《機(jī)械CAD-CAM》課件第9章

第9章逆向工程技術(shù)9.1逆向工程概述9.2逆向工程系統(tǒng)組成及工作原理9.3逆向工程應(yīng)用實(shí)例9.1逆向工程概述

1.正向工程

每個(gè)零部件都有設(shè)計(jì)圖紙，按確定的工藝文件加工。這種開(kāi)發(fā)模式稱(chēng)為預(yù)定模式(PrescriptiveModel)，此類(lèi)開(kāi)發(fā)工程稱(chēng)為正向工程(ForwardEngineering)，也被稱(chēng)為順向工程。產(chǎn)品正向開(kāi)發(fā)的流程如圖9-1所示。圖9-1正向工程開(kāi)發(fā)流程圖

2.逆向工程

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技信息的傳播速度，產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，人們追求完美與個(gè)性化的消費(fèi)需求使產(chǎn)品品種越來(lái)越多、批量越來(lái)越小，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)不再只是質(zhì)量與成本上的競(jìng)爭(zhēng)，而更重要的是時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)。逆向工程技術(shù)在此背景下受到人們的關(guān)注。逆向工程通常是對(duì)某一實(shí)物樣件或模型（稱(chēng)為零件原型，如汽車(chē)的外形、鞋楦模等）進(jìn)行CAD模型重建，即利用三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，準(zhǔn)確、快速地測(cè)量出實(shí)物表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)這些坐標(biāo)點(diǎn)通過(guò)三維幾何建模方法重建實(shí)物CAD模型的過(guò)程，它屬于產(chǎn)品導(dǎo)向(ProductOriented)。通過(guò)逆向工程掌握產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想屬于功能導(dǎo)向。逆向工程的開(kāi)發(fā)流程如圖9-2所示。圖9-2逆向工程流程圖逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)方法不同，它根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品或零件原型來(lái)構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行剖析和改進(jìn)，是對(duì)已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程遵從正向工程的思維進(jìn)行。逆向工程則是按照產(chǎn)品引進(jìn)、消化、吸收與創(chuàng)新的思路，以實(shí)物→原理→功能→三維重構(gòu)→再設(shè)計(jì)的框架進(jìn)行工作的。其最主要的任務(wù)是將原始模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品數(shù)字化模型。逆向工程一方面為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率提供充足的信息，另一方面充分利用先進(jìn)的CAD／CAE／CAM技術(shù)對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行再創(chuàng)新服務(wù)。正向工程中從抽象的概念到產(chǎn)品

數(shù)字化模型的建立是一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的“物化”過(guò)程；而逆向工程是對(duì)一個(gè)“物化”產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品數(shù)字化模型建立的快捷性，以滿(mǎn)足產(chǎn)品更新?lián)Q代和快速響應(yīng)市場(chǎng)的

要求。

3.逆向工程的主要步驟

逆向工程主要包括以下四個(gè)步驟：

（1）零件原型的數(shù)字化：利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光掃描儀等測(cè)量裝置獲取零件原型表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

（2）零件原型的特征識(shí)別與提取：按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬性進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配的方法獲取零件原型所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。（3）零件原型CAD模型的重建：將三維測(cè)量數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過(guò)各表面片的求交、裁剪和拼接來(lái)獲取零件原型的CAD模型。

（4）CAD模型的檢驗(yàn)與修正：根據(jù)對(duì)重構(gòu)的CAD模型重新測(cè)量或加工出樣品等方法，檢驗(yàn)構(gòu)建的CAD模型是否滿(mǎn)足精度要求，對(duì)不滿(mǎn)足要求者，重復(fù)以上的模型重建過(guò)程，直至達(dá)到零件的設(shè)計(jì)要求。

4.逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)

零件的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)輔助反向建模（ComputerAidedReverseModeling，CARM）是逆向工程的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。零件的數(shù)字化是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法來(lái)獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)的。CARM通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，提取建模所需的有效數(shù)據(jù)，對(duì)零件進(jìn)行曲面和實(shí)體造型的分析，以得到原型的CAD模型。

5.逆向工程的應(yīng)用

(1)在對(duì)產(chǎn)品外形的美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，為方便評(píng)價(jià)其美學(xué)效果，設(shè)計(jì)師廣泛利用油泥或黏土等材料進(jìn)行快速模型制作，將所要表達(dá)的意圖以實(shí)體的方式呈現(xiàn)出來(lái)，而不是采用在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示縮小比例的物體投影視圖的方法呈現(xiàn)。此時(shí)，若想根據(jù)造型師制作出來(lái)的模型快速建立三維CAD模型，就必須采用逆向工程的技術(shù)。

