括數(shù)據(jù)輸入與數(shù)字化點數(shù)據(jù)的變換與處理。2）三角形劃分可以根據(jù)用戶定義的允差三角化數(shù)字化模型。3）特征曲線的生成，以交互手動或自動的方式從三角形模型中提取特征線，或直接從外部輸入特征線。4）利用特征線構(gòu)成的問格構(gòu)造曲面片，然后通過指定曲面片之間的連續(xù)性要求來實現(xiàn)曲面片之間的光滑拼接。5）曲面模型精度、品質(zhì)分析。MDTVSTRIM是在國內(nèi)有較大影響的系統(tǒng)、對一個數(shù)字化的對象，其操作步驟大體為：1）以不同的角度將測量數(shù)據(jù)顯示于計算機屏幕上，以便及時發(fā)現(xiàn)不準確的數(shù)字化點和遺漏的測量區(qū)域。2）編輯數(shù)字化點，所有的數(shù)字化點必須經(jīng)篩選或自由光滑處里，以去除壞點，從而提高數(shù)字化點的精度。3）建立線框摸型以交互方式定義模型的特征線。4）生成曲面，通過定義面與面之間的過渡約束（曲線的相切、連續(xù)性等。由線框模型生成一組曲面，這些曲面被自動地覆蓋到數(shù)字化型面上，以盡可能地與測得的數(shù)字化點相吻合，5）校核。NURBS曲面，從它們的功能或操作方法來看，他們的共同特點是先構(gòu)造曲線，或者是利用曲線直接構(gòu)造曲面，或者是通過曲線界定曲面擬合區(qū)峪，先生成曲面片，然后通過拼接構(gòu)成完整的曲面模型。其優(yōu)NURBSCAD／CAM領域內(nèi)相當廣泛，因而，這些系統(tǒng)與其他CAD／CAM系統(tǒng)的通信、交流就十分方便。特征曲線的構(gòu)造在其中起著重要的作用。然而，通過交互定義特征線費時費力，而自動提取的方法在目前仍相當有限。浙江大學的RE-SOFT系統(tǒng)采用了全新的三角BEZIER曲面模型，它首先建立數(shù)字化點的三角形，接著在三角形網(wǎng)格的網(wǎng)孔內(nèi)蒙上三角BEZIER曲面。具體過程是，首先對數(shù)字化點建立一個三角形網(wǎng)格模型，利用這一模型對曲面的特征（尖邊、過渡等）進行辨識，然后利用辨識結(jié)果和用戶給定的誤差對三角形網(wǎng)格進行必要的簡化和調(diào)整，使得網(wǎng)格表示的曲面模型與實物一致，最后，在三角網(wǎng)格的網(wǎng)孔內(nèi)構(gòu)造三角BEZIER曲面曲面片。各個相鄰曲面間自動實現(xiàn)GC1連續(xù)。其優(yōu)點在于三角形曲面在表現(xiàn)形狀方面最為靈活，它能適應各種復雜的形狀和邊界。因而。RE-SOFT在保形性方面明顯強于國外的產(chǎn)品，另外，RE-S0FT操作非常簡單。缺點BEZIERRES0FTCAD／CAM的通RESOFTBezer曲NURBSIGESRE-SOFT還集成了基于三BezlerRE-SOFT已成為目前解決復雜產(chǎn)CAD／CAM問題的最具有特色的軟件系統(tǒng)之一。另外還有一類系統(tǒng)它們不建立曲面模型只是通過一些處理將測量數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為NC程序。這里就不再多述?！?.4.2逆向工程技術的工具介紹是德國“GOM”公司所出產(chǎn)的精密光學測量儀，它獨特流動式的設計，在不需要任何平臺（如三座標測量儀，數(shù)控機械或機械手等）支援下，用者可隨意移動測量頭到任何位置作高速測量，而所測數(shù)據(jù)會自動合并，非常適合測量各大小模型（如汽車、摩托車外形及零件、大型模具、家庭電器等。整個測量過程是基于光學三角形定理，自動影像攝取，再經(jīng)數(shù)碼影像處理器作分析，至數(shù)據(jù)產(chǎn)生只是數(shù)秒之內(nèi)的工序。非接觸式的測量，適合任何類型物件，如人體、軟物體或不可磨損的模具及樣品等。應用范圍：反向工程CAD檔案直接仿形銑加工及作快速成型用途CAD原有模型作公差比較計算機輔助技術如CAD、CAM、FEM等都需要對樣件進行精確的三維測量，用以實現(xiàn)數(shù)學模型與實際零件完全一致。ATOS（theAdvancedTopometricSensor）光學掃描系統(tǒng)可實現(xiàn)對工件的高分辨率高速掃描，每幅掃描照片可獲得工件表面400,000個點的三維坐標，并以點云的形式以多種格式輸出，供CAD/CAM使用。