施超SHI Chao

（江漢大學(xué)機電與建筑工程學(xué)院，武漢 430056）

（School of Electromechanical and Architectural Engineering,Jianghan University，Wuhan 430056，China）

0 引言

隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)開發(fā)，逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計上的應(yīng)用越來越廣泛。使用逆向工程技術(shù)能在較短的周期內(nèi)準(zhǔn)確、可靠地實現(xiàn)對產(chǎn)品的仿制，并可在此基礎(chǔ)上，對原型進(jìn)行修改和創(chuàng)新，最后設(shè)計開發(fā)、制造出理想的產(chǎn)品,是我國引進(jìn)、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計的重要手段。

數(shù)據(jù)測量是逆向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，是獲得產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)的必經(jīng)過程，也稱作產(chǎn)品表面數(shù)字化。實現(xiàn)這一過程，通常要使用特定的測量設(shè)備，結(jié)合相應(yīng)的測量方法，把物體表面形狀轉(zhuǎn)換成幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)通常是離散的）。逆向設(shè)計中的曲面建模、曲面重構(gòu)和曲面評價等后續(xù)工作都是在獲得產(chǎn)品數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在逆向設(shè)計過程中，如何獲取理想的物體表面數(shù)據(jù)，一直設(shè)計人員研究的主要內(nèi)容。

1 逆向工程技術(shù)概述

所謂逆向設(shè)計是相對于傳統(tǒng)的正向設(shè)計而言的，兩者的根本區(qū)別在于：正向設(shè)計是把能獨立實現(xiàn)的設(shè)計或較高層次的抽象概念過渡到設(shè)計的物理實現(xiàn)，從概念設(shè)計到建立CAD 模型有一個明確的過程。但逆向設(shè)計是以一個可以獲得的實物模型為基礎(chǔ)來對該模型的設(shè)計概念進(jìn)行構(gòu)造，并且通過利用CAD/CAM 等技術(shù)調(diào)整、修改模型的特征參數(shù)來實現(xiàn)模型重構(gòu)，達(dá)到對實物模型的逼近、修改的目的，滿足生產(chǎn)要求。從數(shù)字化的點云到CAD 模型建立是一個推理過程。

2 數(shù)據(jù)測量

20 世紀(jì)60年代，三坐標(biāo)測量機作為當(dāng)時發(fā)展起來的一種高效的新型精密測量設(shè)備被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、制造、航空航天等工業(yè)中。作為一種檢測儀器，三坐標(biāo)測量機不但能對產(chǎn)品零部件的尺寸、形狀和相對位置進(jìn)行檢測，還可以進(jìn)行劃線、定中心孔、光刻集成線路等，再加上它對連續(xù)曲面具有掃描并控制曲面數(shù)控加工程序的功能，三坐標(biāo)測量機從一開始就是逆向工程中理想的數(shù)字化設(shè)備，并一直沿用至今。

近年來，隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的測量設(shè)備和測量方式。采用不用不同的測量設(shè)備和測量方法，其測量原理不同，進(jìn)行產(chǎn)品測量時的精度、耗時、經(jīng)濟(jì)性和后續(xù)處理方式都不同。根據(jù)測量時，探頭是否和產(chǎn)品表面接觸，三維表面數(shù)據(jù)的采集方法可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式的數(shù)據(jù)采集方法又分為基于力—變形原理的觸發(fā)式、連續(xù)掃描式和基于磁場、超聲波的數(shù)據(jù)采集。非接觸式的數(shù)據(jù)采集方法主要有激光三角測量、激光測距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法和圖像分析法等。具體細(xì)分情況，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)測量方法的分類

2.1 接觸式數(shù)據(jù)測量 接觸式數(shù)據(jù)測量是利用傳感器測量探頭在與被測產(chǎn)品模型接觸時，記錄信號被觸發(fā)，此時記錄設(shè)備會記錄下當(dāng)前傳感器標(biāo)定的數(shù)值，進(jìn)而獲得產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)信息。在測量過程中，接觸式測量儀通常是沿著產(chǎn)品模型的截面進(jìn)行測量，這樣可以將復(fù)雜的三維曲面測量轉(zhuǎn)化為二維測量，布點的疏密可根據(jù)曲面曲率的大小來安排，曲率大的地方布點疏一些，曲率小的地方，布點密一些。接觸式數(shù)據(jù)測量包括觸發(fā)式數(shù)據(jù)測量、連續(xù)掃描數(shù)據(jù)測量，超聲波、磁場法等。

