反求工程測量技術(shù)簡述

郭立明

摘要：本文主要介紹了反求工程的概述，詳細(xì)的講解了反求工程測量技術(shù)的方法。并對精度、速度、使用范圍進(jìn)行了分析和比較。

關(guān)鍵詞：反求工程；接觸式測量；非接觸式測量；方法

1.前言

數(shù)據(jù)的獲取、測量是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，綜合接觸式和非接觸式是數(shù)據(jù)的獲取方法，只有二者結(jié)合才能更好保證工程測量的準(zhǔn)確性和高效性。

2.反求工程概述和意義

反求工程，又稱逆向工程、反向工程，指通過各種測量手段和三維幾何建模方法，將已有實物原型轉(zhuǎn)化為計算機(jī)上的三維數(shù)字模型的過程，是工程測量技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)的綜合。近幾十年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)在工程測量工作中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于諸多因素的限制，現(xiàn)實世界中的許多物體形狀無法用CAD設(shè)計方法充分描述。因此，我們提出了逆向工程的概念。這種物理數(shù)字建模方法現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成CAD/CAM中相對獨立的類別，并已成為復(fù)雜工程測量的重要手段之一。

反求工程，它與傳統(tǒng)工程的設(shè)計過程完全不同。傳統(tǒng)設(shè)計是通過工程師的創(chuàng)造性工作將未知設(shè)計理念轉(zhuǎn)化為人類需要的產(chǎn)品的過程。反向設(shè)計可以分為三類：物理對象反轉(zhuǎn)，軟件反轉(zhuǎn)和圖像反轉(zhuǎn)。它從已知事物的相關(guān)信息開始，充分消化和吸收信息，并收集物理原型的數(shù)據(jù)。重建和其他過程，構(gòu)建一個具有形狀結(jié)構(gòu)的原型的三維模型。然后，在原創(chuàng)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計，實現(xiàn)創(chuàng)新。物理原型的數(shù)字化是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對復(fù)雜曲面進(jìn)行建模，評估，修改和制造。因此，反求工程技術(shù)是實現(xiàn)高效，高精度物理面數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.反求工程測量技術(shù)的分類

數(shù)據(jù)獲取是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的獲取通常是利用一定的測量設(shè)備對所測工程進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的是采樣數(shù)據(jù)點的（x，y，z）坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)獲取的方法大致分為兩類：接觸式和非接觸式。

3.1接觸式測量

接觸式工程測量技術(shù)是將探頭安裝在機(jī)器人手臂的末端，通過與工程表面接觸獲取表面信息。最常用的接觸式測量系統(tǒng)是坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）。傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量機(jī)通常使用觸發(fā)式探頭，例如機(jī)械式探頭，可以通過編程來掃描點測量路徑。每次獲得測量表面上一個點的（x，y，z）坐標(biāo)。測量速度非常慢。CMM的優(yōu)點是測量精度高，對被測項目沒有特殊要求。對于沒有復(fù)雜內(nèi)腔，大量特征幾何形狀和僅有少量特征曲面的測試項目，坐標(biāo)測量機(jī)是非常有效和可靠的三維數(shù)字化方法。它的缺點是不能準(zhǔn)確地測量軟物體；價格昂貴，對使用環(huán)境要求較高；測量速度慢，測量數(shù)據(jù)密度低，測量過程需要人工干預(yù)；還需要對測量結(jié)果進(jìn)行探針損傷和探針半徑補償。測量小于探頭半徑的凹面限制了其在快速反轉(zhuǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2非接觸式測量

主要利用光學(xué)，聲學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域的基本原理，通過適當(dāng)?shù)乃惴▽⒁欢〝?shù)量的物理模擬轉(zhuǎn)換為原型表面上的坐標(biāo)點。根據(jù)不同的測量原理，可以使用激光三角測量，激光干涉測量，激光衍射，結(jié)構(gòu)光，計算機(jī)視覺，超聲和斷層攝影，CT測量和睡眠測量。

4.測量方法的綜述

物理對象的數(shù)字化是逆向工程的第一步。技術(shù)的質(zhì)量直接影響物理對象（部分）的描述的準(zhǔn)確性和完整性，從而影響重建的CAD表面和實體模型的質(zhì)量，并且最終影響快速成型或數(shù)字處理產(chǎn)品是真實的還是在一定程度上。反映原始的對象模型。因此，它是整個原型的基礎(chǔ)。測量方法主要有三種：①傳統(tǒng)的接觸式測量方法，如坐標(biāo)測量儀；②非接觸式測量方法，如投影光柵法，激光三角法，全息法，深度圖法；③逐層掃描測量方法，如工業(yè)CT，核磁共振，自動層析成像等。

