探讨逆向工程中的曲面数字化测量方法
来源：UC论文网2015-11-30 20:12
摘要：
摘要：目前，逆向工程中的曲面数字化测量方法主要有接触式和非接触式两大类。典型的接触式测量方法是三坐标仪测量法。非接触式测量法按其原理不同，可分为光学式和非光学式。
摘要：目前，逆向工程中的曲面数字化测量方法主要有接触式和非接触式两大类。典型的接触式测量方法是三坐标仪测量法。非接触式测量法按其原理不同，可分为光学式和非光学式。其中，光学式包括三角形法、结构光法、激光干涉法等，非光学式包括层析法等。
论文关键词：曲面,测量,规划
正文
一、数字化测量方法分类
数字化测量方法主要有接触式和非接触式两大类。
1、接触式测量方法
接触式数据采集方法是通过机械探头接触被测表面，由机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。该方法稳定，即伪劣点少、精度高、重复精度高，缺点是测量速度慢。接触式数据采集方法包括基于力触发原理的触发式采集和连续扫描数据采集。
（1）触发式数据测量
触发式数据测量原理为采样测头的探针刚接触到样件表面时，探针尖端因受力而产生微小变形，触发采样开关，使得数据采集系统记下探针尖的坐标值，逐点移动到所需测量的点，便可以采集到样件表面轮廓的坐标数据。在采集过程中，由于探针需要偏移某个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件表面后，探针需要法向退出以免过量而折断，因此数据采集速度较低。
（2）连续式数据测量方法
连续式数据测量采用模拟量开关采样头。原理是利用悬挂在三维弹簧系统中的探针的位置偏移所产生的电感或者电容的变化，进行机-电模拟量转换。当采样头的探针沿着样件表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标位置偏移量的电流或电压信号。最常见的接触式数据采集方法是三坐标测量机。
2、非接触式测量方法
依据光学原理发展起来的非接触式数据采集方法主要有激光三角测量法、光干涉法、结构光学法、超声波、图像分析法以及工业计算机断层扫描成像法等。
（1）超声波法
超声波法原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质边界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔计算出各面到零点的距离。这种方法结构简单，但测速较慢，测量精度不稳定，目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。
（2）全息干涉法
利用光的相干性原理，测量分辨率可达光波长的几百分之一。但需要干涉性好的激光光源和精确的干涉光路，测量范围较小，在
以内。
（3）立体视觉法
是一种仿效人眼观察物体的方法。通常情况下，测量精度不高，分辨率在毫米数量级。优点是能快速获取被测物信息，并可实现动态测量。主要应用于地形地貌测量、机器人视觉、物体特征识别以及三维物象分析等场合。
（4）工业层析法
最早应用于医学领域，目前工业领域已可对工件内部形状、结构、壁厚等进行测量，是目前极具发展前景的一种非接触式断层测量方法，可用于工业产品的无损检测和探伤。缺点是空间分辨率较低、获得数据需要较长的积分时间、重建图像计算量大、造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓。
（5）核磁共振图像法
核磁共振断层成像法是世纪年代末发展起来的一种新式医疗诊断影像技术。具有深入物体内部且不破坏被测物的优点，对生物体无损害，在医学领域具有广泛的前景。不足之处是不适用非生物材料的工业产品，空间分辨率不及层析法，且测量时间长，设备昂贵。
（6）结构光法
结构光法是基于三角测量原理的非接触三维物体测量方法，又称为投影光栅法，是将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到被测样件表面，用两个镜头从不同角度获取表面反射的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标，即对图像进行分析以确定表面上数据点的坐标。这种方法具有非接触、测量速度快、精度高、算法相对简单、系统实现方便、造价相对较低等优点，己成为逆向工程三维数字化领域的最重要的三维形貌测量手段。
（7）激光三角法
激光三角法的原理是采用激光作为光源，照射到被测物体上，利用CCD（ChargeCoup1edDevice）接受漫射光成像点，根据光源物体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标。这种方法已经相当成熟，并已广泛使用。
表1接触式与非接触式测量系统比较
表2数字化方法比较
由表1所示，对接触式与非接触式测量系统进行了比较，分别得出了他们的优缺点。表2对比了几种常用数字化方法。
二、测量路径规划
1、接触式测量路径规划
在所有的产品设计理念中，逆向工程所具有的一个很大的优势就是从产品模型到产品的生产之间的时间差要比其他设计理念所用的时间短的多，如果整个逆向工程所用的时间过长，这一优势便荡然无存。所以在整个流程中，缩短各个环节所需要的时间便是要考虑的一个重要的方面。三坐标测量机是一种高精度的测量仪器，为保证其测量精度和安全运行，三坐标测量机通常运行速度很低，并且在测量过程中，测头的锁紧和解锁、测头的旋转要消耗很大的一部分时间。因此，在测量路径规划中，如何减少测头运转的空行程和测头的旋转测量，提高三坐标测量机的测量效率，便是要考虑的一个问题。
逆向工程中的数据测量路径规划的目的是精确而又高效的采集和利用数据，为后续模型重构的进行创造条件。精确是指所采集的数据足够反映产品样件的特性，而不会产生误导、误解。高效是指在能够正确表示产品特性的情况下，所采集的数据尽量少，所走过的路程尽量短，所花费的时间尽量少。
论文关键词：曲面,测量,规划
正文
一、数字化测量方法分类
数字化测量方法主要有接触式和非接触式两大类。
1、接触式测量方法