(2)當(dāng)設(shè)計(jì)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。比如航天、航空、汽車(chē)等領(lǐng)域，為了滿(mǎn)足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等的要求，首先要求在實(shí)體模型、縮小模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)各種性能測(cè)試(如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等)建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類(lèi)產(chǎn)品通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終確認(rèn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨毥柚嫦蚬こ?，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型。

(3)在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙、沒(méi)有CAD模型的情況下，通過(guò)對(duì)零件進(jìn)行原型測(cè)量，形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼，復(fù)制一個(gè)相同的零件。

(4)由于各相關(guān)學(xué)科發(fā)展水平的限制，對(duì)零件的功能和性能分析還不能完全由CAE來(lái)完成，往往需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)最終確定零件的形狀，如在模具制造中經(jīng)常需要通過(guò)反復(fù)試沖和修改模具型面方可得到最終符合要求的模具。借助于逆向工程的功能和再設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可以建立或修改在制造過(guò)程中變更過(guò)的設(shè)計(jì)模型，大大減少修模量，提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。

(5)很多物品很難用基本幾何來(lái)表現(xiàn)與定義，例如流線型產(chǎn)品、藝術(shù)浮雕等，如果利用通用CAD軟件，以正向設(shè)計(jì)的方式來(lái)重建這些物體的CAD模型，在功能、速度及精度方面都將異常困難。在這種場(chǎng)合下，引入逆向工程可以加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)的難度。

(6)逆向工程在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)上具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值。利用逆向工程技術(shù)，可以直接在已有的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析、設(shè)計(jì)模型重構(gòu)、再設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造，吸收并改進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)，極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，有效地占領(lǐng)市場(chǎng)。

(7)逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品，或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。

(8)特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)，需運(yùn)用逆向工程技術(shù)建立人體的幾何模型。

(9)在快速原型制造（RPM）中，逆向工程主要表現(xiàn)為，通過(guò)逆向工程，可以方便地對(duì)快速原型制造的原型產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次迭代可使產(chǎn)品完善。

(10)在休閑娛樂(lè)方面，逆向工程可用于制作立體動(dòng)畫(huà)、多媒體虛擬實(shí)境、廣告動(dòng)畫(huà)等。

(11)在醫(yī)學(xué)科技方面，如在人體中的骨頭和關(guān)節(jié)等的復(fù)制、假肢制造、人體外形量測(cè)、醫(yī)療器材制作等領(lǐng)域，逆向工程也有其應(yīng)用價(jià)值。9.2逆向工程系統(tǒng)組成及工作原理

1.逆向工程系統(tǒng)組成

（1）測(cè)量測(cè)頭：分接觸式（如觸發(fā)測(cè)頭、掃描測(cè)頭）和非接觸式（包括激光位移測(cè)頭、激光干涉儀測(cè)頭、線結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測(cè)頭、面結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測(cè)頭等）兩大類(lèi)。（2）測(cè)量機(jī)：有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂及激光追蹤站等。

（3）數(shù)據(jù)處理軟件：由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到的外形點(diǎn)數(shù)據(jù)在進(jìn)行CAD模型重建以前，必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對(duì)齊、歸并、測(cè)頭半徑補(bǔ)償和插值補(bǔ)點(diǎn)等數(shù)據(jù)處理。（4）模型重建軟件(CAD/CAM)，包括三類(lèi)：一是用于正向設(shè)計(jì)的CAD/CAE/CAM軟件，如Solidworks、I-Deas、GRADE等，但其數(shù)據(jù)處理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模塊的正向CAD/CAE/CAM軟件，如集成有

SCAN-TOOLS模塊的Pro/E，集成有點(diǎn)云處理和曲線/曲面擬合、快速造型功能的UGII和STRIM100等；三是專(zhuān)用的逆向工程軟件，如Imageware、Paraform、Geomagic等。（5）CAE軟件：完成計(jì)算機(jī)輔助工程分析，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)仿真、流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析等，可提高設(shè)計(jì)成功率。目前較流行的分析軟件有Ansys、Nastran、

