实物样件非接触测量技术综述

《装备制造技术》２０１０年第２期

逆向工程也称反求工程，从广义上讲可以定义为：“针对

消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的结合，它是

以先进产品设备的实物，软件（包括图纸、程序、技术文件等或

影像、图像、照片）等作为研究对象，应用现代设计方法学原

理，生产工程学，材料学和有关专业知识经行系统深入地分析

和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的

产品”。目前关于逆向工程的研究和应用，主要集中在实物几

何形状的逆向重构上。在这样的背景下，逆向工程即是根据已

有的实物样件的测量数据，重新建立实物样件的数字化模型，

然后再进行分析，加工等。利用逆向工程技术可以为现代工业

带来三大变化，这也是逆向工程本身具有的特点：

（１）大大缩短产品的研制周期；

（２）精确加工制造出复杂的零件；

（３）有效的将各种现代化工具和理论应用到具体问题，

解决以前难以解决的问题［１］。

１非接触性测量的类型

数据采集是逆向工程的第一个环节，是数据处理、模型重

建的基础。高效率高精度地采集样件的外形数据，是逆向工程

的一个重要内容。而选用不同的测量方法，可以导致所采集到

的同一样件模型的数据在速度、精度及完整性等方面，具有很

大差别。因此，测量方法的选用，是逆向工程数据采集的一个

重要问题。

逆向工程中数据采集，按其特性及应用，一般可分为两大

类：接触式测量与非接触式测量。

传统的三坐标测量计（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，

ＣＭＭ）是接触式测量的典型三维数据采集仪器。在逆向工程应

用的初期，ＣＭＭ是实物三维数据采集的重要手段。这种测量

技术到目前为止，已经发展了数十年，其机械结构与电子系统

已相当成熟，可以达到很高的测量精度（±０．５μｍ）。接触式测

量为直接接触工件表面，故与工件表面的反射特性，颜色及曲

率关系不大。实物样件固定在三坐标测量机上，并配合测量软

件，可精确的测量出物体的几何外形。采用接触式测量的缺点是测量效率低，不适宜测量具有复杂内部型腔，特征几何尺寸

少及特征曲面较多实物样件，不适合对易碎、软性材料的表面

进行测量。探头具有一定的直径，摩擦力和弹性变形易引起被

测样件形变而产生测量误差，测量的数据需经行测头半径补

偿，而且球形的探头容易因接触力造成磨损，为维持一定的精

度，需经常校正探头的直径。

随着科学技术的不断发展，测量技术也随着新的物理原

理和新的技术成就的不断引入，而获得长足发展，有很多测量

方法可以用于逆向工程，以获取样本模型的形状数据，图１为

本文即将进行系统阐述的非接触测量方法的分类。

采用非接触式方法采集实物样件的表面数据时，探头不

与实物表面接触，利用某种与实物表面发生相互作用的物理

现象，来获取被测物体的三维信息，并且非接触测量由于其良

好的精确性和实时性，已成为测量领域的热点。

２非光学法

２．１声学测量

声学方法用于测距，已有数十年的历史。其中应用最多的

是超声波测距，其原理是超声波在空气中的传播速度为已知，

当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质交界

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，即可计算出各面到零点的距离。声纳测量仪和声波定位仪实物样件非接触测量技术综述

任如飞，陆兵，张世亮，王贵

（广东海洋大学工程学院，广东湛江５２４０２５）

摘要：详细阐述了目前在逆向工程数据采集中常用的非接触测量方法的原理、优缺点、精度及适用范围等，总结并提出了未来非接触测量技术的发展趋势。关键词：逆向工程；数据采集；非接触测量；发展趋势

中图分类号：ＴＢ４７２文献标志码：Ａ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１０）０２－０１２５－０４

