本科逆向工程测量设备r

概述坐标测量－零件外形的数据采集通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是实施逆向工程的第一步。目前实物坐标测量的范围和手段以惊人的速度发展，基于光学、声学、磁学、卫星遥感、三维微观摄像等的测量设备，能够获得大如星球、天体，小如细胞分子结构的各种三维数据。测量设备的分类实物测量接触式非接触式破坏式机械手CMM自动断层扫描光学声学声波定位仪MRI磁共振结构光激光三角形电磁学激光测距法干涉测量法图像分析法影响数据采集质量的因素测量方法本身的精度仪器的校准测量范围的限制夹具阻挡、样件自身结构阻挡采集数据的局部缺少被测物体表面的光洁度零件数据的统计性分布接触式坐标测量机接触式测头种类及其工作原理

(a)硬式测头(b)触发式测头(c)模拟式测头接触式测头工作原理图硬式测头通过手动测头接触工件表面，由人眼及感觉做出判断，再利用脚踏开关触发。记录触发时接触点坐标值。由于接触力的大小和接触点的判断完全依赖于操作者的感觉，极易产生误差，多用于精度要求不太高的小型测量机，成本较低、操作简单。按形状可分为圆锥测头、圆柱形测头、球形测头、回转半圆和回转四分之一柱面测头、盘形测头、凹圆锥测头、点测头、V形块测头及直角测头等。MicroScribe采用硬式测头的小型测量仪MicroScribe，主要用于实验室教学时对较小实物模型的测量。精度0.3mm左右。触发式测头触发式测头利用电子开关机构，当测头碰到样件表面，由接触力控制电子机构的开关，由电信号的通断控制坐标值的读取。触发式测头的触发信号由电子开关控制，故其重复性、准确性较高，测量精度可达1μm甚至更高，是现代三坐标测量机最常用的测头。按照测头电子开关机构所用的传感器可以将触发式测头分为电触式测头、压电式开关测头、应变片式测头。模拟式测头模拟式（扫描式）测头在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。若不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。

三坐标测量机（CMM）三坐标测量机是典型的接触式测量设备，20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛地应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业部门。起初是作为一种检测仪器，对零件和部件的尺寸、形状及相互位置进行检测。此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，由于三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能，因此一开始就被选为逆向工程的主要数字化设备并一直使用至今。三坐标测量机（CMM）三坐标测量机基本原理将被测物体置于三坐标机的测量空间，它通过感知测量头与工件表面的接触，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据测点的空间坐标值，经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位置。在三坐标测量机上装置分度头、回转台（或数控转台）后，系统具备了极坐标（柱坐标）系测量功能，这种具有X、Y、Z、C四轴的坐标测量机称为四坐标测量机。按照回转轴的数目，也可有五坐标或六坐标测量机。三坐标标测量量机（（CMM））三坐标标测量量机需需要三三个方方向的的标准准器(标尺尺)，，利用用三个个相互互垂直直的导导轨实实现沿沿相应应方向向的运运动，，还需需要三三维测测头对对被测测物进进行探探测和和瞄准准。此此外，，测量量机还还具有有数据据自动动处理理和自自动检检测等等功能能，需需要由由相应应的电电气控控制系系统与与计算算机软软硬件件实现现。三三坐标标测量量机可可分为为主机机、测测头、、电气气系统统三大大部分分。三坐标标测量量机的的组成成三坐标标测量量机的的组成成主机框架结结构标尺系系统导轨驱动装装置平衡部部件转台与与附件件三坐标标测量量机的的组成成三维测测头三维测测头可可在三三个方方向上上感受受瞄准准信号号和微微小位位移，，以实实现瞄瞄准和和测微微两项项功能能。主主要有有硬测测头、、电气气测头头、光光学测测头等等。