逆向工程测量技术探究

逆向工程测量技术探究
一、逆向工程
所谓逆向工程，是指对实体产品开展的一种逆向分析研究，将产品从设计到生产的过程重现，主要是为了对产品的结构组织、设计原理、特点性能以及技术等关键因素有更明细的了解，从而仿制出相似产品。

传统的仿制产品没有如此复杂，往往只是对事物模型的复制，即借助相关设备机器按照1：1的比例仿制出原物模具，外形无法修改，继而批量生产。

逆向工程是通过对高科技测量仪采集实物的三维坐标状况，对数据进行处理，构建曲面，而后再编辑修改，发送到CAD系统，作进一步的设计。

利用CAD软件整理出加工图纸，再借助传统的机床生产出产品零件。

从中可看出，和传统的防止工程相比，逆向工程更具体、更深入。

通过实物模型分析其设计原理，进而构造出CAD模型；对有关参数进行适当调整，来模仿原物。

二、逆向工程测量技术
任何工程都要先进行测量工程，获得足够的数据，才能开展下一步工作，逆向工程也一样。

只不过，一般的测量是为了制作出完善的产品，而逆向工程是为了分解产品。

在测量中，首先借助相关测量工具，采取所测对象的三维坐标值（x，y，z）。

其测量技术通常包括以下两种。

1.接触式测量
此方法主要是依靠物理接触所测物品来实现数据的采集工作。

从当前来看，三坐标测量机是应用较普遍的设备。

以前多用机械探针等触发式测量头，但其测量速度相当慢。

与其相比，三坐标测量机具有诸多优势，如要求少、精确度高、具有较高的可靠性。

其常用的扫描方式从小到大依次是点、线、面扫描，需根据具体情况而做出适当选择。

检测点样本的分布和大小的制定需遵循一定的原则，如精度一定要达到规范要求。

为缩短检测时间，尽量选择较小的样本。

三坐标测量机能够将样件的表面数据化，在测量的过程中，应注意探头的补偿。

测量必然会存在不同程度的误差，在数据采集后，应对其仔细处理，出除坏点、保持数据的平滑、补齐测量盲区的数据等，处理完毕后才能够重构曲面。

三坐标测量机有较高的可靠性，也存在着某些不足，其缺陷在于所测物体多为硬质物。

在侧软质
物时，精确度往往不能保证、价格比较昂贵、测量数据的密度较低，且测量中需要人工进行干预；此外，还需对测量结果进行探头损伤及半径补偿，这在某些方面也对逆向工程的发展形成了障碍。

2.非接触式测量
此方法與上述手段不同，不用和所测物发生直接接触也能获得数据，可分为主动式和被动式两种测量方式。

二者区别在于，前者有发出测量光源或声源的专门仪器，而后者没有，具体的测量方法有以下几种。

2.1激光线结构光扫描测量
该技术又称光切法，属于主动测量的一种。

采用的是三角测量原理，即在三维物体上投射一线状激光束，会形成有二维变形线图像，在此基础上求得所测物的三维坐标。

一般情况下，一个测量周期只能获得一条扫描线。

要对物体的全部轮廓进行测量，工作量大，往往需要借助相应的多轴可控机械设备。

其扫描速度相当快，且测量精确度也可控制在0.01～0.1mm。

2.2投影光栅测量
该方法也属于主动式测量的一种，其测量速度和测量精确度都较高，近些年发展较快。

其原理是利用CCD将普通白光投射到所测物上的正眩光栅形成的光栅图像进行采集，其中的条纹像素并不稳定，灰度值一直发生着变化，根据其变化值可以求得所测物的三维坐标。

此外须注意的是，光栅测量可分为两种：1）直接三角法，信号处理简单方便，测量速度快，受外界干扰小可靠性较高，缺点是精度不高，无法实现全场测量；2）相位测量法，可以用一个干涉图来调节相位信息，无需专门设置移动相位的机构，其对投影条纹和探测器有更高的要求，测量速度慢，测量精度较高。

