概述坐標測量－零件外形的數據采集通過特定的測量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數據，高效、高精度地實現樣件表面的數據采集，是實施逆向工程的第一步。目前實物坐標測量的范圍和手段以驚人的速度發展，基于光學、聲學、磁學、衛星遙感、三維微觀攝像等的測量設備，能夠獲得大如星球、天體，小如細胞分子結構的各種三維數據。測量設備的分類實物測量接觸式非接觸式破壞式機械手CMM自動斷層掃描光學聲學聲波定位儀MRI磁共振結構光激光三角形電磁學激光測距法干涉測量法圖像分析法影響數據采集質量的因素測量方法本身的精度儀器的校準測量范圍的限制夾具阻擋、樣件自身結構阻擋采集數據的局部缺少被測物體表面的光潔度零件數據的統計性分布接觸式坐標測量機接觸式測頭種類及其工作原理

(a)硬式測頭(b)觸發式測頭(c)模擬式測頭接觸式測頭工作原理圖硬式測頭通過手動測頭接觸工件表面，由人眼及感覺做出判斷，再利用腳踏開關觸發。記錄觸發時接觸點坐標值。由于接觸力的大小和接觸點的判斷完全依賴于操作者的感覺，極易產生誤差，多用于精度要求不太高的小型測量機，成本較低、操作簡單。按形狀可分為圓錐測頭、圓柱形測頭、球形測頭、回轉半圓和回轉四分之一柱面測頭、盤形測頭、凹圓錐測頭、點測頭、V形塊測頭及直角測頭等。MicroScribe采用硬式測頭的小型測量儀MicroScribe，主要用于實驗室教學時對較小實物模型的測量。精度0.3mm左右。觸發式測頭觸發式測頭利用電子開關機構，當測頭碰到樣件表面，由接觸力控制電子機構的開關，由電信號的通斷控制坐標值的讀取。觸發式測頭的觸發信號由電子開關控制，故其重復性、準確性較高，測量精度可達1μm甚至更高，是現代三坐標測量機最常用的測頭。按照測頭電子開關機構所用的傳感器可以將觸發式測頭分為電觸式測頭、壓電式開關測頭、應變片式測頭。模擬式測頭模擬式（掃描式）測頭在接觸被測工件后，連續測得接觸位移，測頭的轉換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號，該信號和精密量儀的相應坐標值疊加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠遠高于觸發式測頭。該類測頭的缺點是結構復雜，制造成本高，目前世界上只有少數公司可以生產。

三坐標測量機（CMM）三坐標測量機是典型的接觸式測量設備，20世紀60年代發展起來的一種高效率的新型精密測量儀器。它廣泛地應用于制造、電子、汽車和航空航天等工業部門。起初是作為一種檢測儀器，對零件和部件的尺寸、形狀及相互位置進行檢測。此外，還可以用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等，由于三坐標測量機具有對連續曲面進行掃描來制備數控加工程序的功能，因此一開始就被選為逆向工程的主要數字化設備并一直使用至今。三坐標測量機（CMM）三坐標測量機基本原理將被測物體置于三坐標機的測量空間，它通過感知測量頭與工件表面的接觸，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據測點的空間坐標值，經計算可求出被測的幾何尺寸、形狀和位置。在三坐標測量機上裝置分度頭、回轉臺（或數控轉臺）后，系統具備了極坐標（柱坐標）系測量功能，這種具有X、Y、Z、C四軸的坐標測量機稱為四坐標測量機。按照回轉軸的數目，也可有五坐標或六坐標測量機。三坐標標測量量機（（CMM））三坐標標測量量機需需要三三個方方向的的標準準器(標尺尺)，，利用用三個個相互互垂直直的導導軌實實現沿沿相應應方向向的運運動，，還需需要三三維測測頭對對被測測物進進行探探測和和瞄準準。