对逆向设计数据测量方法的研究

施超SHI Chao

（江汉大学机电与建筑工程学院，武汉 430056）

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

0 引言

随着计算机辅助设计技术的发展和CAD/CAE/CAM集成系统开发，逆向工程技术在产品改进、创新设计上的应用越来越广泛。使用逆向工程技术能在较短的周期内准确、可靠地实现对产品的仿制，并可在此基础上，对原型进行修改和创新，最后设计开发、制造出理想的产品,是我国引进、吸收国外先进技术，优化产品设计的重要手段。

数据测量是逆向设计的关键技术之一，是获得产品表面数据的必经过程，也称作产品表面数字化。实现这一过程，通常要使用特定的测量设备，结合相应的测量方法，把物体表面形状转换成几何坐标数据（这些数据通常是离散的）。逆向设计中的曲面建模、曲面重构和曲面评价等后续工作都是在获得产品数据的基础上进行的。在逆向设计过程中，如何获取理想的物体表面数据，一直设计人员研究的主要内容。

1 逆向工程技术概述

所谓逆向设计是相对于传统的正向设计而言的，两者的根本区别在于：正向设计是把能独立实现的设计或较高层次的抽象概念过渡到设计的物理实现，从概念设计到建立CAD 模型有一个明确的过程。但逆向设计是以一个可以获得的实物模型为基础来对该模型的设计概念进行构造，并且通过利用CAD/CAM 等技术调整、修改模型的特征参数来实现模型重构，达到对实物模型的逼近、修改的目的，满足生产要求。从数字化的点云到CAD 模型建立是一个推理过程。

2 数据测量

20 世纪60年代，三坐标测量机作为当时发展起来的一种高效的新型精密测量设备被广泛应用于汽车、电子、制造、航空航天等工业中。作为一种检测仪器，三坐标测量机不但能对产品零部件的尺寸、形状和相对位置进行检测，还可以进行划线、定中心孔、光刻集成线路等，再加上它对连续曲面具有扫描并控制曲面数控加工程序的功能，三坐标测量机从一开始就是逆向工程中理想的数字化设备，并一直沿用至今。

近年来，随着计算机技术、传感技术、控制技术及图像处理技术的发展，出现了许多新的测量设备和测量方式。采用不用不同的测量设备和测量方法，其测量原理不同，进行产品测量时的精度、耗时、经济性和后续处理方式都不同。根据测量时，探头是否和产品表面接触，三维表面数据的采集方法可分为接触式和非接触式两大类。接触式的数据采集方法又分为基于力—变形原理的触发式、连续扫描式和基于磁场、超声波的数据采集。非接触式的数据采集方法主要有激光三角测量、激光测距法、光干涉法、结构光学法和图像分析法等。具体细分情况，如图1 所示。

图1 数据测量方法的分类

2.1 接触式数据测量 接触式数据测量是利用传感器测量探头在与被测产品模型接触时，记录信号被触发，此时记录设备会记录下当前传感器标定的数值，进而获得产品的三维数据信息。在测量过程中，接触式测量仪通常是沿着产品模型的截面进行测量，这样可以将复杂的三维曲面测量转化为二维测量，布点的疏密可根据曲面曲率的大小来安排，曲率大的地方布点疏一些，曲率小的地方，布点密一些。接触式数据测量包括触发式数据测量、连续扫描数据测量，超声波、磁场法等。

接触式测量的测量方法有：

2.1.1 触发式数据测量方法 触发式数据测量采用触发采样测头，当测头的探针刚接触到产品表面时，探针的针尖由于受力而产生微小变形，进而触发采样开关。此时，系统记录下当时探针针尖的坐标值就是产品表面上一个点的坐标数据。逐点移动探针针尖，可以采集到产品表面轮廓的所有数据。由于在采集过程中，探针必须偏移一个固定数值才会触发采样开关，且一旦接触到产品表面后，探针需要法向退出以避免探针针尖受损。所以测量数据的效率不高。

2.1.2 连续式数据测量方法 连续式数据测量方法采用模拟量开关采样头。在三维弹簧系统中悬挂一探针，探针位置的偏移会产生电容、电感变化，进而进行机电模拟量变换。当采样头的探针沿着产品表面以某一切向速度移动时，就会发出相对应的各坐标位置偏移量电流或电压信号。由于在进行数据测量时，测量过程是连续进行的。因此测量的速度比点接触触发式探头快很多倍，且精度也较高。另外，由于测量时的接触力小，那么产品的细微部分和由软材料制作的部分可以由直径较小的探针去扫描。此方法测量的速度快，可实现大规模的数据测量。

