逆向工程中数字化测量方法及其应用

1、98文章编号：-3997（9）02-0098-03机械设计与制造MachineryDesignManufacture第2期9年2月逆向工程中数字化测量方法及其应用*赵萍李永奎白雪卫李景阳（沈阳农业大学工程学院，沈阳110161）DigitalmeasuringmethodsandtheirapplicationsinreverseengineeringZHAOPing，LIYong-kui，BAIXue-wei，LIJing-yang（EngineeringCollege，ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang110161，China）【摘要】数字化测量

2、是逆向工程的初始条件也是关键步骤。为此，结合国内外研究现状，较为全面地阐述了数字化测量的各种方法，通过对比分析总结了各自的优缺点及适用范围，提出了目前应用中存在的技术难题及进一步研究展望，旨在对后续的研究提供必要的参考。关键词：逆向工程；数字化；接触式测量；非接触式测量【Abstract】Digitalmeasuringisinitialconditionandimportantstepofreverseengineering.Theresummarizestheirsuperiorities，deficienciesandscopesofapplicationthroughacomparat

3、iveanalysis，andputsforwardtechnicalproblemduringapplicationandfartherdevelopingtrendsatpresent.Itisaimedatprovidinganecessaryreferenceforsubsequentresearch.Keywords：Reverseengineering；Digitization；Touchedmeasurement；Untouchedmeasurementfore，itintroducesroundlyallkindsofdigitalmeasuringmethodsontheba

4、sisofstudyingpresentsituation，课题，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程；是实现并行工程、敏捷制造等先进制造技术的重要支撑，已被广泛应4结果输出NAMETEXT_DIRSTARTUPREVISIONEND来稿日期：2008-04-01基金项目：沈阳农业大学，青年教师科研基金项目（20070126）功后制作一个Protk.dat的注册文件，用该文件进行应用程序的注册。MenuSamp1ptcworksamp1texte：dll2003图5系统结果输出ptcworksamp1Samp1.dllEXEC_F

5、ILEe：框中输入相应技术指标：容量100gt；最大加速度200g；有效旋转半径2.7m；模型箱有效容积（700500500）mm；采用非平衡双吊斗的常规离心机；材料为35CrMo。单击确定后，即在Pro/E中得到主轴图形和结果信息的txt文档，如图5所示。TLJ2型土工离心机主轴安全系数为5.25，离心机在实际满载运行过程中，功率使用约100kW。系统计算出的电机功率132kW比实际选择的185kW小，且选择的径向轴承1、止推轴承、径向轴承2、胀套均小一个型号，在保证设备安全和性能的前中图分类号：TH16，TG806文献标识码：A逆向工程也称反求工程，是先进制造技术领域中的一个新兴用在航天、

6、航空、汽车等领域，其工作流程，如图1所示。提下设计更为合理。要使推理机能够集成到Pro/E系统中运行，要在编译连接成ALLOW_STOPTRUE从图1可以看出，数字化测量是逆向工程的初始条件，测量完整程度，影响数方法的好坏直接影响对被测实体描述的精确、字化实体几何信息的速度，进而影响重构的CAD曲面、实体模型将注册文件放在Pro/E启动目录下即可实现自动注册。以西南交通大学的TLJ2型土工离心机主轴设计为例，对话5结论专家系统综合集成了离心机设计领域专家的知识和经验，把CAD技术有机的结合起来，应用此系统可以缩短产品的设计周期并得到了满意的设计结果，可以提高效率，并将多年设计经验进行总结和积累

7、。该系统的成功开发，可以为离心机其它零部件开发设计提供参考，建立相应的专家系统。参考文献第2期赵萍等：逆向工程中数字化测量方法及其应用*99的质量，最终影响整个逆向工程的进度和质量，是整个工程的基础。所以，数字化测量方法的选择和研究对逆向工程至关重要。目前常用测量方法主要有接触式和非接触式测量。被测数据处理曲面构建三维数字化测量产品样件或实物间的关系，按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。根据入射光的不同，可以分为点光源测量、线光源测量和面光源侧量。（1）点光源测量法。测量时，点光源测头一次测量一个点，测头在给定扫描平面内沿给定方向运动，形成扫描线，依次移动平面可以扫描整个曲面轮廓。其原

