测量逆向工程之核心技术

测量逆向工程之核心技术

王淦

摘要:逆向工程的核心技术就是测量技术、数据的获取。可以说是逆向工程技术是在测量技术的基础之上发展起来的，一个国家或地区逆向工程的发展程度就是取决于其测量技术的发展程度。目前逆向工程的测量技术可大致分为接触式和非接触式测量技术。而测量技术面临的主要问题就是精度问题。要解决精度问题笔者认为可以在提高仪器精度和寻找新的测量方法上下功夫。

关键词：逆向工程；接触式测量；非接触式测量；误差分析；新的测量方法。

一、逆向工程简介

逆向工程，又称反求工程、反向工程，指通过各种测量手段和三维几何建模方法，将已有实物原型转化为计算机上的三维数字模型的过程，是工程测量技术、计算机软硬件技术的综合。随着计算机技术的发展，CAD 技术已经广泛地应用于工程测量工作，但由于多种因素的限制，现实世界中的很多物体形状并不能完全用 CAD 设计的方法进行描述。因而，我们提出了逆向工程的概念。其大致过程为：实物/模型测量三维数字模型计算机辅助制造（CAM）产品。

数据的获取、测量是逆向工程测量最关键的技术之一。综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法，是目前逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象应用最广泛的一种工程测量方式。【1】

二、接触式工程测量技术

接触式工程测量技术接触式工程测量技术是在机械手臂的末端安装探头，通过与工程表面接触来获取表面信息，目前最常用的接触式测量系统是三坐标测量机（ CMM）。传统的坐标测量机多采用机械探针等触发式测量头，可通过编程规划扫描路径进行点位测量，每一次获取被测形面上一点的坐标值，测量速度都很慢。CMM 的优点是测量精度高，对被测工程无特殊要求，对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被测工程，CMM 是一种非常有效可靠的三维数字化手段。它的缺点是不能对软物体进行精密测量；价格昂贵，对使用环境要求高；测量速度慢，测量数据密度低，测量过程需人工干预；还需要对测量结果进行探头损伤及探头半径补偿，无法测量小于测头半径的凹面工程，这些不足限制了它在快速反求领域中的应用。【2】

三、非接触式测量技术

激光线结构光扫描测量技术是一种基于三角测量原理的主动式结构光编码工程测量技术，亦称为光切法，通过将一线状激光束投射到三维物体上，利用 CCD 摄取物面上的二维变形线图像，即可解算出相应的三维坐标。每个测量周期可获取一条扫描线，物体的全轮廓测量是通过多轴可控机械运动辅助实现的。这类设备的扫描速度可达 15000 点/秒，测量精度在±0.01～±0.1mm量工程对象型面的光学特性要求不高。投影光栅测量技术是一类主动式全场三角测量技术，通常采用普通白光将正弦光栅或矩形光栅投影于被测物面上，根据 CCD 摄取变形光栅图像，根据变形光栅图像中条纹像素的灰度值变化，可解算出被测物面的空间坐标，这类测量方法具有很高的测量速度和较高的精度，是近年发展起来的一类较好的三维传感技术。根据形变、高度关系的描述方法的不同，光栅测量可分为两类：直接三角法和相位测量法。直接三角法原理简单、速度快，不易受被测工程物面不连续等干扰的影响，但是其测量精度不高，不能实现全场测量；而相位测量法测量精度相对较高。计算机断层扫描（ CT）技术最具代表的是基于 X 射线的 CT 扫描机，它是以测量物体对 X 射线的衰减系数为基础，用数学方法经过计算

机处理而重建断层图像，这种方法最早是应用于医疗领域，目前已经广泛用于工程测量领域，即称为“工程CT”。对中空物体的无损三维测量，这种方法是目前较先进的非接触式检测方法，它可对被测工程的内部形状、壁厚、材料，尤其是内部构造进行测量，该方法同样能够获得被测工程内表面数据，且不破坏工程结构。但它存在造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大等缺点。立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（或多个）摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（或多个）摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。【1】

四、测量误差分析

4.1接触式测量误差的影响因素使用三坐标测量机进行测量时，存在一个很复杂的综合误差，这一复杂的综合误差造成了三坐标测量机测量结果的不确定性。误差有系统性误差和随机性误差，只有系统性误差可以被预测和补偿。引起三坐标测量机测量系统性误差的主要原因有：三坐标测量机本身的几何误差、三坐标测量机结构的受力受热变形测量误差。测量误差是指光栅读数时，由于接触力及摩擦力的作用探针将发生偏转，这种偏转是随机的、无法预料的。由于三坐标测量机是一种高精度的检测设备，其机房环境条件，对测量机的影响至关重要。这其中包括检测工件状态、温度条件、振动、湿度、供电电源、压缩空气等因素。

4.2非接触式测量误差的影响因素（1）测量精度误差因非接触式探头大多使用光敏位置探测PSD（position sensitive detector）来检测光点位置，目前的 PSD 的精度仍不够，约为 20 pm以上；（2）因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等；（3）PSD 易受环境光线及杂散光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难；（4）非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较困难；（5）使用 CCD 作探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，因工件几何外形变化大时成像会失焦，成像模糊；（6）工件表面的粗糙度会影响测量结果。综上所述，影响测量精度的因素很多，如测量的原理误差、测量系统的精度及测量过程中的随机因素等，都会对测量结果造成影响，从而产生误差。【3】

五、新的测量方法构想

综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的特点，笔者想到可不可以把这两者结合起来发展一种新的测量方法。寻找一种对可透性的声波或者光波反射性很强的微尘或者颗粒覆盖在被测件所有表面，其覆盖方法可以是喷刷或涂抹等方法。再用相应的光波或声波对被测件进行透射扫描，用计算机立体成像技术得到被测件的数字立体模型。这样就解决了接触式工程测量技术对具有复杂表面或内部型腔、特征几何尺寸繁多的物体测量速度慢，测量数据密度低的问题；也解决了非接触式工程测量技术对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较困难的问题。但是也要注意喷涂材料的厚度问题不能过少使反射率过低成像不良，也不能过多影响了被测件的表面精度，同时使反射率过高到达背面的波过少使其他面不能反射波形从而不能成像的问题。同时希望有人能开动大脑想到更多更好的方法。

寻找新的测量方法是为了消除在测量原理上的误差。但是在设备和环境因素造成的误差也是一个重大的误差来源，要减小这些误差只能在制造水平上下功夫了。

参考文献：

【1】张自有.逆向工程测量技术研究.工程与质量.2010-18

【2】张义力.逆向工程数据获取中测量关键技术研究.上海交通大学学报，2009-12 【3】廖志锋.逆向工程中数据测量的误差分析.科技天地.2011-14