ax cos 1 x b sin(1 2 ) x cos(1 2 )
(8-2)式中
（8-2）
1
——激光束光轴和被测面法线的夹角；
2 ——成像透镜光轴和被测面法线的夹角
。
直射式和斜射式相比各有特点： ① 斜射式可接收来自被测物体的正反射光。直射式由于
其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面。
光学阴影处及光学焦距变化 处
随曲面变化大 ①测量速度快，曲面数据获 取容易； ②不必做测头半径补偿； ③可测量柔软、易碎、不可 接触、薄件、皮毛、变形细 小等工件； ④无接触力，不会伤害精密 表面。 ①测量精度较差，无法判别
工件内部不易测量
部分失真 ①精度较高； ②可直接测量工件的特定几 何特征。
优点
接触式测量的缺点有：
① 确定测量基准点而使用特殊的夹具，测量费用较高。
② 测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。
③ 检测某些轮廓时，可能会有先天的限制。
④ 以逐点进出方式进行测量，测量速度慢。 ⑤ 测头尖端部分与被测件之间发生局部变形影响测量 值的实际读数。
⑥ 不当的操作容易损害样件,也会使测头磨耗、损坏。
（2）外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美 学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模 型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。 （3）需要通过实验来最终确定零件的形状，
（4）艺术品、考古文物的复制。
（5）人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。 （6）特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始 设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。
（7）在快速原型制造（RPM）中，逆向工程的最主要表现为：通过 逆向工程，可以方便地对快速原型制造的原形产品进行快速、准确的 测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使 产品完善。
逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设 计流程。逆向工程中，按照现有的零件原型进行设计生 产，零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中， 而正向设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的 影响因素进行从无到有的设计。因此，从概念设计出发 到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程， 而通过对现有零件原型数字化后再形成CAD模型的逆向 工程是一个推理、反复逼近的过程，具有功能导向、描 述模式、系统仿造等特性。
等三种。
图8-7 接触式测头工作原理 (a)硬式测头 (b)触发式测头 (c)模拟式测头
（1）硬式测头
硬式测头即机械测头，硬测头多用于精度要求不太高的小型测 量机中，成本较低、操作简单。
（2）触发式测头
触发式测头采用电子开 关机构，触发信号由电
子开关控制，其重复性、 准确性均较高，可达lμ m以内，不受人为因素 影响.
字图象中提取与匹配的精度与准确性 等问题。
测量数据预处理技术
产品外形数据是通过坐标测量仪 1．数据平滑 来获取的，一方面，无论是接触式的数 控测量机还是非接触式的激光扫描机， 不可避免地会引入数据误差， 尤其是 2．多视数据对齐定位 尖锐边和产品边界附近的测量数据，测 量数据中的坏点，可能使该点及其周围 的曲面片偏离原曲面。同时由于实物几 何和测量手段的制约，在数据测量时， 会存在部分测量盲区和缺口，给后续的 造型带来影响。所以需要对测量数据进 3．数据分割 行平滑处理、不同方位测量的多视数据 进行对齐定位、不同特征区域的数据进 行分割。
图8-8 三点触发式探头
（3）模拟式测头 模拟式测头接触工件时会有侧向位移，光 栅尺被感应，产生电压变化，此模拟电压信号 转换成数字信号送入处理器记录下来，这种测 量方式称为模拟式测量。
图8-9
Zeiss三维电感测头
4．非接触式测头及其工作原理
非接触式测头一般用于不规则曲面的 测量。非接触式测主要以光学测头为主，随
机械臂（Robot）也属于接触式测量仪。这种测量机几 乎不受方向限制，可在工作空间做任意方向的测量。精度 不高为其主要缺点，一般常用于大型钣金件模具的逆向工 程测量。 （3）激光扫描测量仪 激光扫描测量仪用于非接触式测量。四自由度激光扫 描测量仪工作台具有线性位移及旋转的功能，可带动CC
D测头做逐线扫描，并配合工件的旋转完成多角度扫描的 功能，基本上只要决定点的密度、扫描范围即可，若遇 到不感光或是全反射的表面，则必须喷漆或另外处理。
使用CMM时必须设定较多参数。一般来说，扫描方向与模型陡峭面 成正交为佳。由于工件表面形状不一，故常常要将工件分成不同的区 域，使用不同的参数扫描。若测量复杂形状的工件，则比较耗时。
CMM主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测 头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。