接觸式測量的測量方法有：

2.1.1 觸發(fā)式數(shù)據(jù)測量方法 觸發(fā)式數(shù)據(jù)測量采用觸發(fā)采樣測頭，當(dāng)測頭的探針剛接觸到產(chǎn)品表面時，探針的針尖由于受力而產(chǎn)生微小變形，進(jìn)而觸發(fā)采樣開關(guān)。此時，系統(tǒng)記錄下當(dāng)時探針針尖的坐標(biāo)值就是產(chǎn)品表面上一個點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。逐點移動探針針尖，可以采集到產(chǎn)品表面輪廓的所有數(shù)據(jù)。由于在采集過程中，探針必須偏移一個固定數(shù)值才會觸發(fā)采樣開關(guān)，且一旦接觸到產(chǎn)品表面后，探針需要法向退出以避免探針針尖受損。所以測量數(shù)據(jù)的效率不高。

2.1.2 連續(xù)式數(shù)據(jù)測量方法 連續(xù)式數(shù)據(jù)測量方法采用模擬量開關(guān)采樣頭。在三維彈簧系統(tǒng)中懸掛一探針，探針位置的偏移會產(chǎn)生電容、電感變化，進(jìn)而進(jìn)行機電模擬量變換。當(dāng)采樣頭的探針沿著產(chǎn)品表面以某一切向速度移動時，就會發(fā)出相對應(yīng)的各坐標(biāo)位置偏移量電流或電壓信號。由于在進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時，測量過程是連續(xù)進(jìn)行的。因此測量的速度比點接觸觸發(fā)式探頭快很多倍，且精度也較高。另外，由于測量時的接觸力小，那么產(chǎn)品的細(xì)微部分和由軟材料制作的部分可以由直徑較小的探針去掃描。此方法測量的速度快，可實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)測量。

2.1.3 磁場法 該方法是將測量的產(chǎn)品模型放置在被磁場包圍的工作臺上，手持觸針在產(chǎn)品模型的表面上移動。此時，觸針上的傳感器會感知到磁場的變化，并以此變化來檢測觸針位置，從而實現(xiàn)產(chǎn)品表面的數(shù)字化。采用這種方法不需要三坐標(biāo)測量設(shè)備，但不能用于測量導(dǎo)磁產(chǎn)品。

接觸式測量的優(yōu)點是：①測量精度、準(zhǔn)確度高，可靠性好。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，接觸式探頭具備了成熟的機械結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)。②測量不受被測產(chǎn)品表面顏色、反光性和曲率的影響，測量探頭直接接觸產(chǎn)品表面進(jìn)行測量。③適合做一般基本幾何形狀的測量。被測產(chǎn)品被固定在三坐標(biāo)測量機上，結(jié)合相關(guān)的測量軟件，可準(zhǔn)確、快速地獲取產(chǎn)品的基本幾何形狀的數(shù)據(jù)，如面、圓、圓柱、圓錐、球等。

接觸式測量的缺點是：①不同形狀的產(chǎn)品的固定，需要使用不同夾具，且有時為測量基準(zhǔn)點要用到特殊夾具，從而導(dǎo)致測量費用較高。②由于接觸式測量中，探頭直接與產(chǎn)品表面接觸，探頭容易因接觸力而造成損壞，且不當(dāng)?shù)牟僮鲿p壞探頭和產(chǎn)品某些重要部位的表面精度。所以，為了保證測量精度，操作人員在操作過程中要細(xì)致、耐心且要經(jīng)常對探頭的直徑進(jìn)行校正。③因為測量是逐點測量的，所以測量速度慢、效率低。④不能對易碎、軟質(zhì)、薄型、腐蝕材料的產(chǎn)品進(jìn)行測量。⑤不易測量內(nèi)部型腔復(fù)雜，特征曲面較多，內(nèi)圓直徑較小的產(chǎn)品曲面（產(chǎn)品內(nèi)圓直徑大于探頭直徑才能測量）。⑥由于測量數(shù)據(jù)是探頭球心的位置，需要對探頭進(jìn)行半徑補償來得到產(chǎn)品表面的真實外形，可能會產(chǎn)生誤差修補的問題。

