對(duì)逆向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)量方法的研究

施超SHI Chao

（江漢大學(xué)機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)上的應(yīng)用越來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的仿制，并可在此基礎(chǔ)上，對(duì)原型進(jìn)行修改和創(chuàng)新，最后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造出理想的產(chǎn)品,是我國(guó)引進(jìn)、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要手段。

數(shù)據(jù)測(cè)量是逆向設(shè)計(jì)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(guò)程，也稱作產(chǎn)品表面數(shù)字化。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，通常要使用特定的測(cè)量設(shè)備，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)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(jì)中的曲面建模、曲面重構(gòu)和曲面評(píng)價(jià)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(jì)過(guò)程中，如何獲取理想的物體表面數(shù)據(jù)，一直設(shè)計(jì)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(jì)是相對(duì)于傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)而言的，兩者的根本區(qū)別在于：正向設(shè)計(jì)是把能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)或較高層次的抽象概念過(guò)渡到設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)，從概念設(shè)計(jì)到建立CAD 模型有一個(gè)明確的過(guò)程。但逆向設(shè)計(jì)是以一個(gè)可以獲得的實(shí)物模型為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)該模型的設(shè)計(jì)概念進(jìn)行構(gòu)造，并且通過(guò)利用CAD/CAM 等技術(shù)調(diào)整、修改模型的特征參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)，達(dá)到對(duì)實(shí)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(diǎn)云到CAD 模型建立是一個(gè)推理過(guò)程。

2 數(shù)據(jù)測(cè)量

20 世紀(jì)60年代，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為當(dāng)時(shí)發(fā)展起來(lái)的一種高效的新型精密測(cè)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(cè)儀器，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不但能對(duì)產(chǎn)品零部件的尺寸、形狀和相對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)，還可以進(jìn)行劃線、定中心孔、光刻集成線路等，再加上它對(duì)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(cè)量機(jī)從一開(kāi)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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)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(cè)量設(shè)備和測(cè)量方式。采用不用不同的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，其測(cè)量原理不同，進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)量時(shí)的精度、耗時(shí)、經(jīng)濟(jì)性和后續(xù)處理方式都不同。根據(jù)測(cè)量時(shí)，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(chǎng)、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(cè)量、激光測(cè)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(cè)量方法的分類

2.1 接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量 接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量是利用傳感器測(cè)量探頭在與被測(cè)產(chǎn)品模型接觸時(shí)，記錄信號(hào)被觸發(fā)，此時(shí)記錄設(shè)備會(huì)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(cè)量過(guò)程中，接觸式測(cè)量?jī)x通常是沿著產(chǎn)品模型的截面進(jìn)行測(cè)量，這樣可以將復(fù)雜的三維曲面測(cè)量轉(zhuǎn)化為二維測(cè)量，布點(diǎn)的疏密可根據(jù)曲面曲率的大小來(lái)安排，曲率大的地方布點(diǎn)疏一些，曲率小的地方，布點(diǎn)密一些。接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量包括觸發(fā)式數(shù)據(jù)測(cè)量、連續(xù)掃描數(shù)據(jù)測(cè)量，超聲波、磁場(chǎng)法等。

接觸式測(cè)量的測(cè)量方法有：

2.1.1 觸發(fā)式數(shù)據(jù)測(cè)量方法 觸發(fā)式數(shù)據(jù)測(cè)量采用觸發(fā)采樣測(cè)頭，當(dāng)測(cè)頭的探針剛接觸到產(chǎn)品表面時(shí)，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(kāi)關(guān)。此時(shí)，系統(tǒng)記錄下當(dāng)時(shí)探針針尖的坐標(biāo)值就是產(chǎn)品表面上一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。逐點(diǎn)移動(dòng)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(guò)程中，探針必須偏移一個(gè)固定數(shù)值才會(huì)觸發(fā)采樣開(kāi)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(cè)量數(shù)據(jù)的效率不高。

2.1.2 連續(xù)式數(shù)據(jù)測(cè)量方法 連續(xù)式數(shù)據(jù)測(cè)量方法采用模擬量開(kāi)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(huì)產(chǎn)生電容、電感變化，進(jìn)而進(jìn)行機(jī)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(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)出相對(duì)應(yīng)的各坐標(biāo)位置偏移量電流或電壓信號(hào)。由于在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，測(cè)量過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的。因此測(cè)量的速度比點(diǎn)接觸觸發(fā)式探頭快很多倍，且精度也較高。另外，由于測(cè)量時(shí)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(cè)量的速度快，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)測(cè)量。