I-Deas、Moldf1ow、ADMAS等。

（6）數(shù)控加工設(shè)備：進(jìn)行原型制作或模具制作。（7）快速原型機(jī)：快速產(chǎn)生模型（有立體印刷成型、層合實(shí)體制造、選域激光燒結(jié)、熔融沉積造型、三維噴涂黏結(jié)、焊接成型和數(shù)碼累積造型等方法）。

（8）產(chǎn)品批量生產(chǎn)設(shè)備：包括注射成型機(jī)、沖床、鈑金成型機(jī)等。

2.逆向工程的測(cè)量技術(shù)

1）測(cè)量方式

一個(gè)物體可用游標(biāo)卡尺、測(cè)微儀等作一維長(zhǎng)度測(cè)量，也可用投影機(jī)、工具顯微鏡等在X、Y方向作二維平面測(cè)量。逆向工程多用三維立體測(cè)量，具體有接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量主要利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)；非接觸式測(cè)量主要包括光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等方法。（1）接觸式測(cè)量。

接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)有：

①接觸式測(cè)量不受樣件表面的反射特性、顏色及曲率影響，配合測(cè)量軟件，可快速準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的基本幾何形狀，如面、圓柱、圓錐、圓球等。

②接觸式測(cè)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)有：

①為了確定測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，需使用特殊的夾具，測(cè)量費(fèi)用較高。

②測(cè)量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在一定的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)誤差。

③檢測(cè)某些輪廓時(shí)，可能會(huì)有先天的限制。如測(cè)量?jī)?nèi)圓直徑時(shí)，觸發(fā)測(cè)頭的直徑必定要小于被測(cè)內(nèi)圓直徑。④接觸式觸發(fā)測(cè)頭以逐點(diǎn)進(jìn)出方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量速

度慢。

⑤接觸測(cè)頭測(cè)量時(shí)，測(cè)頭尖端部分與被測(cè)件之間會(huì)發(fā)生局部變形，這將影響測(cè)量值的實(shí)際讀數(shù)。

⑥不當(dāng)?shù)牟僮魅菀捉档蜆蛹承┲匾课坏谋砻婢?，也?huì)使測(cè)頭磨耗、損壞；為了維持一定的精度，需要經(jīng)常校正測(cè)頭的直徑。通常的測(cè)頭半徑在0.25mm～1.5mm之間，如果忽略測(cè)頭半徑，即測(cè)量得到的數(shù)據(jù)不進(jìn)行半徑補(bǔ)償處理，就會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)測(cè)量誤差。如圖9-3（a）所示，測(cè)量點(diǎn)連線為平面曲線；當(dāng)測(cè)頭的壓力矢(表面法矢)和測(cè)量截面不在一個(gè)平面時(shí)，測(cè)量點(diǎn)連線為空間曲線。如要求得物體真實(shí)外形，則需要對(duì)測(cè)頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償。圖9-3（b）所示是測(cè)頭半徑補(bǔ)償原理圖。當(dāng)測(cè)量某一曲面時(shí)，測(cè)頭尖端與被測(cè)件之間的接觸點(diǎn)為A，A點(diǎn)至球心C點(diǎn)有一偏差量。所以，必須沿法線負(fù)方向補(bǔ)正一個(gè)測(cè)頭半徑值。這將使整個(gè)曲面補(bǔ)正計(jì)算繁雜、冗長(zhǎng)，可能導(dǎo)致修正誤差。圖9-3測(cè)頭半徑補(bǔ)償（2）非接觸式測(cè)量。

非接觸式光學(xué)測(cè)量有如下優(yōu)點(diǎn)：

①?zèng)]有測(cè)量力，可以用來(lái)測(cè)量各種柔軟的和易變形的物體，也無(wú)摩擦。

②可以快速對(duì)物體進(jìn)行掃描測(cè)量，測(cè)量速度和采樣頻率較高。

③不必進(jìn)行測(cè)頭半徑的補(bǔ)償。④不少光學(xué)測(cè)頭具有大的量程，如10mm乃至數(shù)十毫米，這是一般接觸測(cè)頭難以達(dá)到的。

⑤同時(shí)探測(cè)的信息豐富。例如，CCD攝像機(jī)可以同時(shí)探測(cè)到視場(chǎng)內(nèi)大量的二維信息(接觸式只能一點(diǎn)一點(diǎn)探測(cè))，還能測(cè)得物體的光學(xué)特性。但非接觸式測(cè)量也還存在以下缺點(diǎn)：