組成結(jié)構(gòu)光學掃描頭電腦和驅(qū)動控制器便攜式三腳架鏡頭校準板測量原理ATOS測量系統(tǒng)的測量過程是基于光學三角形原理。CCD照相機分別從不同的角度對工件表面影像進行拍照，然后將影像經(jīng)數(shù)碼影像處理，精確計算出每個像素點的三維座標值，最終獲得工件表面點云數(shù)據(jù)。應用領域由于采用非接觸式測量，ATOS可用來掃描各種物體，包括零件，模具，塑料制品，人體等。其主要用途CAD文件（用于反向工程）CAD模型直接將掃描數(shù)據(jù)提供給加工中心或快速成型系統(tǒng)進行加工CAD模型進行對比性能參數(shù)掃描范圍每幅照片標準掃描范圍為 350×280mm(點距：0.46mm)可選配其他： 200×160mm(點距：0.26mm)100×80mm 點距：0.13mm)550×440mm (點距：0.70mm)最大掃描尺寸：500mm掃描精度：每張照片的掃描精度為±0.03mm整體掃描精度為：0.1mm/m*照相機分辨率：768×572特點操作簡單簡單的測量概念和友好的軟件見面，使用者在極短的時間內(nèi)便能運用自如測量范圍廣測量范圍從10-5000mm，可以對工件各個角度進行掃描。測量精度高由于掃描分辨率高，對工件細微特征依然能夠測量到數(shù)據(jù)，而且掃描精度高（每幅掃描照片精度達±0.03mm）測量效率高完成一幅照片的掃描只需20秒鐘時間，而每幅照片可采集到超過400,000個點的數(shù)據(jù)。流動式整個系統(tǒng)可置于兩個箱子中，攜帶方便，可在加工現(xiàn)場或其他環(huán)境進行測量。其簡單的校準程序，即使在運輸途中遇到振動或溫度變化，對其精度都沒有影響?！?.5論文選題的意義及主要研究內(nèi)容§1.5.1論文的意義CAD/CAM軟件已得到了普遍的運用，根據(jù)產(chǎn)品的實際情況，制造產(chǎn)品的工序流程往往有所不同。即：所謂的正向設計及逆向設計的兩種設計思路。因現(xiàn)實中的各種因素并非所有產(chǎn)品都采用正向設計，如需仿制和備份某一非專利產(chǎn)品或是因原數(shù)據(jù)丟失等情況，這時就要采用逆向設計了。但不論正向還是逆向設計，在產(chǎn)品的開發(fā)過程中都不可避免地需要采取一定的手段來驗證產(chǎn)品制造的正確性這個工作環(huán)節(jié)。如何使產(chǎn)品開發(fā)的周期縮短，使產(chǎn)品早日進入批產(chǎn)階段，這是各企業(yè)所關心的問題。驗證工作這道工序在整個開發(fā)流程中就起到了至關重要的作用！在目前大多數(shù)企業(yè)中，對產(chǎn)品的驗證工作主要都是通過檢具來進行的。從模具設計開始，產(chǎn)品工程師就必須充分消化產(chǎn)品圖紙，了解產(chǎn)品的裝車部位及列出零件重要特性分級表，并與檢具設計工程師一起分析、考慮檢具的設計工作。然而，現(xiàn)實工作中總是存在著不少的困難，如：檢具的費用一般價格不菲；因匹配的關系，即便產(chǎn)品符合數(shù)模的要求，因與該產(chǎn)品相匹配的產(chǎn)品又不便更改等情況的出現(xiàn)時，應主機廠的要求而必須更改產(chǎn)品形狀。這樣一來，產(chǎn)品數(shù)模、模具、檢具就必須進行一連串的更改。根據(jù)實際經(jīng)驗，產(chǎn)品進入批產(chǎn)時，一般情況下，檢具往往已改得面目全非，并且與初始的設計數(shù)模對不上號了，可以說，這樣的流程具有三大缺點：1.頻繁的修改，資金浪費較大，投入的人力、財力消耗較大；2.頻繁的修改，有時數(shù)模不能或難以及時地進行相應的更改，致使檢具的實際情況與數(shù)模有所偏差，不利于檢具的復制及存擋數(shù)據(jù)的正確性的工作的進行；3.檢具的更改不是一天二天的事情，一定程度上延緩了產(chǎn)品開發(fā)的進度。所以該課題研究的是：能否在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，躍過檢具的設計及制作工序？而是利用逆向工程的技術采用更加簡潔的方法達到此目的。節(jié)約加工成本、加速產(chǎn)品開發(fā)的進度。本課題提出了這樣的一個問題：在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，能否運用現(xiàn)在的逆向手段，另僻渠道，更加快速地驗證產(chǎn)品與設計的符合程度，以加速產(chǎn)品開發(fā)的速度。