2.3 CT技术
CT技术即计算机断层扫描技术。

CT扫描是最常见的，以测量物体对X射线的衰减系数为基础，通过数学计算，再借助计算机进行处理，实现断层图像的重建。

最初，CT技术多用于医疗事业，经不断发展，现在工程测量中得到大力推广。

该技术在保证工程结构完整的基础上能够对所测物的表面进行数据采集，还能对其内部的材料、壁厚等展开测量，是目前最为先进的非接触测量方法。

其缺陷在于，设备的体积较大、成本造价高、数据获取的时间较长、而且空间分辨率低。

2.4 图像分析法
结构光法需用到投影模板，而此方法则是通过匹配来确定物体在图像中的位置，然后凭借视差进行距离计算的。

匹配精度起着很重要的作用，但三维物体的曲面比较复杂，有一定的难度。

因此，该方法在描述物体形状时主要是对边界线或特征点进行描述。

三、实际施工中的测量技术
综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法，是目前众多逆向工程测量技术中的一种方法。

此方法由接触式工程测量技术获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标，再以这些坐标数据作为非接触式工程测量数据拼接的依据，从而获取得到整体测量数据。

这种综合方法既具有以往工程测量技术的高效性，有消除了数据拼接时的累积误差。

在实际测量中，测量方法的选用需根据被测物体的形状特征和应用目的决定。

作为三坐标测量机在逆向工程应用中发展成为实物外形数字化的主要设备，但存在测量速度慢，需要进行测头半径补偿。

由于测求总是有一定的半径r，测量点连线为平面曲线，所以应对测量数据进行测头补偿，并可以用一定的解析函数表示。

采用一种二维自动补偿方法，简化了补偿计算，测量软件将自动从接触点沿着测量逼近方向回退一个测头半径值，CMM测量程序都具有实时补偿功能；另外，三点共园法补偿假设在曲线、曲面上测得n个点，先测量被测表面，得到测头中心的数据，当3点连续的曲线段很小时，可用作图的方法，求得包络线来得到实际曲线。

对一些由规则形状组成的表面的测量，核心根据测量点集信息计算接触点法矢，确定被测轮廓各点的法矢，用建模的方法得到一个近似的解析表达式，采用微平面法补偿，计算简单，精度可靠。

要注意，测头半径补偿需沿三维曲面的法向进行；对自由曲线、曲面进行测量时，采用等间距测量时简单易行的测量方法，实现自由曲线离散数据最小逼近误差数学模型，曲率越大测点越密，反之测点越疏，针对建立的自由曲线拟合数学模型，反映待测曲线曲面的几何形状信息，参考等弦高法的非等间距测量方法，实现测点的自适应分布，完成对CAD模型未知的自由曲线测量，可大大提高测量精度。

四、系统软、硬件控制
控制系统主要是完成测量数据读入，探测瞄准信号的处理，以及与主计算机的通信等。

测头系统是坐标测量机的探测瞄准系统，坐标测量机在三个方向作正交直线运动，直线和圆弧是构成空间曲线的基本要素。

自由曲面的测量通畅是在截面上进行，点位测量是由人工操作或计算机控制，理想的探测方式是按测得的前二点坐标算出物体轮廓的法线方向；连续扫描探测是测头沿被测物体表面按照预先确定的速率运动，而扫描测量精度一般低于点位测量的精度，这种方式中摩擦力较小，并自动获取测量数据的一种测量模式。

测量未知曲面还可以采用自学习的方法，根据测量机的原理特点，合理布置测点，计算机测量系统即可自动生成测量路径程序，优化测量路径，调用已生成的程序事项自动测量，编制曲面的测量程序。

要实现方案合理，简便易行，性能可靠。

另外，對三坐标测量机的首要要求就是测量精度，要考虑产生测量误差的来源，即由于结构件有限精度造成的几何误差，软件也是三坐标测量机的又一误差源，测量精度与测量条件、工件及被测参数也有联系。

实际测量过程中，要想提高测量精度，必须全面了解上述各方面因素，提高软件数据处理能力，要全面考虑误差传递关系，以更好提高测量精度。

结束语：
现代逆向工程测量技术是将接触式测量技术和非接触式测量技术相融合，是实现被测工程整体测量和数据拼接的有效方法，其使用越来越广泛。

虽然关于摄影测量技术的研究几乎是自照相机发明以来就开始了，但是用于逆向测量工程的数字近景摄影测量技术仍然是一门新技术，它继承了摄像测量与遥感领域的许多知识和技术，同时又发展出许多自身特有的技术和方法，比如设置人工标志点。

研究逆向工程测量技术，对现代工程测量技术的发展有着重要的现实意义。

参考文献：
[1]武兴权逆向工程测量技术初步探讨[J] 科技视界2014（33）
[2]鲁红梅逆向工程测量技术综述[J] 科学咨询2014（13）。