①測(cè)量精度較差，非接觸式測(cè)頭大多使用光敏位置探測(cè)器（PositionSensitiveDetector，PSD）來(lái)檢測(cè)光點(diǎn)位置，目前PSD的精度仍不夠高，誤差一般在20μm以上。

②使用CCD作探測(cè)器時(shí)，成像鏡頭的焦距會(huì)影響測(cè)量精度,當(dāng)工件幾何外形變化大時(shí)，成像可能失焦，導(dǎo)致成像模糊。③非接觸式測(cè)頭是通過(guò)接收工件表面的反射光或散射光來(lái)測(cè)量物體的，測(cè)量結(jié)果易受環(huán)境光線及工件表面的反射特性的影響，噪聲較高，噪聲信號(hào)的處理比較麻煩，工件表面的粗糙度、顏色、斜率等均影響測(cè)量結(jié)果。為避免CCD攝像頭在取像時(shí)受外界雜散光的干擾，可在CCD鏡頭前加帶通濾光鏡，限制攝取的光線波長(zhǎng)。表9-1對(duì)比了非接觸式激光掃描測(cè)量和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)。

2）測(cè)量設(shè)備

（1）坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine，CMM）是一種精密的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可分為主機(jī)、測(cè)頭、電氣系統(tǒng)三大部分，如圖9-4所示。主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖9-5所示。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過(guò)在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)測(cè)量頭，來(lái)測(cè)量具有復(fù)雜形狀工件的空間尺寸。三個(gè)方向的位移由測(cè)量系統(tǒng)（如光柵尺）經(jīng)計(jì)算機(jī)（或數(shù)

據(jù)處理器）計(jì)算后，得出工件的各點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）。在逐點(diǎn)式掃描測(cè)量時(shí)，通常是將測(cè)頭在橫向等速或等間距逐點(diǎn)移動(dòng)，再在等時(shí)間或等間隔位置量取工件在Z軸的坐標(biāo)。當(dāng)工件輪廓有明顯的起伏變化時(shí)，需要增加測(cè)量點(diǎn)來(lái)提高分辨率。最簡(jiǎn)單的方式是取ΔX+ΔZ為常數(shù)，ΔX和ΔZ分別是X軸和Z軸的分辨率。當(dāng)ΔZ變大時(shí)，ΔX相應(yīng)變小，測(cè)量點(diǎn)將更加密集。也就是說(shuō)，當(dāng)工件斜率變大時(shí)，測(cè)量速度減慢。此方法稱(chēng)為速度追蹤。圖9-4三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成圖9-5三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)

CMM是典型的接觸式測(cè)量系統(tǒng)，一般采用觸發(fā)式接觸

測(cè)頭，一次采樣只能獲取一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。英國(guó)RENISHAW公司研制了一種三維力-位移傳感掃描測(cè)頭，該測(cè)頭可以在工件上滑動(dòng)測(cè)量，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息，掃描速度可達(dá)8m/s，數(shù)字化速度最高可達(dá)500點(diǎn)/秒，精度約為0.03mm。這種測(cè)頭價(jià)格昂貴，未在CMM上廣泛應(yīng)用。（2）多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。

機(jī)械臂（Robot）也屬于接觸式測(cè)量?jī)x。機(jī)械臂為一關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)，具有多自由度，可用作彈性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其傳感器裝置在爪部，各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度可由旋轉(zhuǎn)編碼器獲取，由機(jī)構(gòu)學(xué)原理可求得傳感器在空間的坐標(biāo)位置。這種測(cè)量機(jī)幾乎不受方向限制，可在工作空間做任意方向的測(cè)量。（3）激光掃描測(cè)量?jī)x。

激光掃描測(cè)量?jī)x用于非接觸式測(cè)量。四自由度激光掃描測(cè)量?jī)x工作臺(tái)具有線性位移及旋轉(zhuǎn)的功能，可帶動(dòng)CCD測(cè)頭做逐線掃描，并配合工件的旋轉(zhuǎn)完成多角度掃描的功能。掃描過(guò)程中只要決定點(diǎn)的密度、掃描范圍即可。若遇到不感光或是全反射的表面，則必須噴漆或做另外的處理。（4）激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)屬球坐標(biāo)式測(cè)量?jī)x器，徑向使用激光干涉儀，可做位移測(cè)量，角度測(cè)量是由兩個(gè)伺服電機(jī)及旋轉(zhuǎn)編碼器完成的，工作原理如圖9-6所示。測(cè)量時(shí)，將反射鏡沿著工件表面移動(dòng)，根據(jù)四象限位置探測(cè)器輸出的光電位移信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，從而保持光線跟蹤反射鏡。反射鏡的逐點(diǎn)移動(dòng)位置（γ，θ，ψ）由球坐標(biāo)的探針可得知。圖9-6激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)原理圖