當然，在產(chǎn)品經(jīng)過數(shù)據(jù)驗證及裝車認可后，為了便于批量生產(chǎn)過程中的操作便利性，我們?nèi)匀豢梢栽诤笃谶M行檢具的加工工作，但這樣就可以消除上述所說的常規(guī)流程給我們所帶來的缺陷了，這正是本課題的意義所在?！?.5.2論文的主要內(nèi)容本文以汽車內(nèi)飾注塑產(chǎn)品的開發(fā)為對象，對產(chǎn)品開發(fā)過程中的檢測過程進行系統(tǒng)的研究，采用逆向工程技術，加速產(chǎn)品的檢測過程，使檢具在產(chǎn)品的匹配過程中頻繁更改，提高企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力，從而提高企業(yè)的競爭力。同時，對企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程中也節(jié)約了大量的人力、財力。本文從汽車內(nèi)飾注塑產(chǎn)品出發(fā)，對產(chǎn)品的檢測關鍵環(huán)節(jié)進行研究，主要包括以下內(nèi)容：第一章為緒論，介紹了當前制造業(yè)面臨的問題，對目前的汽車內(nèi)飾注塑產(chǎn)品的特點、開發(fā)現(xiàn)狀及檢具在該類產(chǎn)品的運用情況進行了分析，并對逆向工程技術的研究現(xiàn)狀進行了介紹，闡述逆向工程技術在產(chǎn)品數(shù)字化檢驗中的意義；第二章自由曲面配準技術的關鍵技術的研究,闡述了各種匹配技術的特點并引伸出本文的思想；第三章闡述了汽車內(nèi)飾產(chǎn)品需要檢測的特點及逆向檢測的簡要過程；第四章以逆向工程技術在轎車儀表板及A柱內(nèi)裝飾板注塑產(chǎn)品中的應用實例,對本文研究的關鍵技術進行實例驗證；第五章對全文進行了綜述和展望?！?.6本章小結(jié)本章首先對論文的研究背景進行了介紹，在此基礎上，闡述了檢具設計的概念，并綜述了國內(nèi)汽車內(nèi)飾產(chǎn)品的開發(fā)給企業(yè)帶來的問題，引出了逆向工程技術的概念，進而引伸出全文的研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)。第二章自由曲面配準技術§2.1引言快速原型制造（RPM技術）80年代后期，基于材料累加法20年來產(chǎn)品設計與制造領域的一5060年代的數(shù)控技術相比。RPM綜合了計算機、機械工程、CAD、數(shù)控技術、激光技術及材料科學等高RPM可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃飚a(chǎn)品：從而可以對產(chǎn)品設計進行快速評估、修改及功能RPM系統(tǒng)為基礎發(fā)展起來并已成熟的快速RPM的研究與發(fā)展將成為我國產(chǎn)品創(chuàng)新設計與制造的重要技術途徑。RPM的核心技術之一，是從一個已有的物理模型或?qū)嵨锪鉉AD模型的過程。與傳統(tǒng)意義的仿形制造不同，逆向工程主要是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設計概念或設計模型，一方面為提高工程設計、加工、分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息，另一方面為充分利用先進的CAD／CAM／CAE技術對已有的物件進行再創(chuàng)新工程服務。廣義的產(chǎn)品逆向工程包括產(chǎn)品形狀（幾何＼工藝以及材料等多方面的逆向設計與分化是一個復雜的系統(tǒng)工程。開發(fā)和推廣應用逆向工程CAD系統(tǒng)，是進一步推進RPM技術應用水平、加快我國產(chǎn)品創(chuàng)設計發(fā)展步伐急需解決的重要工程。同時逆向工程CAD系統(tǒng)和技術可以廣泛應用于汽車、摩托車等復雜產(chǎn)品外形的修復與改造，自然景物的計算機描述；人體擬合如頭盔、太空服等一些功能復雜、價格昂貴的產(chǎn)品設計等。因此，這一技術具有廣闊的應用前景，尤其是對于提高我國航空、航天、汽車、摩托車、摸具工業(yè)產(chǎn)品的快速CAD設計與制造水平，增強產(chǎn)品設計與制造中高新技術含量，提高產(chǎn)品市場競爭能力，具有重要的理論意義和經(jīng)濟價值。