2.1.3 磁场法 该方法是将测量的产品模型放置在被磁场包围的工作台上，手持触针在产品模型的表面上移动。此时，触针上的传感器会感知到磁场的变化，并以此变化来检测触针位置，从而实现产品表面的数字化。采用这种方法不需要三坐标测量设备，但不能用于测量导磁产品。

接触式测量的优点是：①测量精度、准确度高，可靠性好。经过几十年的发展，接触式探头具备了成熟的机械结构和电子系统。②测量不受被测产品表面颜色、反光性和曲率的影响，测量探头直接接触产品表面进行测量。③适合做一般基本几何形状的测量。被测产品被固定在三坐标测量机上，结合相关的测量软件，可准确、快速地获取产品的基本几何形状的数据，如面、圆、圆柱、圆锥、球等。

接触式测量的缺点是：①不同形状的产品的固定，需要使用不同夹具，且有时为测量基准点要用到特殊夹具，从而导致测量费用较高。②由于接触式测量中，探头直接与产品表面接触，探头容易因接触力而造成损坏，且不当的操作会损坏探头和产品某些重要部位的表面精度。所以，为了保证测量精度，操作人员在操作过程中要细致、耐心且要经常对探头的直径进行校正。③因为测量是逐点测量的，所以测量速度慢、效率低。④不能对易碎、软质、薄型、腐蚀材料的产品进行测量。⑤不易测量内部型腔复杂，特征曲面较多，内圆直径较小的产品曲面（产品内圆直径大于探头直径才能测量）。⑥由于测量数据是探头球心的位置，需要对探头进行半径补偿来得到产品表面的真实外形，可能会产生误差修补的问题。

2.2 非接触式数据测量 非接式触测量利用某种与物体表面发生相互关系的声、光、磁等物理现象来获得产品表面三维坐标数据。其中，以利用光学原理为基础进行测量的方法发展迅速、应用最为广泛，如激光三角法、结构光法等。非接触式测量的出现，弥补了接触式测量的不足，填补了测量市场在某些重要方面的（如在质地柔软的产品表面进行测量）空白，受到人们的日益重视。

非接触式测量主要有以下几种方法：

2.2.1 激光三角法 激光三角测距法是逆向工程中应用最为广泛的曲面数据测量方法。它是利用光源和光敏元件之间的角度和位置关系来计算产品表面点的坐标数据，具有以下特点：①测量过程中测量探针不与产品表面接触，可以对软材料表面进行数据测量，对产品表面的尖角，凹位等复杂轮廓也能进行较好的测量。②数据测量速度快，且无需进行探头半径补偿。③价格较贵，杂散反射和垂直壁表面等因素会影响到测量精度。

2.2.2 结构光法 将一定模式的光照射到被测产品表面，在摄得反射光的图像，然后通过对比不同模式之间的差别来获取产品表面的点的位置。这种方法的优点是不需要三坐标测量机等精密设备，使用成本较低，缺点是操作复杂且精度较低。

2.2.3 工业计算机断层扫描成像法 该方法对产品实物经过ICT 层析扫描，得到一系列断面图像切片和数据，可以获得任意形状结构的测量产品内部的断面信息，但精度较低。

非接触式测量的优点是：①由于测量时，激光点位置就是产品表面位置，所测数据可以反映产品真实的外形，因此不需要进行探头的半径补偿。②在测量过程中，探头与产品表面是非接触的，可对软、薄、不可接触的产品表面进行测量，且在包括其它产品测量过程中，不会损坏探头和产品表面。③不像接触式的逐点测量，非接触式测量的速度较快、效率较高，且可获得密集的数据。④可测量具备复杂结构的产品模型，且测量设备使用方便，操作简单。

非接触式测量的缺点是：①因为在非接触式测量中，所采用的测量探头通常是光敏位置探测（简称PSD），而就目前PSD 的发展情况来看，其精度不够高（在20Pm 以上），导致非接触式测量的测量精度较差。②在非接触式测量中，测量探头通常是接受产品表面的散射、反射光，产品表面的发射特性，如反射光强度，被测物的颜色、光顺程度和斜率等会影响到探头的测量，导致测量出现精度误差和大量不规则的散乱点。③非接触式测量只在对工件轮廓坐标点进行大量取样时有优势，但在对产品边线、凹孔和不连续形状的处理方面则比较困难。而且在大量取样时，所采集的数据量也很大，后续处理工作复杂。④产品表面的粗糙度会给测量结果带来影响。

3 总结

逆向工程设计是国家发展科学技术及提高工艺水平的一个重要手段，其关键技术包括：数据获取、数据处理和模型重建，其中数据的获取是后续工作的基础。本文重点介绍了逆向工程中常用的两大类测量方法，接触式测量和非接触式测量，分析比较了两种方法的优缺点，为逆向设计中测量方法的选择上提供借鉴。

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