此此外，，測量量機還還具有有數據據自動動處理理和自自動檢檢測等等功能能，需需要由由相應應的電電氣控控制系系統與與計算算機軟軟硬件件實現現。三三坐標標測量量機可可分為為主機機、測測頭、、電氣氣系統統三大大部分分。三坐標標測量量機的的組成成三坐標標測量量機的的組成成主機框架結結構標尺系系統導軌驅動裝裝置平衡部部件轉臺與與附件件三坐標標測量量機的的組成成三維測測頭三維測測頭可可在三三個方方向上上感受受瞄準準信號號和微微小位位移，，以實實現瞄瞄準和和測微微兩項項功能能。主主要有有硬測測頭、、電氣氣測頭頭、光光學測測頭等等。三坐標標測量量機的的組成成電氣系系統電氣控控制系系統計算機機硬件件部分分測量機機軟件件打印與與繪圖圖裝置置將三坐坐標測測量機機應用用在逆逆向工工程中中，測測量可可通過過人工工操作作逐點點測量量，也也可通通過編編制測測量程程序進進行測測量規規劃實實現連連續或或間斷斷式數數據測測量，，采集集曲面面的外外形數數據。。在逐逐點式式掃描描測量量時，，通常常是將將測頭頭在橫橫向以以等速速或等等間距距逐點點移動動，再再以等等時間間或等等間距距位置置量取取樣件件在Z軸的的坐標標。但但當工工件輪輪廓有有明顯顯起伏伏變化化時，，需要要增加加測量量點來來提高高分辨辨率，，最簡簡單的的方式式是取取（ΔΔX+ΔZ）為為常數數，ΔΔX、、ΔZ分別別是橫橫向和和縱向向坐標標的步步長。。當ΔΔZ變變大時時，ΔΔX變變小，，測量量點將將更加加密集集。即即當樣樣件斜斜率變變大時時，測測量速速度減減慢，，此動動作稱稱為速速度跟跟蹤。。三坐標標測量量機的的主要要特點點不受物物體表表面顏顏色及及光照照的限限制；；對物物體邊邊界也也能產產生較較準確確的測測量結結果；；測量量精度度高（一般般能達達到u級））；由于于測頭頭的限限制，，可能能丟失失某些些測頭頭不可可到達達的細細節數數據；；不能能測量量軟材材料物物體；；測量量速度度受到到機構構運動動的限限制；；測量量過程程需要要較多多人工工干預預，對對大型型自由由曲面面產品品的測測量效效率較較低。。機械手手式測測量機機機械手手式測測量機機也是是一種種接觸觸式測測量設設備，，與三三坐標標測量量機相相比沒沒有精精密的的工作作臺、、立柱柱、導導軌等等裝置置，機機械手手臂為為關節節式機機構，，具有有多自自由度度。可用作作彈性性坐標標測量量機，，傳感感器可可裝置置在其其爪部部，各各關節節的旋旋轉角角度可可由旋旋轉編編碼器器獲取取，由由機構構學原原理可可求得得傳感感器在在空間間的坐坐標位位置。。使用用時操操作者者手持持測量量手臂臂，末末端探探針接接觸被被測量量物體體表面面時按按下按按鈕，，記錄錄坐標標和探探針手手柄方方向，，并通通過串串口線線傳回回測量量軟件件。這這種測測量機機幾乎乎不受受方向向限制制。可可在工工作空空間做做任意意方向向的測測量，，一般般用于于大型型鈑金金模具具件的的逆向向工程程測量量。特點：精度度相對CMM要低些些，但測量量范圍大，，受被測物物體的體積積、形狀等等的限制較較少，測量量機本身結結構小巧，，測量方式式相對靈活活，適合在線測量。其他方面面與CMM相似。光學測量設設備非接觸式測測量主要運運用光學原原理進行數數據采集，，主要方法法有激光三角形形法、激光光測距法、、結構光法法、圖形分分析法、干干涉測量法法等，光學測測量設備具具有測量速速度快、自自動化程度度高等優點點，由于沒沒有接觸壓壓力和摩擦擦力，消除除了樣件受受力變形導導致的測量量誤差，非非常適合對對各種復雜雜模型快速速地進行大大規模數據據采集。光學測量基基理光學測量法法是通過將將一定的物物理模擬量量通過適當當的算法轉轉化為樣件件表面的坐坐標點激光測距法法是將激光光束的飛行行時間轉化化為被測點點與參考平平面間的距距離。圖像分析法法是利用一點點在多個圖圖像中的相相對位置，，通過視差差計算距離離，從而得得到點的空空間坐標。