三坐标标测量量机的的组成成电气系系统电气控控制系系统计算机机硬件件部分分测量机机软件件打印与与绘图图装置置将三坐坐标测测量机机应用用在逆逆向工工程中中，测测量可可通过过人工工操作作逐点点测量量，也也可通通过编编制测测量程程序进进行测测量规规划实实现连连续或或间断断式数数据测测量，，采集集曲面面的外外形数数据。。在逐逐点式式扫描描测量量时，，通常常是将将测头头在横横向以以等速速或等等间距距逐点点移动动，再再以等等时间间或等等间距距位置置量取取样件件在Z轴的的坐标标。但但当工工件轮轮廓有有明显显起伏伏变化化时，，需要要增加加测量量点来来提高高分辨辨率，，最简简单的的方式式是取取（ΔΔX+ΔZ）为为常数数，ΔΔX、、ΔZ分别别是横横向和和纵向向坐标标的步步长。。当ΔΔZ变变大时时，ΔΔX变变小，，测量量点将将更加加密集集。即即当样样件斜斜率变变大时时，测测量速速度减减慢，，此动动作称称为速速度跟跟踪。。三坐标标测量量机的的主要要特点点不受物物体表表面颜颜色及及光照照的限限制；；对物物体边边界也也能产产生较较准确确的测测量结结果；；测量量精度度高（一般般能达达到u级））；由于于测头头的限限制，，可能能丢失失某些些测头头不可可到达达的细细节数数据；；不能能测量量软材材料物物体；；测量量速度度受到到机构构运动动的限限制；；测量量过程程需要要较多多人工工干预预，对对大型型自由由曲面面产品品的测测量效效率较较低。。机械手手式测测量机机机械手手式测测量机机也是是一种种接触触式测测量设设备，，与三三坐标标测量量机相相比没没有精精密的的工作作台、、立柱柱、导导轨等等装置置，机机械手手臂为为关节节式机机构，，具有有多自自由度度。可用作作弹性性坐标标测量量机，，传感感器可可装置置在其其爪部部，各各关节节的旋旋转角角度可可由旋旋转编编码器器获取取，由由机构构学原原理可可求得得传感感器在在空间间的坐坐标位位置。。使用用时操操作者者手持持测量量手臂臂，末末端探探针接接触被被测量量物体体表面面时按按下按按钮，，记录录坐标标和探探针手手柄方方向，，并通通过串串口线线传回回测量量软件件。这这种测测量机机几乎乎不受受方向向限制制。可可在工工作空空间做做任意意方向向的测测量，，一般般用于于大型型钣金金模具具件的的逆向向工程程测量量。特点：精度度相对CMM要低些些，但测量量范围大，，受被测物物体的体积积、形状等等的限制较较少，测量量机本身结结构小巧，，测量方式式相对灵活活，适合在线测量。其他方面面与CMM相似。光学测量设设备非接触式测测量主要运运用光学原原理进行数数据采集，，主要方法法有激光三角形形法、激光光测距法、、结构光法法、图形分分析法、干干涉测量法法等，光学测测量设备具具有测量速速度快、自自动化程度度高等优点点，由于没没有接触压压力和摩擦擦力，消除除了样件受受力变形导导致的测量量误差，非非常适合对对各种复杂杂模型快速速地进行大大规模数据据采集。光学测量基基理光学测量法法是通过将将一定的物物理模拟量量通过适当当的算法转转化为样件件表面的坐坐标点激光测距法法是将激光光束的飞行行时间转化化为被测点点与参考平平面间的距距离。图像分析法法是利用一点点在多个图图像中的相相对位置，，通过视差差计算距离离，从而得得到点的空空间坐标。激光三角形形法利用光源与与影像感应应装置（如如摄像机））间的位置置与角度来来推算点的的空间坐标标。光学测量基基理干涉测量法法的原理是是由一个光光源射出的的一束光(指定的入入射光)经经分光后后产生的两两束光分别别射向参考考平面和目目标平面，，反射后的的两束光相相互干涉，，呈现出相相应的干涉涉图样，通通过分析指指定的入射射光的波长长与干涉图图样间的关关系而测得得目标平面面与参考平平面间的距距离。结构光法将一定模式式的光，如如条形光、、栅格状光光，投射到到被测物体体表面，并并捕获光被被曲面反射射后的图象象，通过对对比不同模模式之间的的差别来获获取样件表表面的三维维点坐标。。最典型的的结构光是是投影光栅栅。其原理理是把光栅栅投射到被被测样件的的表面上,光栅影影线会因受受到样件表表面高度的的调制而发发生变形,通过解解调变形的的光栅影线线来确定样样件表面的的高度。结结构光法与与图象分析析法的主要要不同是该该方法需要要投射具有有一定模式式的人工光光源，这种种方法中最最典型的是是莫尔干涉涉条纹法。。激光三角测测距原理光电检测器zox测量范围激光束激光发生器聚光镜成像镜成像镜激光三角法法测量特点点工作距离大大，离样件件表面很远远处也可对对工件进行行测量。测量范围大大，大测量量范围导致致的非线性性误差，可可以通过标标定，利用用软件进行行修正。测头不与被被测物体接接触，能对对松软材料料的表面进进行数据采采集，并能能很好地测测量到表面面尖角、凹凹陷等复杂杂轮廓。