反求工程测量技术简述

郭立明

摘要：本文主要介绍了反求工程的概述，详细的讲解了反求工程测量技术的方法。并对精度、速度、使用范围进行了分析和比较。

关键词：反求工程；接触式测量；非接触式测量；方法

1.前言

数据的获取、测量是反求工程的关键技术之一，综合接触式和非接触式是数据的获取方法，只有二者结合才能更好保证工程测量的准确性和高效性。

2.反求工程概述和意义

反求工程，又称逆向工程、反向工程，指通过各种测量手段和三维几何建模方法，将已有实物原型转化为计算机上的三维数字模型的过程，是工程测量技术、计算机软硬件技术的综合。近几十年来，随着计算机技术的发展，计算机辅助设计技术在工程测量工作中得到了广泛的应用，但由于诸多因素的限制，现实世界中的许多物体形状无法用CAD设计方法充分描述。因此，我们提出了逆向工程的概念。这种物理数字建模方法现在已经发展成CAD/CAM中相对独立的类别，并已成为复杂工程测量的重要手段之一。

反求工程，它与传统工程的设计过程完全不同。传统设计是通过工程师的创造性工作将未知设计理念转化为人类需要的产品的过程。反向设计可以分为三类：物理对象反转，软件反转和图像反转。它从已知事物的相关信息开始，充分消化和吸收信息，并收集物理原型的数据。重建和其他过程，构建一个具有形状结构的原型的三维模型。然后，在原创的基础上重新设计，实现创新。物理原型的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，并在此基础上对复杂曲面进行建模，评估，修改和制造。因此，反求工程技术是实现高效，高精度物理面数据采集的基础和关键技术之一。

3.反求工程测量技术的分类

数据获取是反求工程的关键技术，数据的获取通常是利用一定的测量设备对所测工程进行数据采样，得到的是采样数据点的（x，y，z）坐标值。数据获取的方法大致分为两类：接触式和非接触式。

3.1接触式测量

接触式工程测量技术是将探头安装在机器人手臂的末端，通过与工程表面接触获取表面信息。最常用的接触式测量系统是坐标测量机（CMM）。传统的坐标测量机通常使用触发式探头，例如机械式探头，可以通过编程来扫描点测量路径。每次获得测量表面上一个点的（x，y，z）坐标。测量速度非常慢。CMM的优点是测量精度高，对被测项目没有特殊要求。对于没有复杂内腔，大量特征几何形状和仅有少量特征曲面的测试项目，坐标测量机是非常有效和可靠的三維数字化方法。它的缺点是不能准确地测量软物体；价格昂贵，对使用环境要求较高；测量速度慢，测量数据密度低，测量过程需要人工干预；还需要对测量结果进行探针损伤和探针半径补偿。测量小于探头半径的凹面限制了其在快速反转领域的应用。

3.2非接触式测量

主要利用光学，声学和磁学领域的基本原理，通过适当的算法将一定数量的物理模拟转换为原型表面上的坐标点。根据不同的测量原理，可以使用激光三角测量，激光干涉测量，激光衍射，结构光，计算机视觉，超声和断层摄影，CT测量和睡眠测量。

4.测量方法的综述

物理对象的数字化是逆向工程的第一步。技术的质量直接影响物理对象（部分）的描述的准确性和完整性，从而影响重建的CAD表面和实体模型的质量，并且最终影响快速成型或数字处理产品是真实的还是在一定程度上。反映原始的对象模型。因此，它是整个原型的基础。测量方法主要有三种：①传统的接触式测量方法，如坐标测量仪；②非接触式测量方法，如投影光栅法，激光三角法，全息法，深度图法；③逐层扫描测量方法，如工业CT，核磁共振，自动层析成像等。

4.1三坐标测量仪

坐标测量仪也称探头扫描。使用坐标测量机的接触探针（具有不同直径和形状的探针）逐点捕捉物理表面数据。这是3D模型中使用最广泛的数字方法之一。使用三坐标测量仪可以实现高测量精度（±0.5μm）。被测物体的材质和颜色没有特殊要求，测量过程比较简单。对于复杂的几何形状，没有复杂的内部空腔，只有少数特殊的表面部件非常有效。但是，由于这种方法是接触式测量，很容易损坏探头并划伤被测物体的表面；总是需要手动干预，并且不可能进行全自动测量；测量数据点较少，因此需要在CAD软件中修改模型或重新构建模型。该坐标测量仪价格昂贵，对使用环境有一定的要求，测量速度慢。

4.2投影光栅法

投影光栅法的基本原理是将光栅投影到被测件表面上，受到被测样件表面高度的调制，光栅影线发生变形。通过解调变形光栅影线，就可得到被测表面高度信息，原理如图1所示。

图1投影光栅法原理

入射光线P照射到参考平面上的A点，放上被测物体后，P照射到被测物体上的D点，此时从图示方向观察，A点就移到新位置C点，距离AC就携带了高度信息Z=h（x，y），即受到表面形状的调制。该法的主要优点实测量范围大，速度快，成本低，易于实现。缺点是精度低，且只能测量表面起伏不大的较平坦物体，对表面变化剧烈的物体，在陡峭处会发生相位突变，使测量精度降低。

4.3激光三角形法

激光三角形法属于非接触式测量方法之一。激光三角形法的基本原理是利用具有规则几何形状的激光束或模拟探针沿样品表面连续扫描被测表面，被测表面形成的漫反射光点（光带）在光路中安置的图像传感器上成像，按照三角形原理，测出被测点的空间坐标。

激光三角法是目前最成熟和应用最广泛的方法，其测量速度快，精度高。激光扫描可能很难或很软。激光三角测量法的缺点是对粗糙度，漫反射率和被测表面的倾斜过于敏感，存在“阴影效应”，探头的应用范围有限；激光不能到达的位置无法测量，而突变台阶和深孔结构容易出现数据丢失；扫描数据量很大，表面模型需要由专门的反向数据处理软件创建。边缘的数据和表面的组合部分必须手动修剪。

4.4工业CT扫描

工业CT技术适用于测量复杂的内部几何形状。它可以用来直接获取物体的横截面数据，与快速建模方法完全匹配。它从CT图像重建三维模型，并将其转换为可用于激光快速成型设备的STL或CL文件格式。工业CT在Z轴方向测量精度较差，当前最小层厚度为1mm。它是目前唯一可以在不破坏零件的情况下测量零件复杂内部几何形状的技术。

4.5逐层切削照相测量

逐层摄影测量是一种用于故障测量的新技术。它以最小厚度（最小±0.01mm）逐层切割材料，并且拍摄每个部分以获得截面图像数据。高达±0.02mm，是故障测量精度最高的方法，成本较低。与工业CT相比，价格便宜70%？80%，但其致命的缺点是零件被破坏。从发展趋势来看，工业CT和逐层切割摄影测量将在逆向工程测量方法中占据主导地位，其应用范围将越来越广泛。

以上方法都有各自的特点、原理和应用范围，选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的决定。表1中比较了几种主要的三维扫描方法的特点。

5.结束语

每次测量技术都有优缺点，而反求技术是将接触式测量技术和非接触式测量技术结合，是测量工程更加准确。