激光三角形形法利用光源與與影像感應應裝置（如如攝像機））間的位置置與角度來來推算點的的空間坐標標。光學測量基基理干涉測量法法的原理是是由一個光光源射出的的一束光(指定的入入射光)經經分光后后產生的兩兩束光分別別射向參考考平面和目目標平面，，反射后的的兩束光相相互干涉，，呈現出相相應的干涉涉圖樣，通通過分析指指定的入射射光的波長長與干涉圖圖樣間的關關系而測得得目標平面面與參考平平面間的距距離。結構光法將一定模式式的光，如如條形光、、柵格狀光光，投射到到被測物體體表面，并并捕獲光被被曲面反射射后的圖象象，通過對對比不同模模式之間的的差別來獲獲取樣件表表面的三維維點坐標。。最典型的的結構光是是投影光柵柵。其原理理是把光柵柵投射到被被測樣件的的表面上,光柵影影線會因受受到樣件表表面高度的的調制而發發生變形,通過解解調變形的的光柵影線線來確定樣樣件表面的的高度。結結構光法與與圖象分析析法的主要要不同是該該方法需要要投射具有有一定模式式的人工光光源，這種種方法中最最典型的是是莫爾干涉涉條紋法。。激光三角測測距原理光電檢測器zox測量范圍激光束激光發生器聚光鏡成像鏡成像鏡激光三角法法測量特點點工作距離大大，離樣件件表面很遠遠處也可對對工件進行行測量。測量范圍大大，大測量量范圍導致致的非線性性誤差，可可以通過標標定，利用用軟件進行行修正。測頭不與被被測物體接接觸，能對對松軟材料料的表面進進行數據采采集，并能能很好地測測量到表面面尖角、凹凹陷等復雜雜輪廓。數據采集速速度很快，，對大型表表面可在CMM或數數控機床上上迅速完成成數據采集集，無需測測頭補償。。價格較貴，，雜散反射射，對于垂垂直壁等表表面特征會會影響采集集精度。對被測材料料、表面粗粗糙度、反反射特性敏敏感，精度度一般比CMM略低低。激光三角法法分為點測測量、線測測量和面測測量單點式激光光測量法單點式激光光三角測量量常采用直直射式和斜斜射式兩種種結構激光器發出出的光線，，經會聚透透鏡2聚焦焦后垂直入入射被測物物體的表面面3上，物物體移動或或表面變化化，入射光光點沿入射射光軸移動動。接受透透鏡接受來來自入射點點出的散射射光，并將將其成像在在光敏位置置探測器5敏感面上上，若光點點在成像面面上的位移移為，，按下式可可求出被測測面的位移移。直射式斜射式是激激光器發出出的光和被被測面的法法線成一定定角度入射射到被測面面上，同樣用一透透鏡接受光光點在被測測面的散射射光或反射射光，若光光點的像在在探測器敏敏感面上移移動，則物物體表面沿沿法線方向向的移動距距離為為：斜射式線光源測量法法采用線光源照照明的三角傳傳感系統使用用二維面陣作作為接收器件件，只需要附附加一維掃描描就可以形成成完整的三維維面形狀數據據。以線光源源照明的三角角法也稱光切切法。激光束經柱狀狀透鏡擴束并并準直后成為為一束很薄的的片狀光束投投影到樣件表表面，載有樣樣件的平臺沿沿給定坐標方方向以一定速速度平移，完完成投影光在在表面的掃描描，在另一方方向上用面陣陣CCD光敏敏面上的像為為一曲線，計計算該曲線上上象素點偏離離標準像（基基準平面）的的位置便可得得出被測表面面的深度變化化。線光源測量法法激光三角面形形測量法激光三角法面面形測量的基基本原理是利利用激光在被被測樣件表面面投影一光條條，由于被測測表面起伏極極曲率變化，，投影的光條條隨此輪廓位位置起伏而扭扭曲變形，由由CCD攝像像機攝取激光光束影像，這這樣就可由激激光束的發射射角度和激光光束在CCD內成像位置置，通過三角角幾何關系獲獲得被測點距距離或坐標等等數據。3DLaserScanner丹麥SCANTECH公公司開發的三三維激光掃描描儀（3DLaserScanner）是是激光三角形形法測量的一一個代表，其其測量數據可可達到23000點/秒秒的測量速度度。