收稿日期：２００９－１１－１７作者简介：任如飞（１９８３—），男，四川绵阳人，在读硕士研究生，主要从事数字化设计与制造技术方面的研究

。非接触测量

其他测量光学测量声学测量磁学测量

结构光法激光三角法激光测距法干涉测量法图像分析法

图１非接触式测量方法分类125EquipmentManufactringTechnologyNo.2，2010

是两个典型的例子，目前超声波测距的量程能到达百ｍ，但测

量的精度往往只能达到ｍｍ数量级［２］。

用超声波测距设备作为非接触测量装置，具有测量距离

较远、设备体积小、成本低、不受光线以及被物颜色干扰等优

点。但是，常用声波测距装置，是以空气作为传输介质的，外界

环境温度和湿度的变化，都会对声波传输速度带来干扰，引起

测量结果的误差；且声波测量速度较慢，精度也比较低。由于

超声波在高频下具有很好的方向性，在三维扫描测量中的应

用前景正在受到重视［３］。

２．２磁学测量

磁学测量方法，是通过测试样件所在的空间磁场强度分

布的变化，来完成对实物样件的测量。核磁共振测量（Ｍａｇ－

ｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｉｎｇ，ＭＲＩ）是磁学测量的典型应用，其原

理是利用线性梯度磁场，使空间各个位置所对应的共振射频

辐射信号显示出来，就得到了质子密度像。核磁共振成像在

２０世纪７０年代后期迅速兴起，在医学领域广泛采用，利用逆

向工程，提取人体内部器官三维轮廓，为医生制定医疗方案提

供有力证据［４］。该方法的显著优点，是不受测量样件复杂程度

的限制，能获取样件内部及内表面的截面数据，所获得的测量

数据完整，测量结果包括了样件的拓扑结构。该方法的不足之

处，是测量精度低（最小厚度达１ｍｍ），造价高，测量速度较慢。

样件的尺寸受仪器磁体大小的限制，对样件的材质也有一定

得限制，例如不能测量铁磁物质。

２．３其他测量方法

非光学非接触测量方法，除了上述介绍的测量方法外，还

有两种目前广泛用于逆向工程中的新的测量手段，一是基于

医学领域的Ｘ射线计算机断层成像（Ｘ－ｒａｙ，ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇ－

ｒａｐｈｙ，Ｘ–ＣＴ）技术的工业ＣＴ，另一个是层切图像法。

（１）工业ＣＴ。工业ＣＴ是计算机断层成像技术的简称。其

主要原理是射线源在一端沿一定的旋转方向照射被测样件，

同时，检测器在另一端接收到与样件衰减系数直接相关的投

影数据，以被测样件对射线的衰减系数为基础，用数学方法经

过计算机处理，而重建样件三维图像。工业ＣＴ测量法的优点，

是能同时无损地测量实物样件内外表面，不需要精密的固定

设备和其他前期处理措施，即可获得密集良好的ＳＴＬ模型，不

受测量样件复杂程度的限制，缺点是空间分辨率低（最小层厚

度达１ｍｍ），造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓，获

得数据需要较长时间，重建图像计算量大，目前该技术正在改

进，以求达到更高的分辨率，以及检测更大尺寸的实物样件［５］。

（２）层切图像法。逐层切削照相测量［６］是一种新兴的断层

测量技术，其以极小的厚度去逐层切削实物（最小可达），并对

每断面进行照相，夺取截面图像数据，然后采用图像分析的方

法提取轮廓数据。可以测量具有内腔及其他可测量性较差的

样件，适应于一切可以被切削的材料，与工业ＣＴ相比，成本低

６０％～７０％，测量精度高，可达到０．０２ｍｍ，该方法的缺点，是

破坏被测样件，不适用于单件或贵重物件，且测量速度较慢。

３光学法测量

当复杂的自由形态的物件表面，需要在短时间内完成测量，并提供相关轮廓数据，当精度要求不太高的情况下，大范

围的激光扫描设备同全场光学显示设备，成为了三坐标测量

仪之外另一种选择。这样的设备，测量速度更快，使在短时间

内直接获取实物样件三维轮廓成为可能，并且费用比传统的

三坐标测量设备更低［７￣９］。

非光学测量由于其成本较高，应用上有局限性，目前在逆

向工程的数据采集中很少使用，随着计算机技术、光学和光电

子技术的迅猛发展，光学三维轮廓测量技术有了极大的改变。

光学三维轮廓测量技术具有非接触、高精度、高效率的特点，

在机械视觉、自动加工、实物模型、工业检测、生物医学等领

域，有着重要的应用价值和广阔的应用前景。结构光照法，激

光三角法，激光测距法，干涉测量法及图像分析法，是常用的

五种光学方法。

３．１结构光法

机构光法［１０］是由激光投影器把条形光，栅格状的光，投影

到被测样件的表面，被测工件表面高度受到调制，光线在工件

表面发生变形，通过解调变形的光线，就可以得到被测工件表

面高度信息，这样就可以通过解码来确定工件的空间三维坐

标，这种方法最典型的应用，是投影光栅法（原理如图２）。入

射光线P照射到参考平面上的A点，放上被测样件后，P就照

射到样件的D点，此时从图示方向看，A点就移到了新的位置

点C点，距离AC就携带了高度信息z＝h（x，y），即高度受到

了样件表面形状的调制，利用傅立叶分析法或相移法，就可以

解调变形的光栅影线，从而得到样件的形状数据。

光栅投影法，目前采用较多的是线性结构光像位移动投影，如德国的ＧＯＭ公司的Ａｔｏｓ光学扫描测量系统，其采用矩形光栅投影，测量数据的加密是通过一组空间频率为整数倍的矩形光栅的分时投影测量实现的，其测量速度４３０００点／ｍｉｎ，精度为０．０３ｍｍ。光栅投影法的主要优点，是测量范围大，速度快，成本低，易于实现及精度高等，不过对于表面变化剧烈，在陡峭处往往会发生相位突变，使测量精度大大降低，适宜表面起伏不大的，较平坦的物体的测量［１１］。３．２激光三角法［１２］激光三角法，其原理是采用激光作为光源，发出的一束激光照射在待测样件平面上，通过反射最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式，按照三角形原理，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到（如图３）。如果目标平面相对于参考平面的高度为s，则两者在探测

器上的位移是：e＝b·s·ｓｉｎis·ｓｉｎi（i＋k）·a·ｓｉｎk式中a，b分别为前后

焦距

。xh

ADP

被测面

参考面

Cz

图２投影光栅法原理图126