8、理，如图2所示。e激光源曲面品质分析合格建立CAD模型数控加工不合格曲面品质优化bja透镜探测器CAM生成NC代码图1逆向工程流程k1接触式测量接触式测量中，应用最广泛的是三坐标测量机，其测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针（接触测头），当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使探针发生形变，这种形变触发测量传感器将测出的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。接触式测量方法的优点是不受被测物体表面的颜色和光照限制；可以对被测物体边界精确测量；测量精度较高。但这种测量方法的缺点也比较明显：）由于是以逐点方式测量，所以速度慢，效率低；（1）测头与被测

9、物体表面存在接触力，因而该方法不能对软（2质材料和超薄物体进行测量；（3）接触测头是感应元件，测得的数据是测头的球心位置，所以需进行测头半径补偿；）测量路径需人工干预，目前还无法实现全自动测量；（4（5）测量系统的支撑结构存在静态及动态误差，从而影响了测量的精度。接触式测量的缺点限制了它的应用领域，随着测量技术的发展和测量市场的雪要，产生了非接触式测量，其克服了接触式测量的一些缺点，是逆向工程中数字化测量的发展方向。目标平面S参考平面图激光三角法测量原理若目标平面与参考平面的高度为s，则两者在探测器上成像的位移e为：e=bssini式中：a，b透镜前、后焦距。（2）线光源测量法。也叫光切法。测

10、量时，由发光二极管和线发生器产生线激光，投射到被测物体表面，其在物体表面上产生的反射光进入一个相机中，由于该相机与激光线束投射方向成一定角度，物体表面形状变化就转化为激光反射线形状的变化，该变化通过标定可得到准确的三维空间信息。（3）面光源测量法。其原理是利用激光在被测物体表面投射一光条，由于被测表面起伏及曲率变化，投射的光条扭曲变形，由CCD摄像机摄取激光束影像，这样就可由激光束的发射角度和激光束在CCD内成像位置，通过三角几何关系获得被测点坐标数据。激光三角法由于同时拥有高精度、高速度及方便将3D模型转换到CAD系统中的特点，因而广泛应用在逆向工程曲面测量但测量成本较高。中，其测量精度在0

11、.01mm左右，2非接触式测量2.1基于视觉技术的非接触测量方法基于视觉的测量技术是以现代光学为基础，融合电子学、计信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测算机图形学、（Active）和被量技术。根据测量中使用的光源不同可分为主动式6动式（Passive）两大类2，。主动式指的是采用特殊的光源（如结构其基本原理是：将一定模式的光（如光栅等）照射到被测物体的表面，然后由摄像头拍摄反射光的图像，通过光像平面的对应关系来获取物体表面上点的实际位置。如图3所示，测量时，入射光线P照射到参考平面上的A点，放入被测物体后，P照射到被测物体上的B点，此时从图示方向观察，A点就移到新的位距离AC就包含了高

12、度信息z=h（x，y），即高度受到了表置C点，面形状的调制。ZP被测面光和激光等）对被测物体表面进行照射，主要有激光三角法、结构光法等；而被动式不需要特殊光源，常采用自然光源，主要有双目立体和三目立体测定法等。激光三角法是根据光学三角形的测量原理，利用光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算被测表面点的坐标数据。其测量原理是：利用具有规则几何形状的激光，投影到被测量表面上，形成的漫反射光点或光带的像被图像传感器吸收，根据光点或光带在物体上成像的偏移，通过被测物体参考平面、像点、像距等之XBhCAO参考面图3结构光法的测量原理100机械设计与制造结构光法的主要优点是测量范围大、稳定、速度快、成本