一、產(chǎn)品逆向工程CAD建模關鍵技術在逆向工程中，產(chǎn)品設計人員面對的是產(chǎn)品樣件，即實物模型。由實物建CADCAD設計，要求首先對其實物表面進行數(shù)字化處CAD模型。由此可見反求工程有兩個方面的主要研究內(nèi)容，一方面是實物模型表面數(shù)據(jù)獲取技術。即數(shù)字化技術，另一方面是曲面構(gòu)造技術。下面分別簡要介紹這兩個方面的研究和應用現(xiàn)狀。（一）實物模型的數(shù)字化技術近十年來，隨著傳感技術、控制技術、制造技術等相關技術的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的實物模型表面數(shù)字化儀器和系統(tǒng)。一般地三維表面數(shù)字化技術可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式方法中，有基于力——變形原理的點位觸發(fā)式和連續(xù)掃描式的數(shù)據(jù)采集方法和利用磁場、超聲波等媒介的數(shù)據(jù)采集方式。非接觸式方式采集實物模型的表面數(shù)據(jù)時，測頭不與實物表面接觸，一般以激光為媒介實現(xiàn)對表面三維數(shù)據(jù)的采集。其特點是數(shù)據(jù)采集速度快，而且，為媒介的非接觸三維表面數(shù)據(jù)采集方法，在逆向工程中應用最為廣泛。但是，這種方法有一個局限性：不能采集到物體的內(nèi)表面數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)物體內(nèi)部表面的數(shù)字化。斷層掃描技術在逆向工程中取得廣泛的應用。斷層掃描也有兩種方式，一種是基十工業(yè)CT的、無損的斷層掃描技術，一種是破壞式的斷層掃描技術，即每切削一個層面后，測量該截面的內(nèi)外邊界，然后，以一定的厚度再切一層，這樣一直進行下去，直到實物模型被切割完畢，數(shù)字化過程也就隨之完成。前者不破壞零件，成本較低，但是精度較差后者精度高，但是，要破壞樣件，并且測量過程復雜，成本較高.（二）曲面重構(gòu)技術在逆向工程中，曲面重構(gòu)有其向身特點，(1)曲面型面數(shù)據(jù)散亂、且曲面對象邊界和形狀有時極其復雜，因而一般不便直接運用常規(guī)的曲面構(gòu)造方法和系統(tǒng)；2）曲面對象往往不是簡單地由一張曲面構(gòu)成，而是由多張曲面經(jīng)過延伸、過渡、裁減等混合而成，因而要分塊構(gòu)造；3）由于數(shù)字化技術的限制，在逆向工程中還存在一個“多視數(shù)據(jù)”問題，一般來說，為了保證數(shù)字化的完整性，CADB-SPLINENURBS曲面BEZEIR曲面為基礎的曲面構(gòu)造方法，此外，還有以多面體方式來描述曲面物體的方法。在逆向工程中，型值點數(shù)據(jù)具有大規(guī)模、散亂的特點。這種數(shù)據(jù)的曲面擬NURBS曲面擬合中，需要研究的首要問題單一矩形域內(nèi)散亂數(shù)據(jù)點的曲面擬合問題。在眾多的研究中，較具代表性的方法為：首先根據(jù)邊界構(gòu)造一初始曲面，然后將型值點投影到這初始曲面上，接著根據(jù)投影位置算出其參數(shù)分布，從而解決散亂數(shù)據(jù)的參數(shù)分配問題，根據(jù)這一型值點參數(shù)分NURBS曲面，最后。對型值點參數(shù)進污優(yōu)化，使得所擬合曲面離給定型值點誤差最小。在實際應用中，由一張曲面構(gòu)成產(chǎn)品的情況并不多，（過渡、相交、裁剪等，單純由一張曲面去重構(gòu)實測產(chǎn)品的數(shù)學模型是很困難的。于是，人們研究并采用了不同的數(shù)據(jù)分塊方法，最直接是通過人工交互的方式手工勾勒特征線，將曲面分塊。但這種方式費時費力，且質(zhì)量難以控制。后來人們叉研究了實測數(shù)據(jù)的自動分塊方法，自動分塊方法分為兩大類型，一是采用圖像理或辨識技術，提取曲面的特征線利用特征線將曲面分塊。另一類方法則是采用四叉樹方法，即首先構(gòu)造一張整體曲面，若不能滿足要求，則將其一分為四，再對每一個塊進、處理，直至所有個塊均滿足要求為止以NURBS曲面為基礎解決是測數(shù)據(jù)的曲面構(gòu)造問題存在以下缺點，1）由于建立在兩次優(yōu)化計算基礎上的曲面構(gòu)造對曲面的光順性難以保證、計算量大。