主要特點：高高速測量，短短時間內測量量大量的點；；由于是非接接觸式測量，，因此可以測測量柔性物體體；適合對復復雜自由曲面面的測量；對對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的三三維掃描儀80年代就被被迪斯尼等動動畫和特技公公司采用，用用于“終結者者II”，““侏羅紀公園園”，“蝙蝠蝠俠II”，，“機械戰警警”等影片。。還用于快速速雕塑系統。。90年代的的掃描儀可對對人體全身掃掃描，給出對對象的多邊形形、NURBS曲面、點、Spline曲線方式描述述，可進行彩彩色掃描，輸輸出被測物體體的坐標信息息和顏色信息息。掃描速率率可達1.4萬點/秒。。3030RGB型掃描描物體的尺寸寸在30cm，深度方向向測量精度100-400μm，用用于動畫、人人類學研究、、服裝設計等等方面。結構光測量法法結構光投影法法是將一定圖圖案的光投影影到物體表面面上，從而增增強物體表面面各點之間的的可區分性，，降低圖像點點對匹配的難難度，提高匹匹配算法的精精度和可靠性性。常用的結結構光圖案模模式，包括灰灰碼條紋（GrayCode）、、摩爾條紋、、網格圖案、、彩色點陣圖圖案等。結構光測量法法結構光投影雙雙目立體測量量具有以下主主要特點一次可獲取大大量數據（可可達百萬點以以上）；由于是非接觸觸式測量，因因此可以測量量柔性物體；；適合對復雜自自由曲面的高高效率測量；；分析相對復雜雜；測量結果受物物體表面光學學特性的影響響（如透明、、黑色等情況況下都會產生生問題）；精度比接觸式式測量略低。。結構光法雙目結構光測測量系統結構構圖ATOS光學學測量機德國GOM公公司生產的ATOS流動動光學掃描儀儀是目前世界界上最先進的的非接觸式三三坐標掃描儀儀之一，是一一種結構光測測量設備。該該掃描系統可可將特定光柵柵條紋于被測測物體上，通通過光柵間距距的變化，借借助兩個高分分辨率CCD數碼相機對對光柵干涉條條紋進行拍照照，經過數碼碼影像分析和和基于光學原原理計算，求求得實物表面面三維坐標數數據，可在極極短時間內獲獲得復雜工作作表面的完整整點云，實現現三維掃描高高速化。ATOSII在距被測測物體約700mm處處高速攝取實實物表面數據據，一次測量量的有效測量量區域為280×350mm，獲得得的掃描點數數最大可達一一百三十萬個個點。由于一一次測測量的的范圍圍有限限，多多角度度測量量然后后拼合合到一一個共共同的的坐標標系下下，從從而得得到一一個完完整的的測量量模型型。兩兩次測測量中中設置置共同同可見見的至至少三三個參參考點點來實實現的的。單次測量量精度可可達，，多視角角測量的的拼合測測量精度度為。。測量注意意事項一般來說說，用光光學測量量法對某某個表面面進行一一次數據據采集往往往只需需數秒時時間，但但是為了了能夠比比較完整整和準確確地得到到該表面面測量數數據，通通常需要要花費大大量的時時間用于于確定測測頭位置置和測量量角度。。因此，，在測量量之前或或測量過過程中，，根據實實物樣件件的結構構特點制制定測量量方案，，用盡可可能少的的測量次次數獲取取滿足模模型重建建所需的的數據，，不僅可可以有效效減少數數據測量量和預處處理的工工作量，，而且在在某種程程度上可可以提高高測量數數據的整整體精度度。下面面從以下下幾個方方面討論論在使用用ATOSII光學學測量機機進行測測量時應應該注意意的問題題以及需需要采用用的原則則。測量注意意事項實物表面面噴涂由由于部分分深色零零件表面面對光的的吸收能能力較強強，因此此不利于于采用光光學三角角定理進進行測量量，為此此要對這這些零件件進行表表面白色色噴涂處處理。選選擇噴涂涂材料時時需要保保證涂層層在測量量后容易易清洗（（如選擇擇工業探探傷劑）），在噴噴涂過程程中盡可可能使涂涂層薄而而均勻，，既可以以達到加加強反光光的效果果，又不不至于對對測量精精度造成成很大的的影響。。