4.1三坐標(biāo)測量儀

坐標(biāo)測量儀也稱探頭掃描。使用坐標(biāo)測量機(jī)的接觸探針（具有不同直徑和形狀的探針）逐點捕捉物理表面數(shù)據(jù)。這是3D模型中使用最廣泛的數(shù)字方法之一。使用三坐標(biāo)測量儀可以實現(xiàn)高測量精度（±0.5μm）。被測物體的材質(zhì)和顏色沒有特殊要求，測量過程比較簡單。對于復(fù)雜的幾何形狀，沒有復(fù)雜的內(nèi)部空腔，只有少數(shù)特殊的表面部件非常有效。但是，由于這種方法是接觸式測量，很容易損壞探頭并劃傷被測物體的表面；總是需要手動干預(yù)，并且不可能進(jìn)行全自動測量；測量數(shù)據(jù)點較少，因此需要在CAD軟件中修改模型或重新構(gòu)建模型。該坐標(biāo)測量儀價格昂貴，對使用環(huán)境有一定的要求，測量速度慢。

4.2投影光柵法

投影光柵法的基本原理是將光柵投影到被測件表面上，受到被測樣件表面高度的調(diào)制，光柵影線發(fā)生變形。通過解調(diào)變形光柵影線，就可得到被測表面高度信息，原理如圖1所示。

圖1投影光柵法原理

入射光線P照射到參考平面上的A點，放上被測物體后，P照射到被測物體上的D點，此時從圖示方向觀察，A點就移到新位置C點，距離AC就攜帶了高度信息Z=h（x，y），即受到表面形狀的調(diào)制。該法的主要優(yōu)點實測量范圍大，速度快，成本低，易于實現(xiàn)。缺點是精度低，且只能測量表面起伏不大的較平坦物體，對表面變化劇烈的物體，在陡峭處會發(fā)生相位突變，使測量精度降低。

4.3激光三角形法

激光三角形法屬于非接觸式測量方法之一。激光三角形法的基本原理是利用具有規(guī)則幾何形狀的激光束或模擬探針沿樣品表面連續(xù)掃描被測表面，被測表面形成的漫反射光點（光帶）在光路中安置的圖像傳感器上成像，按照三角形原理，測出被測點的空間坐標(biāo)。

激光三角法是目前最成熟和應(yīng)用最廣泛的方法，其測量速度快，精度高。激光掃描可能很難或很軟。激光三角測量法的缺點是對粗糙度，漫反射率和被測表面的傾斜過于敏感，存在“陰影效應(yīng)”，探頭的應(yīng)用范圍有限；激光不能到達(dá)的位置無法測量，而突變臺階和深孔結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失；掃描數(shù)據(jù)量很大，表面模型需要由專門的反向數(shù)據(jù)處理軟件創(chuàng)建。邊緣的數(shù)據(jù)和表面的組合部分必須手動修剪。

4.4工業(yè)CT掃描

工業(yè)CT技術(shù)適用于測量復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀。它可以用來直接獲取物體的橫截面數(shù)據(jù)，與快速建模方法完全匹配。它從CT圖像重建三維模型，并將其轉(zhuǎn)換為可用于激光快速成型設(shè)備的STL或CL文件格式。工業(yè)CT在Z軸方向測量精度較差，當(dāng)前最小層厚度為1mm。它是目前唯一可以在不破壞零件的情況下測量零件復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀的技術(shù)。

4.5逐層切削照相測量

逐層攝影測量是一種用于故障測量的新技術(shù)。它以最小厚度（最小±0.01mm）逐層切割材料，并且拍攝每個部分以獲得截面圖像數(shù)據(jù)。高達(dá)±0.02mm，是故障測量精度最高的方法，成本較低。與工業(yè)CT相比，價格便宜70%？80%，但其致命的缺點是零件被破壞。從發(fā)展趨勢來看，工業(yè)CT和逐層切割攝影測量將在逆向工程測量方法中占據(jù)主導(dǎo)地位，其應(yīng)用范圍將越來越廣泛。

以上方法都有各自的特點、原理和應(yīng)用范圍，選用何種測量方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)根據(jù)被測物體的形體特征和應(yīng)用目的決定。表1中比較了幾種主要的三維掃描方法的特點。

5.結(jié)束語

每次測量技術(shù)都有優(yōu)缺點，而反求技術(shù)是將接觸式測量技術(shù)和非接觸式測量技術(shù)結(jié)合，是測量工程更加準(zhǔn)確。