（2）多轴关节式机械臂
1．测量方式 4．非接触式测头及其工作原理
测量方式
逆向工程多用三维立体测量，具体有：接触式测 量与非接触式测量。
（1）接触式测量
接触式测量的优点有：
接触式测量不受样件表面的反射特性、颜色及曲率影 响，配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何 形状，如面、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的机械结 构及电子系统已相当成熟，有较高的准确性和可靠性。
着光电子技术的发展，光学测头已经是探测
技术的一个重要发展方向。 • 光学测头一般是基于三角法测量原理。
图8-10 非接触式三角法测量模式 （a）点测量 （b）线测量 （c）面测量
（1）三角法位移测量原理 单点式激光三角法测量有直射式和斜射式两种结 构。则被测面的位移x为：
ax x b sin x cos
（4）激光跟踪测量系统
激光跟踪测量系统属 球坐标式测量仪器，工作 原理如图8-6所示。此类设 备较适合做大型物体轮廓 的测量，如飞机或汽车外 型等。
图8-6
激光跟踪仪原理图
3．接触式测头及工作原理
硬式测头（Hard Probe或Mechanical Probe）、触发式测
头（Touch Trigger Probe）及模拟式测头（Analog Probe）
①需逐点测量，速度慢；
2．测量设备
（1）坐标测量机
坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，简
称CMM）是一种精密的三坐标测量仪器，三坐标测
量机可分为主机、测头、电气系统三大部分。
图8-4 三坐标测量机的组成
图8-5 三坐标测量机的主机结构
CMM是典型的接触式测量系统，一般采用触发式接触测 量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。
规格确定
设计
制造
检验
图 8－1 顺向工程开发流程图
逆向工程
逆向工程通常是对某一实物样件或模型 （称为零件原型，如汽车的外形、鞋楦模等） 进行仿制。
目前，针对已有样件（尤其是包含有复杂不规则自 由曲面的样件），可利用三维数字化测量仪器准确、快 速地测量出产品外形数据，在逆向软件中构建曲面模型， 再输入CAD/CAM系统进一步编辑、修改，由CAM生成 刀具NC代码（加工路径）送至数控机床（CNC）制作所 需模具，或者由快速成型机（RP）将样品模型制作出来， 其流程如图8-2所示。
逆向工程的关键技术
零件的数字化和计算机 辅助反向建模（Computer Aided Reverse Modeling， 简称CARM）是逆向工程的 两项关键技术。
2.逆向工程系统及工作原理
逆向工程系统组成
逆向工程的测量技术 测量数据预处理技术 模型重建技术 逆向工程软件
逆向工程系统组成
（1）测量测头 分接触式和非接触式 （2）测量机 有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪 站等。 （3）数据处理软件
（4）模型重建软件(CAD/CAM) 模型重建软件包括三类，一是 用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，但数据处理和逆向造型 功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软 件；三是专用产品数据管理（PDM）等软件
② 斜射式入射光点照射在物体不同的点上，因而无法知道 被测物体某点的位移情况，而直射式却可以。
③ 斜射式传感器分辨力高于直射式，但它测量范围小、
体积大。
（2）视觉测量基本原理
图8-12 线结构光测量物体表面轮廓结构示意图
（3）立体视觉测量技术
立体视觉测量是根据同一个三维空间点在 不同空间位臵的两个（或多个）摄象机拍摄的 图像中的视差，以及摄象机之间位臵的空间几 何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测 量面临的最大困难是空间特征点在多幅数
（5）CAE软件
（6）数控加工设备
（7）快速原型机 （8）产品批量生产设备
逆向工程的测量技术
在产品开发中，采用逆 向工程方式处理的产品往往 具有尺寸不易掌握的特性， 如自由曲面的外观造型等。 2．测量设备 因此，逆向工程的首要任务 就是取得所需的点数据，用 于后续的模型构建。现介绍 3．接触式测头及工作原理 逆向工程的数据测量技术。
本章
学习目标
• 了解逆向工程的基本概念 • 了解逆向工程系统的组成和工作原理 • 了解逆向工程的应用实例,提高专业兴 趣 • 了解逆向工程研究和应用的最新发展
重点：逆向工程的概念及工作原理
学习内容
1.逆向工程概述 2.逆向工程系统 组成及工作原 理
3.逆向工程应用
逆向工程
逆向工程（Reverse Engineering 简称RE），又称反 求工程或逆向设计，是将已有产品模型（实物模型） 转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上进行 工程分析和再创新设计的一种方法和应用技术，可有 效提高产品的技术水平，缩短设计周期，增强产品竞 争力，是消化、吸收先进技术，进而创新和开发各种 新产品的重要手段。逆向工程作为吸收先进技术的一 种手段，使产品研制周期缩短百分之四十以上。掌握 逆向工程技术，对我国国民经济的发展、科学技术水 平的提高和企业快速响应市场能力的提升，具有重要 的工程意义。