接触式数据采集方法是通过机械探头接触被测表面，由机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。该方法稳定，即伪劣点少、精度高、重复精度高，缺点是测量速度慢。接触式数据采集方法包括基于力触发原理的触发式采集和连续扫描数据采集。
（1）触发式数据测量
触发式数据测量原理为采样测头的探针刚接触到样件表面时，探针尖端因受力而产生微小变形，触发采样开关，使得数据采集系统记下探针尖的坐标值，逐点移动到所需测量的点，便可以采集到样件表面轮廓的坐标数据。在采集过程中，由于探针需要偏移某个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件表面后，探针需要法向退出以免过量而折断，因此数据采集速度较低。
（2）连续式数据测量方法
连续式数据测量采用模拟量开关采样头。原理是利用悬挂在三维弹簧系统中的探针的位置偏移所产生的电感或者电容的变化，进行机-电模拟量转换。当采样头的探针沿着样件表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标位置偏移量的电流或电压信号。最常见的接触式数据采集方法是三坐标测量机。
2、非接触式测量方法
依据光学原理发展起来的非接触式数据采集方法主要有激光三角测量法、光干涉法、结构光学法、超声波、图像分析法以及工业计算机断层扫描成像法等。
（1）超声波法
超声波法原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质边界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔计算出各面到零点的距离。这种方法结构简单，但测速较慢，测量精度不稳定，目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。
（2）全息干涉法
利用光的相干性原理，测量分辨率可达光波长的几百分之一。但需要干涉性好的激光光源和精确的干涉光路，测量范围较小，在
以内。（3）立体视觉法
是一种仿效人眼观察物体的方法。通常情况下，测量精度不高，分辨率在毫米数量级。优点是能快速获取被测物信息，并可实现动态测量。主要应用于地形地貌测量、机器人视觉、物体特征识别以及三维物象分析等场合。
（4）工业层析法
最早应用于医学领域，目前工业领域已可对工件内部形状、结构、壁厚等进行测量，是目前极具发展前景的一种非接触式断层测量方法，可用于工业产品的无损检测和探伤。缺点是空间分辨率较低、获得数据需要较长的积分时间、重建图像计算量大、造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓。
（5）核磁共振图像法
核磁共振断层成像法是世纪年代末发展起来的一种新式医疗诊断影像技术。具有深入物体内部且不破坏被测物的优点，对生物体无损害，在医学领域具有广泛的前景。不足之处是不适用非生物材料的工业产品，空间分辨率不及层析法，且测量时间长，设备昂贵。
（6）结构光法
结构光法是基于三角测量原理的非接触三维物体测量方法，又称为投影光栅法，是将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到被测样件表面，用两个镜头从不同角度获取表面反射的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标，即对图像进行分析以确定表面上数据点的坐标。这种方法具有非接触、测量速度快、精度高、算法相对简单、系统实现方便、造价相对较低等优点，己成为逆向工程三维数字化领域的最重要的三维形貌测量手段。
（7）激光三角法
激光三角法的原理是采用激光作为光源，照射到被测物体上，利用CCD（ChargeCoup1edDevice）接受漫射光成像点，根据光源物体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标。这种方法已经相当成熟，并已广泛使用。
表1接触式与非接触式测量系统比较
|
| 优点 | 缺点 |
| 接触式测量系统 | 1、 因为机电技术的成熟，有较高的准确性和可靠性 2、 与工件表面反射特性无关，与颜色曲率关系不大 3、 适合基本几何形状的测量 | 1、 有时需要特殊夹具，使测量成本增加 2、 需要经常校正探头直径 3、 操作不当容易损伤表面精度和探头 4、 逐点进出方式测量，速度较慢 5、 需要对探头进行半径补偿，会导致修正误差的问题 |
| 非接触式测量系统 | 1、 不必作探头半径补偿 2、 测量速度快 3、 软、薄、不可接触的工件可以直接测量 | 1、 测量精度较差 2、 易受工件表面反射特性的影响，如颜色、斜率等 3、 噪声较高 |
表2数字化方法比较
| 测量方式 | 精度 | 测量速度 | 可测量轮廓 的复杂程度 | 对材料是 否有限制 | 测量成本 |
| 三坐标法 | 0.6～30m | 慢 | 较差 | 有 | 较高 |
| 激光三角法 | ±5m | 一般 | 一般 | 无 | 较高 |
| 结构光法 | ±1～±3m | 快 | 好 | 无 | 一般 |
| CT 超声波 | 1mm | 较慢 | 好 | 无 | 高 |
二、测量路径规划
1、接触式测量路径规划
在所有的产品设计理念中，逆向工程所具有的一个很大的优势就是从产品模型到产品的生产之间的时间差要比其他设计理念所用的时间短的多，如果整个逆向工程所用的时间过长，这一优势便荡然无存。所以在整个流程中，缩短各个环节所需要的时间便是要考虑的一个重要的方面。三坐标测量机是一种高精度的测量仪器，为保证其测量精度和安全运行，三坐标测量机通常运行速度很低，并且在测量过程中，测头的锁紧和解锁、测头的旋转要消耗很大的一部分时间。因此，在测量路径规划中，如何减少测头运转的空行程和测头的旋转测量，提高三坐标测量机的测量效率，便是要考虑的一个问题。
逆向工程中的数据测量路径规划的目的是精确而又高效的采集和利用数据，为后续模型重构的进行创造条件。精确是指所采集的数据足够反映产品样件的特性，而不会产生误导、误解。高效是指在能够正确表示产品特性的情况下，所采集的数据尽量少，所走过的路程尽量短，所花费的时间尽量少。