3）接觸式測(cè)頭及其工作原理

接觸式測(cè)頭分為硬式測(cè)頭（HardProbe或MechanicalProbe）、觸發(fā)式測(cè)頭（TouchTriggerProbe）及模擬式測(cè)頭（AnalogProbe）等三種。其工作原理如圖9-7所示。圖9-7接觸式測(cè)頭工作原理圖9-8三點(diǎn)接觸觸發(fā)式測(cè)頭（1）硬式測(cè)頭。硬式測(cè)頭即機(jī)械測(cè)頭，是最早使用的測(cè)頭，主要用于人工直接操作的手動(dòng)測(cè)量，部分也可用于自動(dòng)測(cè)量。硬測(cè)頭多用于精度要求不太高的小型測(cè)量機(jī)中，成本較低，操作簡(jiǎn)單。（2）觸發(fā)式測(cè)頭。觸發(fā)式測(cè)頭采用電子開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)，當(dāng)測(cè)頭碰觸到工件表面時(shí)，開(kāi)關(guān)變化，將電子信號(hào)由On轉(zhuǎn)成Off，即將此時(shí)坐標(biāo)鎖住。圖9-8為RENISHAW公司的專(zhuān)利產(chǎn)品——三點(diǎn)接觸觸發(fā)式測(cè)頭，任意方向碰觸到工件表面都會(huì)造成至少一點(diǎn)的機(jī)構(gòu)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生變化，使得原先串聯(lián)的電子通路轉(zhuǎn)換成斷路。（3）模擬式測(cè)頭。模擬式測(cè)頭接觸工件時(shí)會(huì)有側(cè)向位移，光柵尺被感應(yīng)，產(chǎn)生電壓變化，此模擬電壓信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入處理器并記錄下來(lái)，這種測(cè)量方式稱(chēng)為模擬式測(cè)量。圖9-9所示為德國(guó)Zeiss公司生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測(cè)頭結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)接器上布置有五個(gè)探針，可以進(jìn)行探針互換，其中，X向有兩個(gè)、Y向有兩個(gè)、Z向有一個(gè)，可方便地對(duì)工件進(jìn)行接觸測(cè)量。圖9-9Zeiss三維電感測(cè)頭

4）非接觸式測(cè)頭及其工作原理

光學(xué)測(cè)頭一般基于三角法測(cè)量原理，以激光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可分為點(diǎn)測(cè)量、線測(cè)量及面測(cè)量三種，如圖9-10所示。激光照射到被測(cè)物體表面，光電敏感元件在另一位置接收激光的反射光，根據(jù)光點(diǎn)或光條在物體上成像的偏移，由被測(cè)物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系計(jì)算出物體的深度信息。圖9-10非接觸式三角法測(cè)量模式（1）三角法位移測(cè)量原理。

單點(diǎn)式激光三角法測(cè)量有直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)。直射式三角法測(cè)量原理如圖9-11（a）所示。圖中，激光器1發(fā)出的光線，經(jīng)匯聚透鏡2聚焦后垂直照射在被測(cè)物體表面3上，物體移動(dòng)或表面變化時(shí)，入射光點(diǎn)沿入射光軸移動(dòng)。接收透鏡4接收來(lái)自入射光點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電探測(cè)器5（如PSD、CCD）上。照明光軸與成像光軸間有一夾角，稱(chēng)為三角成像角，若光點(diǎn)在成像面上的位移為x′，則被測(cè)表面的位移x為（9-1）式中：a——激光束光軸和接收透鏡光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前主面的距離；

b——接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離；

θ——激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角。圖9-11三角法測(cè)量原理圖圖9-11(b)所示為斜射式三角法測(cè)量原理圖。激光器發(fā)出的光和被測(cè)表面的法線成一定角度照射在被測(cè)表面上，同樣用接收透鏡接收光點(diǎn)在被測(cè)表面的散射光或反射光。若光點(diǎn)成像在探測(cè)器敏感面上移動(dòng)x′，則物體表面沿法線方向的移動(dòng)距離x為（9-2）式中：θ1——激光束光軸和被測(cè)表面法線的夾角；