13、低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作。缺点是精度较低，而且较平坦的物体。尽管如此，基于结只能测量表面曲率变化不大的、构光的测量设备仍然被认为是目前测量速度和精度较高的扫描测量系统，其中最为成功的系统是德国GOM公司的ATOS光学测量系统，其可以在1min内完成一幅包括430000个像素点的图像的测量，精度达0.03mm。清华大学、重庆大学、中科院高能所等单位已经陆研究CT技术，续研制出射线源工业CT装置，并进行了一些实际应用。层析法是近年来发展起来的，其工作原理是：用数控铣床或磨床以微进刀量去掉被测物体一层，然后用摄像机对当前截面进行二维图像采集，最后进行图像处理，获取截断面边界轮廓三维坐

14、标。每次图像摄取与处理完成后，再去掉一薄层，又得到一个新的截断面，并完成前述的操作过程。该方法可对有孔及内腔的物体进行测量，测量精度高，不足之处是这种测量是破坏性的，所以美国CGI公对于只有一件反求零件的逆向工程不适用。在国外，司已生产层析扫描测量机；在国内，海信技术中心工业设计所和西安交通大学合作研制成功具有国际领先水平的层析式三维数字化测量机。上述测量方法各有其优缺点，对比如表1所示。表1各种测量方法的比较测量方法测量精度测量速度慢一般快快较慢较慢材料及表面限制不适用于软质材料表面不能过于光滑无无无无能否测孔成本及内腔否否否否能能高较高一般低高高双目立体视觉是基于人类视觉建立的，已广泛应用

15、于各种测量中。是视觉测量技术的发展重点。其测量原理是利用两台位置相对固定的摄像机或数码相机，从不同角度同时获取同一景物的两幅图像，通过计算空间点在两幅图像中的像差来获得其三维坐标值。如图4所示，P为空间任意一点，通过图像处理并分析测定点P在两幅图像中的像坐标pi（xi，yi）（i=1，2），建立三维空间重建算法，即可由pi（xi，yi）（i=1，2）恢复点P的三维坐Y，Z）。标（X，P（X，Y，Z）Z2o2O2X2Y2C2O1dX1Y1C1y2x2p2p1o1y1x1Z1）m三坐标法（0.630激光三角双目视觉工业CT层析法5m0.5mm1mm25m）m结构光法（133结论及展望（）接触式测量

16、法中，三坐标测量机（CMM）是应用最为广泛的一种测量设备；非接触式测量法中，结构光法被认为是目前最为成熟的测量方法，在工业界应用广泛，而ATOS测量系统是这种方法的典型代表。（）非接触测量以其自身的优势已成为一个重要的发展方向，尤其是双目立体视觉法，其测量原理简单，成本低，更是今后的热门课题。（）如何同时利用不同的测量方式进行互补，达到高精度、全智能化快速测量，还需进一步研究。方位、（）如何实现测点的自适应（即曲率大的区域测点密，曲率小区域测点稀），从而便于后续的数据处理和曲面构建，仍需进一步研究。图4双目立体视觉测量原理双目立体视觉法的优点在于测量原理清晰、设备简单、操作灵活及成本低；非破坏

17、性；检测速度快；数据处理易于自动化等；难点在于摄像机标定、立体匹配和图像拼接。其优点使得计算机立体视觉技术在机器人视觉、医学整形和美容、工业产品的外观设计、三维轮廓测量、艺术雕塑、建筑等领域有着广泛的应用前景，所以也是当今国际上的热门课题之一。工业CT是一种射线成像检验技术，最早出现于20世纪70年代，首先应用于医学诊断，后来推广到工业领域。工业CT对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，用数学方法经过计算机处理而重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。是目前最先进的非接触式测量方法，它可以在不破坏零件的情况下，准确地对物体的内部形状、壁厚、尤其是内部结构进行测量，这是其他测量方式所难以做到的，而且对零件的材料没有限制。但CT测量法存在着测量系统的空间分辨率低、获取数据时间长、重建图像计算量大、设备造价高等缺点。目前，工业CT已在航空、航天、军事工业、核能、石油、电子、机械、考古等领域广泛应用。我国从20世纪80年代初期也开始参考文献1李大鹏，崔洋.三坐标测量机在逆向工程的应用J.机械设计与制造，2007（7）：7274J.2JarvisRA.AperspectiveonrangefindingtechniquesforcomputervisionIEEETrans