2.1.3 磁場(chǎng)法 該方法是將測(cè)量的產(chǎn)品模型放置在被磁場(chǎng)包圍的工作臺(tái)上，手持觸針在產(chǎn)品模型的表面上移動(dòng)。此時(shí)，觸針上的傳感器會(huì)感知到磁場(chǎng)的變化，并以此變化來(lái)檢測(cè)觸針位置，從而實(shí)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(cè)量設(shè)備，但不能用于測(cè)量導(dǎo)磁產(chǎn)品。

接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是：①測(cè)量精度、準(zhǔn)確度高，可靠性好。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，接觸式探頭具備了成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)。②測(cè)量不受被測(cè)產(chǎn)品表面顏色、反光性和曲率的影響，測(cè)量探頭直接接觸產(chǎn)品表面進(jìn)行測(cè)量。③適合做一般基本幾何形狀的測(cè)量。被測(cè)產(chǎn)品被固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，結(jié)合相關(guān)的測(cè)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(cè)量的缺點(diǎn)是：①不同形狀的產(chǎn)品的固定，需要使用不同夾具，且有時(shí)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)要用到特殊夾具，從而導(dǎo)致測(cè)量費(fèi)用較高。②由于接觸式測(cè)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?huì)損壞探頭和產(chǎn)品某些重要部位的表面精度。所以，為了保證測(cè)量精度，操作人員在操作過(guò)程中要細(xì)致、耐心且要經(jīng)常對(duì)探頭的直徑進(jìn)行校正。③因?yàn)闇y(cè)量是逐點(diǎn)測(cè)量的，所以測(cè)量速度慢、效率低。④不能對(duì)易碎、軟質(zhì)、薄型、腐蝕材料的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量。⑤不易測(cè)量?jī)?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(cè)量）。⑥由于測(cè)量數(shù)據(jù)是探頭球心的位置，需要對(duì)探頭進(jìn)行半徑補(bǔ)償來(lái)得到產(chǎn)品表面的真實(shí)外形，可能會(huì)產(chǎn)生誤差修補(bǔ)的問(wèn)題。

2.2 非接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量 非接式觸測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)量的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了接觸式測(cè)量的不足，填補(bǔ)了測(cè)量市場(chǎng)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(cè)量）空白，受到人們的日益重視。

非接觸式測(cè)量主要有以下幾種方法：

2.2.1 激光三角法 激光三角測(cè)距法是逆向工程中應(yīng)用最為廣泛的曲面數(shù)據(jù)測(cè)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(lái)計(jì)算產(chǎn)品表面點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具有以下特點(diǎn)：①測(cè)量過(guò)程中測(cè)量探針不與產(chǎn)品表面接觸，可以對(duì)軟材料表面進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，對(duì)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(cè)量。②數(shù)據(jù)測(cè)量速度快，且無(wú)需進(jìn)行探頭半徑補(bǔ)償。③價(jià)格較貴，雜散反射和垂直壁表面等因素會(huì)影響到測(cè)量精度。

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

2.2.3 工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法 該方法對(duì)產(chǎn)品實(shí)物經(jīng)過(guò)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(cè)量產(chǎn)品內(nèi)部的斷面信息，但精度較低。

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

非接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)是：①因?yàn)樵诜墙佑|式測(cè)量中，所采用的測(cè)量探頭通常是光敏位置探測(cè)（簡(jiǎn)稱PSD），而就目前PSD 的發(fā)展情況來(lái)看，其精度不夠高（在20Pm 以上），導(dǎo)致非接觸式測(cè)量的測(cè)量精度較差。②在非接觸式測(cè)量中，測(cè)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(qiáng)度，被測(cè)物的顏色、光順程度和斜率等會(huì)影響到探頭的測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)精度誤差和大量不規(guī)則的散亂點(diǎn)。③非接觸式測(cè)量只在對(duì)工件輪廓坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行大量取樣時(shí)有優(yōu)勢(shì)，但在對(duì)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(shí)，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(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響。

3 總結(jié)

逆向工程設(shè)計(jì)是國(guó)家發(fā)展科學(xué)技術(shù)及提高工藝水平的一個(gè)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(diǎn)介紹了逆向工程中常用的兩大類測(cè)量方法，接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，分析比較了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為逆向設(shè)計(jì)中測(cè)量方法的選擇上提供借鑒。

[1]金濤，童水生.逆向工程技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003，8.

[2]基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2013（5）.

[3]趙天嬋，馮俊，李進(jìn)雄.基于UG 的汽車轉(zhuǎn)向器上護(hù)罩逆向設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，5.

[4]李進(jìn)亮.逆向工程中數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[M].尤錫：江南大學(xué)出版社，2005.

[5]王宏濤，周儒榮，張麗艷.現(xiàn)代測(cè)量方法在逆向工程數(shù)據(jù)采集技術(shù)中的應(yīng)用[J].航空計(jì)測(cè)技術(shù)，2003，23(4).