θ2——成像透鏡光軸和被測(cè)表面法線的夾角。直射式結(jié)構(gòu)和斜射式結(jié)構(gòu)相比各有特點(diǎn)：

①斜射式結(jié)構(gòu)可接收來(lái)自被測(cè)物體的正反射光，當(dāng)被測(cè)物表面為鏡面時(shí)，不會(huì)由于散射光過(guò)弱而導(dǎo)致光電探測(cè)器輸出信號(hào)太小，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。直射式由于其接收散射光的特點(diǎn)，適合于測(cè)量散射性能好的表面。

②當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生圖9-11所示位移x時(shí)，斜射式入射光點(diǎn)照射在物體不同的點(diǎn)上，因而無(wú)法知道被測(cè)物體某點(diǎn)的位移情況，而直射式卻可以。③斜射式傳感器分辨率高于直射式，但它的測(cè)量范圍小、體積大。

根據(jù)三角法測(cè)量原理制成的儀器被稱(chēng)為激光三角位移傳感器。其光源一般采用半導(dǎo)體激光器（LaserDiode，LD），功率在5mW左右，光敏位置探測(cè)器可采用PSD或CCD。PSD屬于非分割型位置探測(cè)器，分辨率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，后續(xù)處理電路簡(jiǎn)單，但線性差，需要精確標(biāo)定。（2）視覺(jué)測(cè)量基本原理。

隨著CCD等光電器件的快速發(fā)展，以三角法測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)的快速輪廓視覺(jué)測(cè)量技術(shù)得到應(yīng)用。視覺(jué)測(cè)量一般也使用三種激光光源：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面條紋結(jié)構(gòu)光。圖9-12所示為使用線結(jié)構(gòu)光測(cè)量物體表面輪廓結(jié)構(gòu)示意圖。用激光穿過(guò)平行等距直線的振幅光柵組件，或使用干涉儀形成直線干涉條紋，即形成面條紋結(jié)構(gòu)光，將此面條紋結(jié)構(gòu)光投射到工件表面，由于表面曲率或深度的變化使條紋變形，利用CCD攝像機(jī)攝取此變形條紋的圖像，即可分析物體表面輪廓的變化。圖9-12線結(jié)構(gòu)光測(cè)量物體表面輪廓結(jié)構(gòu)示意圖（3）立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。

立體視覺(jué)測(cè)量是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝象機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來(lái)獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值的。立體視覺(jué)測(cè)量方法可以對(duì)處于兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而無(wú)需伺服機(jī)構(gòu)等掃描裝置。

3.測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

1）數(shù)據(jù)平滑

數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測(cè)量噪聲，以得到精確的模型和好的特征提取效果。數(shù)據(jù)平滑通常采用標(biāo)推Gaussian(高斯)、平均(Averaging)或中值(Median)濾波算法，濾波效果如圖9-13所示。圖9-13三種常用的濾波方法

2）多視數(shù)據(jù)對(duì)齊定位

在逆向工程實(shí)際過(guò)程中，對(duì)實(shí)物樣件進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，往往不能在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次測(cè)出。其原因有兩個(gè)：一是產(chǎn)品尺寸超出測(cè)量機(jī)的行程；二是在部分區(qū)域測(cè)頭受被測(cè)實(shí)物幾何形狀的干涉阻礙，不能觸及產(chǎn)品的反面。

3）數(shù)據(jù)補(bǔ)全

由于實(shí)物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及測(cè)量機(jī)的限制，在實(shí)物數(shù)字化時(shí)會(huì)存在一些測(cè)頭無(wú)法測(cè)到的區(qū)域，另外，在實(shí)物造型中存在經(jīng)剪裁或“布爾減”運(yùn)算等生成的外形特征（如表面凹邊、孔及槽等），使曲面出現(xiàn)缺口，這樣在造型時(shí)就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)“空白”現(xiàn)象，使逆向建模變得困難。