2.2 非接觸式數(shù)據(jù)測量 非接式觸測量利用某種與物體表面發(fā)生相互關(guān)系的聲、光、磁等物理現(xiàn)象來獲得產(chǎn)品表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其中，以利用光學(xué)原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測量的方法發(fā)展迅速、應(yīng)用最為廣泛，如激光三角法、結(jié)構(gòu)光法等。非接觸式測量的出現(xiàn)，彌補了接觸式測量的不足，填補了測量市場在某些重要方面的（如在質(zhì)地柔軟的產(chǎn)品表面進(jìn)行測量）空白，受到人們的日益重視。

非接觸式測量主要有以下幾種方法：

2.2.1 激光三角法 激光三角測距法是逆向工程中應(yīng)用最為廣泛的曲面數(shù)據(jù)測量方法。它是利用光源和光敏元件之間的角度和位置關(guān)系來計算產(chǎn)品表面點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具有以下特點：①測量過程中測量探針不與產(chǎn)品表面接觸，可以對軟材料表面進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，對產(chǎn)品表面的尖角，凹位等復(fù)雜輪廓也能進(jìn)行較好的測量。②數(shù)據(jù)測量速度快，且無需進(jìn)行探頭半徑補償。③價格較貴，雜散反射和垂直壁表面等因素會影響到測量精度。

2.2.2 結(jié)構(gòu)光法 將一定模式的光照射到被測產(chǎn)品表面，在攝得反射光的圖像，然后通過對比不同模式之間的差別來獲取產(chǎn)品表面的點的位置。這種方法的優(yōu)點是不需要三坐標(biāo)測量機等精密設(shè)備，使用成本較低，缺點是操作復(fù)雜且精度較低。

2.2.3 工業(yè)計算機斷層掃描成像法 該方法對產(chǎn)品實物經(jīng)過ICT 層析掃描，得到一系列斷面圖像切片和數(shù)據(jù)，可以獲得任意形狀結(jié)構(gòu)的測量產(chǎn)品內(nèi)部的斷面信息，但精度較低。

非接觸式測量的優(yōu)點是：①由于測量時，激光點位置就是產(chǎn)品表面位置，所測數(shù)據(jù)可以反映產(chǎn)品真實的外形，因此不需要進(jìn)行探頭的半徑補償。②在測量過程中，探頭與產(chǎn)品表面是非接觸的，可對軟、薄、不可接觸的產(chǎn)品表面進(jìn)行測量，且在包括其它產(chǎn)品測量過程中，不會損壞探頭和產(chǎn)品表面。③不像接觸式的逐點測量，非接觸式測量的速度較快、效率較高，且可獲得密集的數(shù)據(jù)。④可測量具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模型，且測量設(shè)備使用方便，操作簡單。

非接觸式測量的缺點是：①因為在非接觸式測量中，所采用的測量探頭通常是光敏位置探測（簡稱PSD），而就目前PSD 的發(fā)展情況來看，其精度不夠高（在20Pm 以上），導(dǎo)致非接觸式測量的測量精度較差。②在非接觸式測量中，測量探頭通常是接受產(chǎn)品表面的散射、反射光，產(chǎn)品表面的發(fā)射特性，如反射光強度，被測物的顏色、光順程度和斜率等會影響到探頭的測量，導(dǎo)致測量出現(xiàn)精度誤差和大量不規(guī)則的散亂點。③非接觸式測量只在對工件輪廓坐標(biāo)點進(jìn)行大量取樣時有優(yōu)勢，但在對產(chǎn)品邊線、凹孔和不連續(xù)形狀的處理方面則比較困難。而且在大量取樣時，所采集的數(shù)據(jù)量也很大，后續(xù)處理工作復(fù)雜。④產(chǎn)品表面的粗糙度會給測量結(jié)果帶來影響。

3 總結(jié)

逆向工程設(shè)計是國家發(fā)展科學(xué)技術(shù)及提高工藝水平的一個重要手段，其關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和模型重建，其中數(shù)據(jù)的獲取是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。本文重點介紹了逆向工程中常用的兩大類測量方法，接觸式測量和非接觸式測量，分析比較了兩種方法的優(yōu)缺點，為逆向設(shè)計中測量方法的選擇上提供借鑒。

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