2）曲線網(wǎng)格的建立、分塊等很難自動完成，需要較強的交互參與。，3）曲面構(gòu)造的精度較難控制，在已知的算法和系統(tǒng)中，往往是若不能滿足要求，則必須從頭開始重算。三角曲面由于其構(gòu)造靈活、能適應各種復雜形狀的形狀要求，在逆向工程中一直受到重視。在三角曲面的應用研究中，主要的研究內(nèi)容有兩個方面：散亂數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)格化和基于三角網(wǎng)格的插值曲面的構(gòu)造。前者的研究重點在如何提取特征線、如何簡化三角形網(wǎng)格和如何處理多視問題上。這些問題在諸多學者的努力下，已經(jīng)有了較為全面的解決方案。（三角平面片，實際上就是以多個三角形平面片組成的多面形來擬合實物對象，顯然，要達到一定的精度要求三角形網(wǎng)格具有足夠的密度，同時，各個三角形平CO連續(xù)。BEZIER到C1連續(xù)。但是，這種曲面模型依賴于給定的坐標系，給后續(xù)的操作帶來不SOFTBEZIER參數(shù)曲面模型，不僅使曲面片間達到了一定的連續(xù)階次，而且采用的是形狀與坐標系無關的參CAD中具有很大的應用潛力。采用三角曲面模型的最大優(yōu)點是三角曲面具有良好的邊界適應性和能夠解決復雜形狀擬合問題的特點：構(gòu)造整體曲面模型時不需要對實測數(shù)據(jù)進行預先CAD／CAM系NURBSCAD／CAM系統(tǒng)的通訊和數(shù)據(jù)交換問題?！?.2表面配準概述檢測軟件包的基礎和核心是散亂測量數(shù)據(jù)與CAD模型的配準。兩個形狀的（旋轉(zhuǎn)＋平移能夠使兩個形狀在一個共同的笛卡爾坐標系中實現(xiàn)對齊。自由曲面本身不含有3-2.1法并不適用。首先概述表面配準，介紹其概念，簡述它在不同應用場合的實現(xiàn)方法。然后對參數(shù)曲面與數(shù)據(jù)點集的最小二乘配準進行了數(shù)學描述。針對本文研究的“基于三維測量數(shù)據(jù)與CAD模型的數(shù)字化檢測”，分析了其中參數(shù)曲面配準過程所面臨的技術難題，本文研究的內(nèi)容和目標就是試圖解決這些技術難題?；谇婢嚯x極小化的配準技術能夠獲得高精度的結(jié)果，由于它們在初值兩個數(shù)據(jù)集之間方位偏差很小，從初始值出發(fā)，通過迭代地極小化某種表示距離的目標函數(shù)而獲得精確結(jié)果。需要說明的是，改進型算法要求初始時兩個表面足夠接近，否則不能產(chǎn)生可靠的偽對應關系，而且配準可能偏離到一個局部極小值。改進型配準技術都假設一個初始的近似變換，然后利用局部優(yōu)化過程對其進行改進，即對粗略的變換進行精細的微調(diào)。否則，當對全局最小解的位置一無所知時，它們?nèi)菀资諗康揭粋€不正確的局部極小值。從任意初始相對位姿出Campbell[2001]粗略配準過程的目標是有效地計算出一個近似的配準變換，由此把數(shù)據(jù)對齊到足夠接近的程度，以利于后續(xù)在精細配準階段使用改進型配準方法。換句話說，粗略配準過程的作用是增加使精細配準過程收斂到全局最優(yōu)解的機會?！綝orai96】配準（registration）是確定同一物體的兩個描述之間相對位姿（位置和方向）的過程，即尋找一個坐標變換，使得這兩個描述達到由一個適當?shù)某杀境叨龋╟ostmetric）衡量的對齊狀態(tài)。這些描述可以是幾何的或攝影的（phoometric，可以是二維的或三維的。所施加的變換可以是剛性的或可變形的，可以包含或不包含一個比例因子。本文研究集中于三維幾何描述的、不包含比例因子的剛體配準。物體的三維幾何描述編碼了關于物體形狀的信息，包括體積形狀描述和邊物體的邊界形狀描述元素包括：點集、直線集、曲線集、多邊形集（如三角網(wǎng)格、隱式曲面以及參數(shù)曲面等。本文中物體表面描述涉及點集、三角網(wǎng)格和參數(shù)曲面等三種形式，因而互換性地使用3D點集配準、三角網(wǎng)格面配準和參數(shù)曲面配準等術語。直觀地，如果把場景相對于模型放置在正確的位置和方向后兩者相吻合，我們就說兩者實現(xiàn)了配準。更準確地講，當兩個描述中代表同一個表面點的任意對應點（p,q）都由同一個剛性空間變換相關聯(lián)時，即存在一個剛性變換T使下式成立：p