4）數(shù)據(jù)分割

數(shù)據(jù)分割方法分為基于測(cè)量的分割和自動(dòng)分割兩種。

基于測(cè)量的分割是在測(cè)量過(guò)程中，操作人員根據(jù)實(shí)物的外形特征將外形曲面劃分成不同的子曲面，并對(duì)曲面的輪廓、孔、槽邊界及表面脊線等特征進(jìn)行標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃。

4.模型重建技術(shù)

1）曲線擬合造型

曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)，在逆向工程中，一種常用的模型重建方法是：先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)插值(Interpolation)或逼近(Approximation)擬合成樣條曲線(或參數(shù)曲線)，然后利用造型工具（如Sweep、Blend、Lofting等）完成曲面片造型，再通過(guò)延伸、剪裁和過(guò)渡等曲面編輯，得到完整的曲面模型。圖9-14給出了基于曲線的模型重建過(guò)程。圖9-14基于曲線的模型重建過(guò)程

(1)曲線擬合（插值與逼近）。

給定一組有序的數(shù)據(jù)點(diǎn)Pi(i=0，1，…，n)，這些點(diǎn)既可以是從實(shí)物測(cè)量得到的，也可是設(shè)計(jì)人員給出的，要求構(gòu)造一條曲線，順序通過(guò)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，稱(chēng)為對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)

進(jìn)行插值。所構(gòu)造的曲線稱(chēng)為插值曲線，所采用的數(shù)學(xué)方法稱(chēng)為曲線插值法。以插值方式來(lái)建立曲線，其優(yōu)點(diǎn)是所得到的曲線能夠通過(guò)所有測(cè)量的點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此曲線與點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤差為零；缺點(diǎn)是當(dāng)點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)多時(shí)，曲線控制點(diǎn)也過(guò)多。插值法的過(guò)程如圖9-15所示。圖9-15曲線插值過(guò)程采用逼近法，首先指定一個(gè)允許的誤差值，并設(shè)定控制點(diǎn)的數(shù)目(曲線的)，基于所有測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，用最小二乘法求出一條曲線后，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到曲線的距離。若最大的距離大于設(shè)定的誤差值，則需增加控制點(diǎn)的數(shù)目，重新以最小二乘法擬合曲線，直到誤差滿(mǎn)足要求為止，如圖9-16所示。類(lèi)似地，可將曲線逼近推廣到曲面。圖9-16曲線逼近過(guò)程

(2)曲線修編。當(dāng)通過(guò)插值或逼近得到擬合曲線后，在進(jìn)行曲面造型之前，應(yīng)通過(guò)各種編輯功能對(duì)曲線進(jìn)行修形操作。這樣做一方面是修補(bǔ)由于測(cè)量數(shù)據(jù)的不完整帶來(lái)的擬合曲線

缺陷；另一方面，從曲面造型的角度出發(fā)，也要求曲線具有完整、連續(xù)、光滑的特點(diǎn)，以保證生成曲面的光順性。曲線的編輯操作主要是依據(jù)CAD軟件提供的各種編輯功能進(jìn)行的。

(3)基于曲線的曲面重建。在曲線造型完成后，可以通過(guò)不同曲面造型方法進(jìn)行曲面模型的重建工作。主要的曲面造型方法有邊界曲面、N邊曲面、平行曲面、掃掠、混合、旋轉(zhuǎn)、拉伸和直紋面等。

2）曲面擬合造型

上面介紹的先根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成曲線，再由曲線進(jìn)行曲面造型的方法通常適合于數(shù)據(jù)量不大且數(shù)據(jù)呈有序排列的情況。如果數(shù)據(jù)量較大（如點(diǎn)云數(shù)據(jù)）且數(shù)據(jù)呈無(wú)序排列，則可以采用曲面模型重建的另一種方法，即直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬合，獲得曲面片后，經(jīng)過(guò)過(guò)渡、混合、連接，形成最終的曲面模型。其過(guò)程如圖9-17所示。曲面直接擬合造型既能處理有序點(diǎn)，也能處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3）曲面編輯

逆向工程軟件中的曲面編輯工具與一般CAD軟件相似，主要有曲面延伸、曲面修剪、曲面參數(shù)重新定義等，較高級(jí)的軟件則會(huì)提供用拖曳曲面控制點(diǎn)的方法編輯曲面的工具，或者提供曲面平滑化、曲面貼合點(diǎn)數(shù)據(jù)等。在曲面編輯之前，如能利用軟件的分析功能來(lái)充分掌握各構(gòu)建曲線的精度與控制點(diǎn)，則構(gòu)建出高質(zhì)量曲面的可能性較大。