数据采集速速度很快，，对大型表表面可在CMM或数数控机床上上迅速完成成数据采集集，无需测测头补偿。。价格较贵，，杂散反射射，对于垂垂直壁等表表面特征会会影响采集集精度。对被测材料料、表面粗粗糙度、反反射特性敏敏感，精度度一般比CMM略低低。激光三角法法分为点测测量、线测测量和面测测量单点式激光光测量法单点式激光光三角测量量常采用直直射式和斜斜射式两种种结构激光器发出出的光线，，经会聚透透镜2聚焦焦后垂直入入射被测物物体的表面面3上，物物体移动或或表面变化化，入射光光点沿入射射光轴移动动。接受透透镜接受来来自入射点点出的散射射光，并将将其成像在在光敏位置置探测器5敏感面上上，若光点点在成像面面上的位移移为，，按下式可可求出被测测面的位移移。直射式斜射式是激激光器发出出的光和被被测面的法法线成一定定角度入射射到被测面面上，同样用一透透镜接受光光点在被测测面的散射射光或反射射光，若光光点的像在在探测器敏敏感面上移移动，则物物体表面沿沿法线方向向的移动距距离为为：斜射式线光源测量法法采用线光源照照明的三角传传感系统使用用二维面阵作作为接收器件件，只需要附附加一维扫描描就可以形成成完整的三维维面形状数据据。以线光源源照明的三角角法也称光切切法。激光束经柱状状透镜扩束并并准直后成为为一束很薄的的片状光束投投影到样件表表面，载有样样件的平台沿沿给定坐标方方向以一定速速度平移，完完成投影光在在表面的扫描描，在另一方方向上用面阵阵CCD光敏敏面上的像为为一曲线，计计算该曲线上上象素点偏离离标准像（基基准平面）的的位置便可得得出被测表面面的深度变化化。线光源测量法法激光三角面形形测量法激光三角法面面形测量的基基本原理是利利用激光在被被测样件表面面投影一光条条，由于被测测表面起伏极极曲率变化，，投影的光条条随此轮廓位位置起伏而扭扭曲变形，由由CCD摄像像机摄取激光光束影像，这这样就可由激激光束的发射射角度和激光光束在CCD内成像位置置，通过三角角几何关系获获得被测点距距离或坐标等等数据。3DLaserScanner丹麦SCANTECH公公司开发的三三维激光扫描描仪（3DLaserScanner）是是激光三角形形法测量的一一个代表，其其测量数据可可达到23000点/秒秒的测量速度度。主要特点：高高速测量，短短时间内测量量大量的点；；由于是非接接触式测量，，因此可以测测量柔性物体体；适合对复复杂自由曲面面的测量；对对表面粗糙和和表面漫反射射率敏感；精精度一般比CMM略低。。Cyberware的三三维扫描仪80年代就被被迪斯尼等动动画和特技公公司采用，用用于“终结者者II”，““侏罗纪公园园”，“蝙蝠蝠侠II”，，“机械战警警”等影片。。还用于快速速雕塑系统。。90年代的的扫描仪可对对人体全身扫扫描，给出对对象的多边形形、NURBS曲面、点、Spline曲线方式描述述，可进行彩彩色扫描，输输出被测物体体的坐标信息息和颜色信息息。扫描速率率可达1.4万点/秒。。3030RGB型扫描描物体的尺寸寸在30cm，深度方向向测量精度100-400μm，用用于动画、人人类学研究、、服装设计等等方面。结构光测量法法结构光投影法法是将一定图图案的光投影影到物体表面面上，从而增增强物体表面面各点之间的的可区分性，，降低图像点点对匹配的难难度，提高匹匹配算法的精精度和可靠性性。常用的结结构光图案模模式，包括灰灰码条纹（GrayCode）、、摩尔条纹、、网格图案、、彩色点阵图图案等。结构光测量法法结构光投影双双目立体测量量具有以下主主要特点一次可获取大大量数据（可可达百万点以以上）；由于是非接触触式测量，因因此可以测量量柔性物体；；适合对复杂自自由曲面的高高效率测量；；分析相对复杂杂；测量结果受物物体表面光学学特性的影响响（如透明、、黑色等情况况下都会产生生问题）；精度比接触式式测量略低。。结构光法双目结构光测测量系统结构构图ATOS光学学测量机德国GOM公公司生产的ATOS流动动光学扫描仪仪是目前世界界上最先进的的非接触式三三坐标扫描仪仪之一，是一一种结构光测测量设备。该该扫描系统可可将特定光栅栅条纹于被测测物体上，通通过光栅间距距的变化，借借助两个高分分辨率CCD数码相机对对光栅干涉条条纹进行拍照照，经过数码码影像分析和和基于光学原原理计算，求求得实物表面面三维坐标数数据，可在极极短时间内获获得复杂工作作表面的完整整点云，实现现三维扫描高高速化。ATOSII在距被测测物体约700mm处处高速摄取实实物表面数据据，一次测量量的有效测量量区域为280×350mm，获得得的扫描点数数最大可达一一百三十万个个点。