對逆向設計數據測量方法的研究

施超SHI Chao

（江漢大學機電與建筑工程學院，武漢 430056）

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

0 引言

隨著計算機輔助設計技術的發展和CAD/CAE/CAM集成系統開發，逆向工程技術在產品改進、創新設計上的應用越來越廣泛。使用逆向工程技術能在較短的周期內準確、可靠地實現對產品的仿制，并可在此基礎上，對原型進行修改和創新，最后設計開發、制造出理想的產品,是我國引進、吸收國外先進技術，優化產品設計的重要手段。

數據測量是逆向設計的關鍵技術之一，是獲得產品表面數據的必經過程，也稱作產品表面數字化。實現這一過程，通常要使用特定的測量設備，結合相應的測量方法，把物體表面形狀轉換成幾何坐標數據（這些數據通常是離散的）。逆向設計中的曲面建模、曲面重構和曲面評價等后續工作都是在獲得產品數據的基礎上進行的。在逆向設計過程中，如何獲取理想的物體表面數據，一直設計人員研究的主要內容。

1 逆向工程技術概述

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

2 數據測量

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

近年來，隨著計算機技術、傳感技術、控制技術及圖像處理技術的發展，出現了許多新的測量設備和測量方式。采用不用不同的測量設備和測量方法，其測量原理不同，進行產品測量時的精度、耗時、經濟性和后續處理方式都不同。根據測量時，探頭是否和產品表面接觸，三維表面數據的采集方法可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式的數據采集方法又分為基于力—變形原理的觸發式、連續掃描式和基于磁場、超聲波的數據采集。非接觸式的數據采集方法主要有激光三角測量、激光測距法、光干涉法、結構光學法和圖像分析法等。具體細分情況，如圖1 所示。

圖1 數據測量方法的分類

2.1 接觸式數據測量 接觸式數據測量是利用傳感器測量探頭在與被測產品模型接觸時，記錄信號被觸發，此時記錄設備會記錄下當前傳感器標定的數值，進而獲得產品的三維數據信息。在測量過程中，接觸式測量儀通常是沿著產品模型的截面進行測量，這樣可以將復雜的三維曲面測量轉化為二維測量，布點的疏密可根據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。接觸式數據測量包括觸發式數據測量、連續掃描數據測量，超聲波、磁場法等。

接觸式測量的測量方法有：

2.1.1 觸發式數據測量方法 觸發式數據測量采用觸發采樣測頭，當測頭的探針剛接觸到產品表面時，探針的針尖由于受力而產生微小變形，進而觸發采樣開關。此時，系統記錄下當時探針針尖的坐標值就是產品表面上一個點的坐標數據。逐點移動探針針尖，可以采集到產品表面輪廓的所有數據。由于在采集過程中，探針必須偏移一個固定數值才會觸發采樣開關，且一旦接觸到產品表面后，探針需要法向退出以避免探針針尖受損。所以測量數據的效率不高。

2.1.2 連續式數據測量方法 連續式數據測量方法采用模擬量開關采樣頭。在三維彈簧系統中懸掛一探針，探針位置的偏移會產生電容、電感變化，進而進行機電模擬量變換。當采樣頭的探針沿著產品表面以某一切向速度移動時，就會發出相對應的各坐標位置偏移量電流或電壓信號。由于在進行數據測量時，測量過程是連續進行的。因此測量的速度比點接觸觸發式探頭快很多倍，且精度也較高。另外，由于測量時的接觸力小，那么產品的細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，可實現大規模的數據測量。

2.1.3 磁場法 該方法是將測量的產品模型放置在被磁場包圍的工作臺上，手持觸針在產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，從而實現產品表面的數字化。采用這種方法不需要三坐標測量設備，但不能用于測量導磁產品。

接觸式測量的優點是：①測量精度、準確度高，可靠性好。經過幾十年的發展，接觸式探頭具備了成熟的機械結構和電子系統。②測量不受被測產品表面顏色、反光性和曲率的影響，測量探頭直接接觸產品表面進行測量。③適合做一般基本幾何形狀的測量。被測產品被固定在三坐標測量機上，結合相關的測量軟件，可準確、快速地獲取產品的基本幾何形狀的數據，如面、圓、圓柱、圓錐、球等。

接觸式測量的缺點是：①不同形狀的產品的固定，需要使用不同夾具，且有時為測量基準點要用到特殊夾具，從而導致測量費用較高。②由于接觸式測量中，探頭直接與產品表面接觸，探頭容易因接觸力而造成損壞，且不當的操作會損壞探頭和產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致、耐心且要經常對探頭的直徑進行校正。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、薄型、腐蝕材料的產品進行測量。⑤不易測量內部型腔復雜，特征曲面較多，內圓直徑較小的產品曲面（產品內圓直徑大于探頭直徑才能測量）。⑥由于測量數據是探頭球心的位置，需要對探頭進行半徑補償來得到產品表面的真實外形，可能會產生誤差修補的問題。

2.2 非接觸式數據測量 非接式觸測量利用某種與物體表面發生相互關系的聲、光、磁等物理現象來獲得產品表面三維坐標數據。其中，以利用光學原理為基礎進行測量的方法發展迅速、應用最為廣泛，如激光三角法、結構光法等。非接觸式測量的出現，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（如在質地柔軟的產品表面進行測量）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用最為廣泛的曲面數據測量方法。它是利用光源和光敏元件之間的角度和位置關系來計算產品表面點的坐標數據，具有以下特點：①測量過程中測量探針不與產品表面接觸，可以對軟材料表面進行數據測量，對產品表面的尖角，凹位等復雜輪廓也能進行較好的測量。②數據測量速度快，且無需進行探頭半徑補償。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 結構光法 將一定模式的光照射到被測產品表面，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品表面的點的位置。這種方法的優點是不需要三坐標測量機等精密設備，使用成本較低，缺點是操作復雜且精度較低。

2.2.3 工業計算機斷層掃描成像法 該方法對產品實物經過ICT 層析掃描，得到一系列斷面圖像切片和數據，可以獲得任意形狀結構的測量產品內部的斷面信息，但精度較低。

非接觸式測量的優點是：①由于測量時，激光點位置就是產品表面位置，所測數據可以反映產品真實的外形，因此不需要進行探頭的半徑補償。②在測量過程中，探頭與產品表面是非接觸的，可對軟、薄、不可接觸的產品表面進行測量，且在包括其它產品測量過程中，不會損壞探頭和產品表面。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，且可獲得密集的數據。④可測量具備復雜結構的產品模型，且測量設備使用方便，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 的發展情況來看，其精度不夠高（在20Pm 以上），導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品表面的散射、反射光，產品表面的發射特性，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，導致測量出現精度誤差和大量不規則的散亂點。③非接觸式測量只在對工件輪廓坐標點進行大量取樣時有優勢，但在對產品邊線、凹孔和不連續形狀的處理方面則比較困難。而且在大量取樣時，所采集的數據量也很大，后續處理工作復雜。④產品表面的粗糙度會給測量結果帶來影響。

3 總結

逆向工程設計是國家發展科學技術及提高工藝水平的一個重要手段，其關鍵技術包括：數據獲取、數據處理和模型重建，其中數據的獲取是后續工作的基礎。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缺點，為逆向設計中測量方法的選擇上提供借鑒。

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