P,qQ|Tpq

0（2-1）則認為兩者配準。配準的目的是尋找這個空間剛體變換T，當施加到“場景”后能使它與“模型”達到對齊狀態(tài)。更形式化地講，配準就是求解方程mindQ,TPT （2-2）T(P)PT，d是物體描述間相似性的度量。實現(xiàn)配準以后，就獲得了“模型”坐標系中任意點與“場景”坐標系中對應點之間的一個映射，反之亦然。關于表面配準的研究主要針對兩個領域內(nèi)的應用：計算機視覺和坐標計量學。在計算機視覺或機器人視覺領域中，表面配準應用于物體識別和視覺導航。物體識別[Brett98,Chin96,Johnson98]需要觀測數(shù)據(jù)與代表不同物體的預存儲模型相匹配。在視覺導航[Madhavan98,Zhang97]中，在不同瞬間得到的動態(tài)場景觀測數(shù)據(jù)間進行匹配，目的是推導物體運動和解釋場景。在坐標計量學領域中，表面配準可用于解決兩類不同的問題：當我們有一個準確的模型并希望與場景測量進行配準時，稱為“模型－場景”情況；而當我們要配準（以及融合）同一物體的兩個不同的場景測量時，稱為“場景－場景”情況?！皥鼍埃瓐鼍啊迸錅省皥鼍埃瓐鼍啊迸錅手饕獞糜诜聪蚬こ讨卸嘁晹?shù)據(jù)的拼合[ConanEggert98,98]。反向工程一般包括三個基本步驟：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)配準Eggert1998】根據(jù)反向工程的三個步驟，最終模型的質(zhì)量水平與每個步驟的不精確性直接相關：數(shù)據(jù)點之間的采樣分辨率和傳感器的固有噪聲，對齊變換的計算誤差，配準后數(shù)據(jù)的曲面擬合的殘余誤差?？梢哉f，其中第二步對于最終質(zhì)量也許是最關鍵的。測量設備的采樣精度建立了誤差基線，它將隨著三維坐標計量技術的發(fā)展而逐步降低。最后的曲面逼近一般可通過調(diào)整網(wǎng)格面的三角面片數(shù)量或擬合參數(shù)曲面的階數(shù)得到控制。但是，不論怎樣降低上述兩者的誤差，如果來自多個視圖的形狀信息不能準確對齊，那么反向工程的結(jié)果只不過是對不正確數(shù)據(jù)集的較好逼近而已，因此有關數(shù)據(jù)集配準的誤差體現(xiàn)了主要的系統(tǒng)誤差【Rolls1999【Chengthesis】對于多視圖配合中的“場景－場景”配準，確定相鄰視圖的相對位置的方法可劃分為兩類：基于人造物體的（artifact-based）方法和基于軟件的（software-based）方法。基于人造物體的方法包括兩種，一個是利（如旋轉(zhuǎn)臺、平移架、機器人臂、多軸機床等，它們能以不同水平的精度提供方向和位置信息。當這些信息具有足夠的精度時，它可用于計算坐標變換參數(shù)。但這種方法對測量硬件有特定的要求。如果測量裝置不能提供一致的、可靠的位置信息時，在數(shù)據(jù)獲取的同時引入幾何已知的標記物作為基準。標記由物理實體制成（一般是參考球，或者是已知形狀或模式的粘貼物，它們被安放在物體表面上的重疊區(qū)域內(nèi)或者任意兩個表面區(qū)域之間的共同視野里。但標記實現(xiàn)配準的兩個不足是（a）（b）難于精確確定表面上每個標記的參考點（即中心?；谲浖姆椒ㄖ苯永脺y量數(shù)據(jù)即形狀本身進行配準。它簡化了測量過程，降低了對測量設備的硬件要求。與使用標記的方法相比，該法計算量增大，但更精確。需要說明的是，測量數(shù)據(jù)經(jīng)常包含噪聲和具有大誤差的點（稱為局外點。另外，由于不一致的點采樣，在每個掃描中無法在表面的同一位置處進行精確采點，也就是說不存在真正的對應點。這些特性使得基于形狀的配準一個非常困難的問題?！澳Ｐ停瓐鼍啊迸錅省澳Ｐ停瓐鼍啊迸錅食霈F(xiàn)在需要機器坐標系和CAD坐標系之間對齊的形狀檢測、缺陷檢查和加工過程等場合[Pahk93,Qu99]，也是本文研究的“基于三CAD模型的數(shù)字化檢測”中的配準情況。很明顯，上述“場景－場景”配準中兩種基于人造物體的方法都不適用于“模型－場景”配準。此時，基于軟件的方法是剩下的唯一選擇。這種方法利用重疊區(qū)域內(nèi)表面形狀的最優(yōu)Goshtasby1998】基于表面形狀的表面配準可區(qū)分為三類方法：特征匹配法、曲面距離極小化法以及兩者的聯(lián)合法。