由于一一次测测量的的范围围有限限，多多角度度测量量然后后拼合合到一一个共共同的的坐标标系下下，从从而得得到一一个完完整的的测量量模型型。两两次测测量中中设置置共同同可见见的至至少三三个参参考点点来实实现的的。单次测量量精度可可达，，多视角角测量的的拼合测测量精度度为。。测量注意意事项一般来说说，用光光学测量量法对某某个表面面进行一一次数据据采集往往往只需需数秒时时间，但但是为了了能够比比较完整整和准确确地得到到该表面面测量数数据，通通常需要要花费大大量的时时间用于于确定测测头位置置和测量量角度。。因此，，在测量量之前或或测量过过程中，，根据实实物样件件的结构构特点制制定测量量方案，，用尽可可能少的的测量次次数获取取满足模模型重建建所需的的数据，，不仅可可以有效效减少数数据测量量和预处处理的工工作量，，而且在在某种程程度上可可以提高高测量数数据的整整体精度度。下面面从以下下几个方方面讨论论在使用用ATOSII光学学测量机机进行测测量时应应该注意意的问题题以及需需要采用用的原则则。测量注意意事项实物表面面喷涂由由于部分分深色零零件表面面对光的的吸收能能力较强强，因此此不利于于采用光光学三角角定理进进行测量量，为此此要对这这些零件件进行表表面白色色喷涂处处理。选选择喷涂涂材料时时需要保保证涂层层在测量量后容易易清洗（（如选择择工业探探伤剂）），在喷喷涂过程程中尽可可能使涂涂层薄而而均匀，，既可以以达到加加强反光光的效果果，又不不至于对对测量精精度造成成很大的的影响。。待测实物物定位分分析待测测实物零零件不同同部位的的可测性性，然后后按照可可测性将将待测实实物零件件的特征征进行分分组，以以测头和和实物零零件定位位是否方方便和牢牢靠为基基础选择择较好的的定位基基准（必必要时使使用橡皮皮泥在零零件实物物的背面面进行定定位），，从而减减少改变变测头位位置、角角度和待待测实物物零件的的定位方方式的次次数，提提高测量量效率并并有效提提高主要要待测表表面的测测量精度度。测量注意意事项多视测量量准备为为了实现现将从不不同视角角下测得得的数据据转换到到一个统统一的坐坐标系下下，以生生成完整整的数据据点模型型，一般般可以采采用标签签定位法法以实现现多个视视图的粗粗定位。。（Tritop照相拍摄系系统）整体到部分原原则，按照从从整体到部分分的原则对同同一个零件的的不同部位合合理采用适当当的标定精度度进行测量。。可以将测量量数据划分为为主要视图、、细节视图和和补充视图，，其中主要视视图是指测量量数据较多且且从某个角度度可以反映待待测实物零件件整体形状的的视图；细节节视图指的是是针对待测实实物零件的某某些局部细节节特征测量所所得到的数据据，这些数据据主要用于细细节部位的特特征重建；补补充视图是指指对模型重建建无关紧要的的数据，这部部分数据原则则上不参与模模型的重建，，但是可以用用来检验多视视拼合的结果果以及校验模模型重建的精精度。测量注意事项项光线方向尽可可能使光线照照射方向和结结构类零件主主要待测表面面垂直，尽可可能保证光线线扫描方向和和主要待测棱棱边垂直。单面测量由于于薄板类零件件的模型重建建可以通过单单面曲面重建建后利用加厚厚等方法来创创建实体模型型，因此对于于飞机钣金件件等薄板类零零件的测量一一般只需要进进行单面测量量，必要时有有选择性地测测量另外一面面的部分数据据用于判断应应该向哪一侧侧加厚、加厚厚厚度的确定定以及后续模模型重建后的的精度校验等等。使用单面面测量策略不不仅减少了测测量和拼合次次数，而且测测得的数据比比双面测量的的数据更容易易实现分块。。测量注意事项项深孔测量在对对深孔进行测测量时，通常常无法获取完完整的孔侧面面的数据点，，这时也需要要在孔周围和和孔底部（指指盲孔）测量量足够多的关关键数据点，，以便在模型型重建时有足足够的信息进进行孔定位、、孔径计算和和深度估计等等。装配件的测量量在装配件拆拆卸前应采集集尽可能多的的数据点，并并考虑装配件件中不同零件件之间的装配配关系的提取取（如装配件件内部零件之之间贴合面以以及分界线的的测量等），，然后尽量在在不重新定位位的原则下，，逐步拆卸覆覆盖在外部的的零件进行内内部零件的测测量，对于必必须重新定位位的情况，需需要在装配件件未拆卸之前前记录该零件件的相对位置置，从而在后后续模型重建建过程中考虑虑到零件之间间的装配约束束关系。大型物体测量量方案CCD相机测量/建模软件图象分析/多视图几何特征点线数据/全局定位数据表面点云数据图象抓取及非结构光投射控制单元双目立体成像分析投影装置自由拍摄光学镜头/CCD2被测物体光学镜头/CCD1定位测量表面测量全局定位精度度验证内窥测量系统统以上介绍的测测量方法，通通常只能测量量物体外表面面的几何形状状，而无法采采集内部或隐隐形结构表面面的点云数据据，对既具有有复杂外形、、又具有复杂杂内部形腔和和隐形结构的的成形件的测测量上述方法法就不适合。。