郭立明

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

關鍵詞：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鍵技術之一，綜合接觸式和非接觸式是數(shù)據(jù)的獲取方法，只有二者結合才能更好保證工程測量的準確性和高效性。

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，將已有實物原型轉化為計算機上的三維數(shù)字模型的過程，是工程測量技術、計算機軟硬件技術的綜合。近幾十年來，隨著計算機技術的發(fā)展，計算機輔助設計技術在工程測量工作中得到了廣泛的應用，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)在已經發(fā)展成CAD/CAM中相對獨立的類別，并已成為復雜工程測量的重要手段之一。

反求工程，它與傳統(tǒng)工程的設計過程完全不同。傳統(tǒng)設計是通過工程師的創(chuàng)造性工作將未知設計理念轉化為人類需要的產品的過程。反向設計可以分為三類：物理對象反轉，軟件反轉和圖像反轉。它從已知事物的相關信息開始，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，構建一個具有形狀結構的原型的三維模型。然后，在原創(chuàng)的基礎上重新設計，實現(xiàn)創(chuàng)新。物理原型的數(shù)字化是通過特定的測量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)，并在此基礎上對復雜曲面進行建模，評估，修改和制造。因此，反求工程技術是實現(xiàn)高效，高精度物理面數(shù)據(jù)采集的基礎和關鍵技術之一。

3.反求工程測量技術的分類

數(shù)據(jù)獲取是反求工程的關鍵技術，數(shù)據(jù)的獲取通常是利用一定的測量設備對所測工程進行數(shù)據(jù)采樣，得到的是采樣數(shù)據(jù)點的（x，y，z）坐標值。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是將探頭安裝在機器人手臂的末端，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)是坐標測量機（CMM）。傳統(tǒng)的坐標測量機通常使用觸發(fā)式探頭，例如機械式探頭，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。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。對于沒有復雜內腔，大量特征幾何形狀和僅有少量特征曲面的測試項目，坐標測量機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；還需要對測量結果進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領域的應用。

3.2非接觸式測量

主要利用光學，聲學和磁學領域的基本原理，通過適當?shù)乃惴▽⒁欢〝?shù)量的物理模擬轉換為原型表面上的坐標點。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，結構光，計算機視覺，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。技術的質量直接影響物理對象（部分）的描述的準確性和完整性，從而影響重建的CAD表面和實體模型的質量，并且最終影響快速成型或數(shù)字處理產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。測量方法主要有三種：①傳統(tǒng)的接觸式測量方法，如坐標測量儀；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。

4.1三坐標測量儀

坐標測量儀也稱探頭掃描。使用坐標測量機的接觸探針（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。使用三坐標測量儀可以實現(xiàn)高測量精度（±0.5μm）。被測物體的材質和顏色沒有特殊要求，測量過程比較簡單。對于復雜的幾何形狀，沒有復雜的內部空腔，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，并且不可能進行全自動測量；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建模型。該坐標測量儀價格昂貴，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制，光柵影線發(fā)生變形。通過解調變形光柵影線，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。

激光三角法是目前最成熟和應用最廣泛的方法，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”，探頭的應用范圍有限；激光不能到達的位置無法測量，而突變臺階和深孔結構容易出現(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技術適用于測量復雜的內部幾何形狀。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，并將其轉換為可用于激光快速成型設備的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雜內部幾何形狀的技術。

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。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±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)主導地位，其應用范圍將越來越廣泛。

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

5.結束語

每次測量技術都有優(yōu)缺點，而反求技術是將接觸式測量技術和非接觸式測量技術結合，是測量工程更加準確。