特征匹配法在表面上定義并計算突出的特征，在重疊區(qū)域內(nèi)搜索兩個表面之間的唯一匹配模式。曲面距離極小化法直接計算兩個描述之間的距離并優(yōu)化每個描述的位置參數(shù)，以迭代方式減小重疊區(qū)域內(nèi)的間隙。需要指出的是，這兩種基于形狀的配準方法有一個共同的不足：由于它們都需要重疊區(qū)域內(nèi)曲面形狀具有獨特性以便能鎖定到一個唯一的匹配位置，這兩種方法都不能勝任于具有平面區(qū)域、一致曲率（如球、圓柱等）和循環(huán)幾何特征的物體表面。對于平面和復雜形狀組合的物體，需要標記、特征匹配和曲面距離極小化的復合法?！?.3參數(shù)曲面配準最小二乘擬合配準1【thesisnPp21

,...,pn

;pi

3，它是從一個物體表面N測量得到的；表面N由參數(shù)方程N(u,v)描述，該方程把參數(shù)u和v映射到3上。PpiNpiN上的最近點之間向量的大小，即diminu,v

N(u,v)

（2-3）方程（2-3）中提供極小化解的參數(shù)u和v顯然依賴于pi的值，因此最優(yōu)的u和v值是pi的函數(shù)，由此這些最優(yōu)值被稱為uci和vci，其中uciu)和vciv(pi)。為了保證uci和vci的存在性和唯一性，假設曲面N是光滑的、封閉的和有界的（osed,ndbundedP在3中位于N（initialguess。需要說明的是，存在方程（2-3）有無限多解的特殊情況，例如當Npi2.1顯示PN之間的關系。在基于三維測量數(shù)據(jù)與CAD模型的數(shù)字化檢測中，點數(shù)據(jù)是相對于測量設CAD模型是相對于機械設計軟件包內(nèi)部的坐標系設計的。CADdi大小的平方和進行量化表示，如方程（2）所示，其中距離di值取平方以消除符號。n 2nT nf dii1

dii1

di（2-4）P66個33P中點上的一個3向量，而旋轉(zhuǎn)可定義為一個33正交矩陣。定義平移向量為t、旋轉(zhuǎn)矩陣為R，方程（3）揭示了把P變換到新坐標系中的方法piRpit（2-5）平移向量t容易理解，但旋轉(zhuǎn)矩陣要復雜些。在求解配準問題中，使用了多種指定旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)的表示方式。一種較簡單的方法是，使用圍繞某個固定坐標系的三個主軸的轉(zhuǎn)角。利用這種方法，R是θx、θy、θz的一個函數(shù)，其中θi代表圍繞第i軸的轉(zhuǎn)角。如果t由tx、ty、tz構(gòu)成，則六個自由度組成以下的6參數(shù)向量xXx

yz

txty

Ttz（2-6t這樣式（2-5）可重寫成X的函數(shù)，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被表示為X的函數(shù)，因為uci和vci是pi的函數(shù)而piX的函數(shù)。把方程（2-）代入方程（2-，fX的函數(shù)，即nnf(t)(di(X)i1

2)（2-9）為了變換點集的坐標系以使它與模型的坐標系盡可能重合，函數(shù)f必須相對于X中所指定的六個剛體變換參數(shù)進行極小化。能夠提供該目標函數(shù)最小值的X就是配準問題的解。上述最小二乘擬合配準實際上提供了一種通用的公差評定方法。【Yau，Menq19961999】式（6）可解釋為在CAD模型坐標系中計算的形狀誤差，式（7）表示利用最小二乘準則把測量數(shù)據(jù)向CAD模型進行最佳擬合。在傳統(tǒng)的替代幾何法中，目標函數(shù)相對于隨不同幾何特征而異的特征參數(shù)進行極小化。與此不同，這里把目標函數(shù)相對于剛體變換參數(shù)進行極小化，而這些變換參數(shù)對于所有類型的幾何特征都是通用的。所以，該方法在這個意義上是統(tǒng)一的：與需要為不同幾何特征開發(fā)各自算法的傳統(tǒng)方法形成對照，該方法把所幾何有特征（包括標準特征和自由曲面）都視為名義幾何（nominalgeometr，通過1999NURBS表示各種幾何特征，這樣評定算法和被評定的表面都得到了統(tǒng)一。CAD模型的公差評定中，選擇最小二乘準則是因為它被認為更穩(wěn)定、對測量噪聲較不敏感。