能够同时测测量物体外表表面和内部空空腔几何形状状的测量设备备我们通称为为内窥测量系系统。常见的的内窥测量系系统主要有自自动断层扫描描仪和工业CT。自动断层扫描描采用逐层去除除材料与逐层层扫描相结合合的方法获得得模型的内外外轮廓数据。。首先将待测测零件用专用用树脂材料（（填充石墨粉粉或颜料）完完全封装，待待树脂固化后后，固定到铣铣床上，进行行微吃刀量切切削，得到包包含零件和树树脂材料的截截面，移到CCD摄像机机下，对当前前截面进行数数字化采样，，由于封装材材料与零件存存在明显边界界，利用滤波波、边缘提取取、纹理分析析、二值化等等数字图像处处理技术进行行边界轮廓提提取，得到轮轮廓的坐标值值。重复到铣铣床上切削一一个片层、再再分析截面图图像，直至得得到模型各截截面的坐标数数据。相对对工工业业CT，，自自动动断断层层扫扫描描仪仪的的设设备备费费用用和和运运行行费费用用更更低低。。由由于于基基于于像像素素提提取取，，每每层层内内测测得得的的数数据据量量也也较较大大。。自自动动断断层层扫扫描描系系统统的的明明显显缺缺点点是是要要破破坏坏被被测测物物体体。。市市场场上上比比较较成成熟熟的的自自动动断断层层扫扫描描仪仪有有美美国国CGI公公司司的的RE1000。。工业业CT工业业计计算算机机断断层层扫扫描描成成像像（（ICT，，IndustrialComputerTomograph））技技术术则则提提供供了了一一种种无无损损地地再再现现物物体体内内、、外外部部复复杂杂结结构构及及其其材材质质形形态态的的数数字字层层析析技技术术。。ICT是是对对实实物物样样件件经经过过ICT层层析析扫扫描描后后，，获获得得一一系系列列断断面面图图像像切切片片和和数数据据，，这这些些切切片片和和数数据据提提供供了了工工件件截截面面轮轮廓廓及及其其内内部部结结构构的的完完整整信信息息。。ICT技技术术是是医医学学CT获获得得成成功功应应用用之之后后向向工工业业界界的的拓拓广广和和延延伸伸。。ICT可可对对各各种种复复杂杂结结构构的的大大、、中中、、小小型型成成形形件件实实施施反反求求建建模模及及质质量量控控制制，，也也可可用用于于技技术术破破译译和和产产品品故故障障、、可可靠靠性性无无损损诊诊断断、、装装配配结结构构分分析析等等。。ICT测测量量与与分分析析系系统统的的基基本本组组成成9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。11:15:0911:15:0911:1512/20/202211:15:09AM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2211:15:0911:15Dec-2220-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。11:15:0911:15:0911:15Tuesday,December20,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2211:15:0911:15:09December20,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。20十十二月202211:15:09上上午11:15:0912月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月2211:15上上午12月月-2211:15December20,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2011:15:0911:15:0920December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。11:15:09上上午午11:15上上午午11:15:0912月月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。11:15:0911:15:0911:1512/20/202211:15:09AM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2211:1