复杂型面数字化检测技术的研究及应用

随着人们对产品性能及美观等方面要求的日益增长，自由曲面以及标准解析曲面混合组成的复杂型面在航空航天、汽车、家电等领域的产品设计与制造中被广泛的采用。但是在这些含有复杂型面的产品中，为了能够保证制造质量，迫切需要对这类零件的加工精度进行精确的形状误差检验。

而传统的模板检测复杂型面的方法已远远不能满足实际生产需要，其主要缺点有：

1. 由于测量基准与设计基准存在差异，模板检测方法本身存在系统误差；

2. 模板检测模板检具为与零件对应的复杂型面，需要高精度的数控加工设备制造，制造成本高且周期长，对于检测不同型面的零件需生产对应的检具，柔性极差；

3. 由于普遍采用人工测量，因此受人为主观因素影响较大，测量操作可重复性差，并且难以与自动控制系统、质量管理系统进行信息交流；

4. 模板检测实际上只是测量了复杂型面上若干截面曲线的形状误差，而有限的截面误差并不能完全代表整体型面误差。因此必须要开发出新的测量技术对复杂型面零件进行快速准确的测量。

近些年，由于计算机科学、逆向工程技术，测量技术等领域的迅猛发展和学科交叉为复杂型面数字化检测技术提供了先决条件。复杂型面的数字化检测技术不仅很好的克服了传统的模板检测方法的缺点，而且能够将检测结果快速、全面、直观地显示出来，因此，它必将成为复杂型面制造精度检测和评价的主要发展趋势。

国内外发展状况：

目前，国内外研究数字化检测技术的主要方法按照测量设备可分为：接触式和非接触式测量。接触式测量主要是指通过三坐标测量机（CMM）来进行工件的测量，获得工件上重要点的三维坐标信息。对于三坐标测量机来说，它具有精度高重复性好的优点，但它同时也存在测量速度慢、对被测工件的表面材质有一定要求、不能检测比测量探针小的特征以及采集点数少等缺点，因此大大限制了其发展空间。近几年非接触式测量技术得到了快速发展，按照原理不同可分为光学测量、摄影测量等。其中光学测量又可细分为激光扫描法和结构光法。

对于非接触式光学测量设备来说，它具有测量速度快，对工件表面要求低等优点。然而用这种设备获取的工件点云数据的密度较大，因此后续的处理和计算效率成为关键因素。目前国内外主要研究的非接触式数字检测方法为激光扫描检测、结构光法和摄影测量等。以下就从选用不同测量设备的角度分别阐述目前国内外数字化检测技术的发展现状。

1. 基于CMM方法的数字化检测技术研究：Chia Hsiang Menq等通过概率统计的方法估计在给定测量要求下测量点的最佳数量以达到测最少的点得到最准确的测量结果，并利用CATIA架构的CAD/CAM系统控制CMM获取待测工件的点云信息，在进行点云数据与CAD模型坐标归一化过程中利用伪逆法计算刚性变换矩阵，最后用点与CAD模型上对应的NURBS曲面片的最近距离来表示偏差；Ainsworth等改进了传统的CMM测量坐标系与CAD设计坐标系的匹配，提出了初匹配和精匹配两步进行。首先，手动的测量6组以上的点，用最小二乘法算出坐标变换实现初步配准；

其次，利用最近点迭代法（ICP）实现精确配准。进而生
成探针的检测路径，完成自动检测。最后计算测量点云中个点与NURBS面片的最近距离来表示偏差；Choi等分析了传统的点云数据与CAD模型的3-2-1匹配法的主要缺点，以及最小二乘匹配法和最小-最大匹配法的效果差别，开发出区域适应法来实现匹配；Yadong Li等采用参考信息和特征提取的方法进行点云数据与CAD模型的初步匹配，再用最小二乘法进一步实现精确配准；Hong-Tzong Yau等基于CAD模型的NURBS曲面形式，采用统一最小二乘法来解决各种不同几何形状工件的偏差检测；任玉波等人利用计算点云图象与CAD模型的质心和最小惯性主轴为定位基准实现匹配，最后利用Surfacer软件检测自由曲面的表面特征；

2. 基于激光扫描的数字化检测技术的研究：Seokbae Son等开发出一种利用激光扫描设备搭建的自由曲面自动检测系统。这种系统的硬件由激光扫描仪和能够提供正确测量位姿的夹具组成，而软件部分则考虑扫描视角、景深和条纹长度等因素生成最有检测路径，从而自动生成点云数据，与对应的CAD模型进行匹配，最后待测工件的偏差由点云到NURBS曲面的距离来进行表示和评价；

3.基于结构光面扫描的数字化检测技术的研究：Flavio Prieto等利用ICP法实现采集得到的密集点云与CAD模型的匹配，进而将点云分块表示出零件的不同部分，最后利用点云到NURBS曲面的距离代表偏差；Kai Wolf等利用格雷码和相移技术构建的光学测量系统来进行工件扫描得到点云数据，通过基于3D Voxel矩阵进行对应点的搜索，用ICP算法来实现点云数据与CAD模型的匹配，最后点到三角对应CAD模型的三角面片的距离来表示偏差；张学昌等用格雷码和相移技术构建结构光测量仪，并用ACIS几何造型器来描述CAD模型最终搭建基于复杂型面的数字化测量系统。他们点云数据与CAD模型的匹配分为两步，首先 采用扩展高斯球进行初步匹配，进而用改进ICP法进行精确匹配。最终利用点到NURBS曲面的距离来表示偏差；Yi Chao Huang等考虑到处理光学测量仪得到的密集点云数据与NURBS曲面形式CAD模型的计算效率差，因此采用三角网格形式来代替NURBS曲面拟和CAD模型，大大提高了计算效率；

4.基于摄影测量的数字化检测技术的研究：Yongjun Zhang对于主要由线和圆等元素组成的钣金工件采用混合点线摄影测量得到工件的线框模型，然后采用混合点线法提取图象的点和线的信息，利用最小二乘实现图象与重构的CAD模型配准，最终利用CAD模型进行工件的可视化检测。

数字化检测技术目前存在很多的技术上的瓶颈，因此也成为国内外众多研究者所关注的焦点。

主要存在的问题是：

1. 如何精确的进行点云预处理，将处理误差对检测结果影响到最小；

2. 如何进行处理好的点云与CAD模型进行精确匹配是数字化检测的关键所在，没有准确的配准数字化检测得到的结果便没有任何价值；

3. 如何准确快速地建立点云个点与CAD模型面片的对应关系，计算点云与CAD模型的偏差，并能够直观有效的显示测量结果。

（3）选该课题要解决的问题：

本课题在全面了解了目前国内外复杂型面数字化检测技术发展状况之后，深入研究数字化检测关键技术和实现算法以达到快速、准确、全面、直观的检测和评价复杂曲面的加工精度。本课题采用西安交通大学信息机电研究所开发的结构光面扫描系统以及近景摄影测量系统对复杂型面工件进行测量。用Visual C++软件开发平台以及OpenGL图形接口来实现算法并开发出软件处理所采集到的工件三维点云数据。从而实现复杂型面工件的数字化检测。