早期的最小二乘法致力于開發(fā)解決公差評定問題的魯棒算法。最近，研究者注意到一個統(tǒng)一的最小二乘方法能實現(xiàn)位置/方向誤差與一般形狀誤差的分離【1992，Soulier1995,，Yau1996為了獲得純粹的形狀偏差（不含有位置/方向偏差，必須確定渦輪葉片的雕塑CAD模型距離的平方和達到最小值的坐標系中，形狀偏差才能得以顯示。如果在由一些參考點定義的坐標系中，或者由渦輪基座確定的坐標系中（此處能夠測量并最佳擬合標準表面CAD（理論上最優(yōu)對齊）大的形狀偏差【Gander1999實現(xiàn)誤差分離特別有助于制造誤差的鑒別和修正。例如，剛性坐標變換包括位置/NC算法及其軟件的性能，也可反饋到NC機床以補償過大的表面偏差。主要技術難點基于三維測量數(shù)據(jù)和CAD模型的數(shù)字化檢測系統(tǒng)中，參數(shù)曲面（NURBS）配準是核心與關鍵，它主要有以下幾個技術難點：必須保證高精度對于檢測系統(tǒng)來說，追求高精度無疑是第一位的。除了測量數(shù)據(jù)的精度外，檢測結(jié)果的可信度完全決定于配準算法的精度。最小二乘擬合配準技術被證明能夠提供高精度，但它必須滿足兩個前提條件：（1）測量數(shù)據(jù)與CAD模型的相對位姿偏差較小；（2）測量數(shù)據(jù)是CAD模型的子集。前者是由最小二乘配準的梯度下降法性質(zhì)所要求的，否則會導致算法陷入局部極小值；而后者是因為最小二乘法的潰點（breakdownpoint）是零，破壞該條件數(shù)據(jù)點（稱為局外點）將造成錯誤的位姿估計。因此，為了保證配準算法的高精度，除了提高相關數(shù)值計算的可靠性和準確性外，一方面要正確處理局外點，另一方面要提供好的初值。具有對于初始相對位姿的魯棒性【Cheng2001thesis】配準過程相當于在一個無界的、連續(xù)的、具有六個6維點（三維剛體坐標變換6維的優(yōu)化問題，帶有很多局部極值，因此它是一個非凸的優(yōu)化問題?！綯ucker03】配準問題的目標函數(shù)可想象為超空間（hyperspace）中一個具有很多峰和谷（hillsandvalleys）的曲面，配準的目標是確定提供絕對最低谷的那個狀態(tài)的方位。當測量點集在配準開始時距離最終解相當遠的距離時，在趨近配準解所在的全局最小解的路途中存在更大的風險會遇到局部極小值。這就需要配準過程具有對于初始方位狀態(tài)的魯棒性。CAD模型的數(shù)字化檢測具有重要意義，因為測量數(shù)據(jù)CAD模型之間的初始相對位姿偏差可能是任意值。例如，當使用光學數(shù)字化CMMCADCAD模型之間的初始相對位姿偏差可能很大。這種情況需要采用某種方法使兩者達到大致的對齊狀態(tài)，由此為隨后的最小二乘擬合配準提供初值。那么，一個重要的問題是如何自動地實現(xiàn)這種粗略配準。能夠正確處理局外點【Simon1996】對于配準過程來說，違反“一個數(shù)據(jù)集是另一個數(shù)據(jù)集的子集”這個假設的數(shù)據(jù)點就是局外點。局外點可由幾個因素造成，包括在非重（如參考球、夾具等。尤其當使用光學3D掃描儀時更容易導致局外點，例如3D點云通常包含一個零件上幾個表面的測量數(shù)據(jù)，甚至其他物體的測量數(shù)據(jù)。而實際的檢測中，我們一般關注某個特定的物體或物體上某個特定的區(qū)域。因此，識別出局外點并消除其對配準的影響，對于獲取正確和有意義的檢測結(jié)果是至關重要的。一種作法【Claudetthesis】是：在配準前數(shù)據(jù)預處理階段，從點云中修剪掉來自夾具部件和其他非零件源的局外數(shù)據(jù)。在為計量目的所進行的數(shù)據(jù)集修剪過程中，一個重要的考慮是應該寧可刪除可能的好數(shù)據(jù)點也不要留下一些可能的壞數(shù)據(jù)點。也就是說，在存在充裕的數(shù)據(jù)點的情況下，為計量的目的最好排除一些屬于零件的數(shù)據(jù)，而不是包含進來一些屬于夾具部件的數(shù)據(jù)。但是，由于在實現(xiàn)真正的配準之前無法準確劃分局外點與局內(nèi)點，這種人工方法無疑會導致邊界處計量結(jié)果不可信。因此，在整個配準過程中，無論是粗略配準階段，還是使用最小二乘擬合法的精確配準階段，都應該能夠自動地正確處理局外點。追求高效率CMM以外的設備測量數(shù)據(jù)時，