逆向工程技术的发展现状

２００８年０２月中国设备工程

文章编号：１６７１－０７１１（２００８）０２－００１９－０３

逆向工程技术的发展现状

苏

靖，陈韶娟，马建伟

（青岛大学纺织服装学院，山东

青岛

２６６０７１

）摘

要：介绍实物逆向工程技术中测量技术的发展现状，包括测量方法、测量设备以及反求软件。其中

对几种主要测量方法从原理、特点方面进行了较详细的阐述，并作了比较。最后将逆向工程的应用领域作了归纳。

关键词：逆向工程；三维测量；测量方法中图分类号：ＴＢ４

文献标识码：Ｂ

图１

反求工程测量方法的分类

一、逆向工程（ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）的概念

逆向工程产生于２０世纪８０年代末至９０年代初，广义上，逆向工程可以分为实物逆向、软件逆向和影像逆向三类。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向重构上，即产品实物的ＣＡＤ模型重构和最终产品的制造，称为“实物逆向工程”。

逆向工程也称反求工程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据的过程。在产品设计时，如果客户给出的只是实物模型而没有产品原始图纸、文档或ＣＡＤ模型数据，需要通过对已有产品实物进行分析与测量，重新得到制造产品所需的几何模型和特性数据，即对其进行数字化处理，使之能利用ＣＡＤ、

ＣＡＭ、ＲＰＭ、ＰＤＭ及ＣＩＭＳ等先进技术进行处理，

形成三维模型，并最终复制出已有产品。也可以在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，这样的过程就称为逆向工程。

逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及数控加工等多个环节。其中快速反求是从实物原型到三维数字模型的转换，是反求工程技术实现的关键技术，它包括数据测量、数据处理、三维重建和模型评价四部分。

二、逆向工程的测量技术

逆向工程的测量是指实物的数据采集，也称三

维数据测量，是反求工程实现的第一步。它是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。该技术关系到对零部件（实物）

描述的精确度和完整度，

从而影响重构的ＣＡＤ曲面和实体模型的质量，并最终决定加工出来的产品能否真实反映原始实物。因此，测量是整个原型反求的基础。

１．测量方法及原理。反求工程采用的测量方

法主要分为两类：接触式和非接触式。根据测量原理、设备结构的不同还可以进一步细分（见图１）。

接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，经过数学计算的方法得出其形状、

管理园地

研究·

探讨１９

中国设备工程２００８年０２月

表１

主要测量方法的比较

机械法光学法电气法三坐标

测量法激光三角法投影光栅法断层扫描法工业ＣＴ和核磁共振法最高

０．５!ｍ

高

＞１"ｍ

较低

＞１０#ｍ

以上较低

０．０２ｍｍ

低

＞１ｍｍ

慢快快慢较慢不适于

软质软硬皆可软硬皆可软硬皆可有要求测头微损无损无损破坏被测件无损高

较高低较高

最高

精度速度被测

材质破坏性成本

不能过于光滑

对表面粗糙度、漫反射率敏感，不能过于光滑

对表面色泽、粗糙度敏感，不能过陡

无无

表面特性及形状要求

最适合情况

无复杂内部形面、硬质、特殊尺寸多及精度要求高的箱体工件

表面形状复杂，

精度要求不特别

高的未知曲面适于测复杂的内

部几何形状研究·

探讨管理园地

位置公差及其他几何量数据。

接触式三坐标测量机的测头属机械式，根据其工作方式的不同又可分为开关式（触发式或动态发信式）和扫描式（比例式或静态发信式）

两类。坐

标测量机可达到很高的测量精度，测头体积小、通用性较强，适于无复杂内部型腔、只有少量特殊曲面的空间箱体类工件的测量。测量机工作处于迅速直线低速运动状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小，但它有一定的局限性，如不能测量到细节之处、不能测易碎和易变形的零件、测量速度慢、测头半径需要补偿及数据量较小等。

在非接触式技术中较成熟且应用最广泛的是光学测量法。其中，基于三角形法的激光扫描和基于相位光栅投影的结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法。

激光三角形法以激光作为光源，根据光学三角形测量原理，将光源（可分为光点、单光条、多光条等）投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。这种方法测量如果采用线光源，可以达到很高的测量速度，此方法已经成熟。其缺点是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，限制了测头的使用范围。

基于投影光栅的结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法，它的原理是将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到物体表面，然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标。此法的主要优点是对实物的测量范围大、速度快、成本低。缺点是精度低，在陡峭处会发生相位突变，影响精度，适于测量表面起伏不大的较平坦物体。目前，分区测量技术的进步使光栅投影范围不断增大，结构光法测量设备成为现在逆向测量系统领域中使用最广泛且最成熟的系统。

非光学测量方法由于其成本较高、应用上有局限性，目前在逆向工程的数据获取中很少使用。主要测量方法的比较见表１。

总的来说，在实测时，需要根据测量对象的特点及设计工作的要求选择合适的扫描方法及设备。如果只测量尺寸和位置要素，宜采用接触开关式测量；若对产品的轮廓及尺寸有较高的精度要求，宜采用接

触扫描式测量；在对易变形、精度要求不高、测量数据多的产品进行测量时，可采用非接触式测量方法。

２．测量设备发展概况。三坐标测量机是最早用于现代三维测量技术的机器，由英国Ｆｅｒｒａｎｔｉ公司于２０世纪５０年代研制的。德国Ｚｅｉｓｓ公司于１９７３年推出了ＵＭＭ５００三坐标测量机。目前，国际上较有影响的三坐标测量机制造厂商主要有意大利ＤＥＡ公司、美国Ｂｒｏｗｎ－Ｓｈａｒｐｅ公司、英国ＺＫ公司以及德国Ｚｅｉｓｓ

公司。

海克斯康测量技术（青岛）有限公司，是瑞典高科技制造业集团海克斯康ＨＥＸＡＧＯＮ集团计量产业的核心成员和九大测量机制造基地之一，已成为国内有影响力的数控三坐标测量机专业制造厂商。

三次元坐标量床过去一般以接触式探针为主，用于模具检测、产品外型验证、工件外型特征变化和几何形状等。随着逆向工程的快速发展，大量曲面的产品零件应运而生，接触式探针为主的三次元坐标量床已不能满足要求，结合接触式及非接触式的探头已成为必然的发展趋势。在测头的研制方面，英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司的测头最有代表性，该公司的测头被大多数三坐标生产商所采用。国内也在三维测量设备方面展开了较深入的研究，主要集中在

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