4）點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

目前多數(shù)的商品化CAD/CAM系統(tǒng)都是以實(shí)體模型為基礎(chǔ)的，因?yàn)橛邢拊治觥⒖焖僭椭圃斓葢?yīng)用都需要實(shí)體模型的支持。但在曲面轉(zhuǎn)換為實(shí)體時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,例如，由于不同的軟件系統(tǒng)精度不同，在模型轉(zhuǎn)換時(shí)需要對(duì)面片進(jìn)行修補(bǔ),因此經(jīng)常存在不能轉(zhuǎn)換的區(qū)域和轉(zhuǎn)換失敗的現(xiàn)象。與曲面模型相比，網(wǎng)格化實(shí)體模型表示物體形狀能實(shí)現(xiàn)計(jì)算的自動(dòng)化和少的冗余，而且隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，原來(lái)網(wǎng)格化所需要的大量運(yùn)算時(shí)間已縮短。因此，在某些應(yīng)用上用網(wǎng)格化實(shí)體模型代替曲面模型能簡(jiǎn)化造型過(guò)程，獲得較高的效率。

5）模型精度的評(píng)價(jià)

（1）模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。精度反映逆向工程重建模型和實(shí)物以及模型和產(chǎn)品之間差距的大小。評(píng)價(jià)指標(biāo)分為整體指標(biāo)和局部指標(biāo)，還可分為量化指標(biāo)和非量化指標(biāo)。整體指標(biāo)指的是實(shí)物或模型的總體性質(zhì)，如整體幾何尺寸、體積、面積(表面積)以及幾何特征間的幾何約束關(guān)系，如孔、槽之間的尺寸和定位關(guān)系。局部指標(biāo)指的是曲面片與實(shí)物對(duì)應(yīng)曲面的偏離程度。

量化指標(biāo)指精度的數(shù)值大??；非量化指標(biāo)主要用于曲面模型的評(píng)價(jià)，如面的光順性等。（2）模型精度評(píng)價(jià)方法。

位置連續(xù)（0階連續(xù)）：表示曲線間或曲面間僅有邊界上相接的關(guān)系。這種相接的關(guān)系可能形成一個(gè)尖銳的邊界。

切線連續(xù)（1階連續(xù)）：說(shuō)明曲線間或曲面間的連續(xù)處

有相同的切線角度。切線連續(xù)可以滿(mǎn)足工業(yè)上大多數(shù)應(yīng)用的需求。曲率連續(xù)（2階連續(xù)）：要求曲線間或曲面間的連續(xù)處有相同的曲率。曲率連續(xù)曲面不太容易構(gòu)建，一般用于具有流線外形的汽車(chē)等特殊產(chǎn)品。

5.逆向工程軟件

1）Imageware軟件

Imageware由美國(guó)EDS公司出品，后被德國(guó)SiemensPLMSoftware收購(gòu)，現(xiàn)在并入其旗下的NX產(chǎn)品線，是最著名的逆向工程軟件。Imageware因其強(qiáng)大的點(diǎn)云處理能力、曲面編輯能力和A級(jí)曲面的構(gòu)建能力而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。

2）GeomagicStudio軟件

GeomagicStudio是美國(guó)RaindropGeomagic(雨滴)軟件公司推出的逆向工程軟件。該軟件具有強(qiáng)大的點(diǎn)云處理及曲面構(gòu)建功能，從點(diǎn)云處理到三維曲面重建的時(shí)間通常只有同類(lèi)產(chǎn)品的1/3。利用GeomagicStudio可輕易地由掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。

3）RapidForm軟件

RapidForm是由韓國(guó)INUSTechnology公司推出的專(zhuān)業(yè)

逆向系列軟件。主要包括RapidFormXOR(Redesign)、RapidFormXOS(Scan)和RapidFormXOV(Verifier)。RapidForm軟件具有高度的集成環(huán)境，從點(diǎn)云處理、多邊形模型構(gòu)建到NURBS曲面，各種處理模塊都在RapidForm得到有效的集成。

9.3逆向工程應(yīng)用實(shí)例

1.獲取表面點(diǎn)數(shù)據(jù)

由于摩托車(chē)前罩的表面具有明顯的棱線，為了便于后續(xù)的曲面重構(gòu)工作，需要重點(diǎn)測(cè)出零件表面的