待測實物物定位分分析待測測實物零零件不同同部位的的可測性性，然后后按照可可測性將將待測實實物零件件的特征征進行分分組，以以測頭和和實物零零件定位位是否方方便和牢牢靠為基基礎選擇擇較好的的定位基基準（必必要時使使用橡皮皮泥在零零件實物物的背面面進行定定位），，從而減減少改變變測頭位位置、角角度和待待測實物物零件的的定位方方式的次次數，提提高測量量效率并并有效提提高主要要待測表表面的測測量精度度。測量注意意事項多視測量量準備為為了實現現將從不不同視角角下測得得的數據據轉換到到一個統統一的坐坐標系下下，以生生成完整整的數據據點模型型，一般般可以采采用標簽簽定位法法以實現現多個視視圖的粗粗定位。。（Tritop照相拍攝系系統）整體到部分原原則，按照從從整體到部分分的原則對同同一個零件的的不同部位合合理采用適當當的標定精度度進行測量。。可以將測量量數據劃分為為主要視圖、、細節視圖和和補充視圖，，其中主要視視圖是指測量量數據較多且且從某個角度度可以反映待待測實物零件件整體形狀的的視圖；細節節視圖指的是是針對待測實實物零件的某某些局部細節節特征測量所所得到的數據據，這些數據據主要用于細細節部位的特特征重建；補補充視圖是指指對模型重建建無關緊要的的數據，這部部分數據原則則上不參與模模型的重建，，但是可以用用來檢驗多視視拼合的結果果以及校驗模模型重建的精精度。測量注意事項項光線方向盡可可能使光線照照射方向和結結構類零件主主要待測表面面垂直，盡可可能保證光線線掃描方向和和主要待測棱棱邊垂直。單面測量由于于薄板類零件件的模型重建建可以通過單單面曲面重建建后利用加厚厚等方法來創創建實體模型型，因此對于于飛機鈑金件件等薄板類零零件的測量一一般只需要進進行單面測量量，必要時有有選擇性地測測量另外一面面的部分數據據用于判斷應應該向哪一側側加厚、加厚厚厚度的確定定以及后續模模型重建后的的精度校驗等等。使用單面面測量策略不不僅減少了測測量和拼合次次數，而且測測得的數據比比雙面測量的的數據更容易易實現分塊。。測量注意事項項深孔測量在對對深孔進行測測量時，通常常無法獲取完完整的孔側面面的數據點，，這時也需要要在孔周圍和和孔底部（指指盲孔）測量量足夠多的關關鍵數據點，，以便在模型型重建時有足足夠的信息進進行孔定位、、孔徑計算和和深度估計等等。裝配件的測量量在裝配件拆拆卸前應采集集盡可能多的的數據點，并并考慮裝配件件中不同零件件之間的裝配配關系的提取取（如裝配件件內部零件之之間貼合面以以及分界線的的測量等），，然后盡量在在不重新定位位的原則下，，逐步拆卸覆覆蓋在外部的的零件進行內內部零件的測測量，對于必必須重新定位位的情況，需需要在裝配件件未拆卸之前前記錄該零件件的相對位置置，從而在后后續模型重建建過程中考慮慮到零件之間間的裝配約束束關系。大型物體測量量方案CCD相機測量/建模軟件圖象分析/多視圖幾何特征點線數據/全局定位數據表面點云數據圖象抓取及非結構光投射控制單元雙目立體成像分析投影裝置自由拍攝光學鏡頭/CCD2被測物體光學鏡頭/CCD1定位測量表面測量全局定位精度度驗證內窺測量系統統以上介紹的測測量方法，通通常只能測量量物體外表面面的幾何形狀狀，而無法采采集內部或隱隱形結構表面面的點云數據據，對既具有有復雜外形、、又具有復雜雜內部形腔和和隱形結構的的成形件的測測量上述方法法就不適合。。能夠同時測測量物體外表表面和內部空空腔幾何形狀狀的測量設備備我們通稱為為內窺測量系系統。常見的的內窺測量系系統主要有自自動斷層掃描描儀和工業CT。自動斷層掃描描采用逐層去除除材料與逐層層掃描相結合合的方法獲得得模型的內外外輪廓數據。。首先將待測測零件用專用用樹脂材料（（填充石墨粉粉或顏料）完完全封裝，待待樹脂固化后后，固定到銑銑床上，進行行微吃刀量切切削，得到包包含零件和樹樹脂材料的截截面，移到CCD攝像機機下，對當前前截面進行數數字化采樣，，由于封裝材材料與零件存存在明顯邊界界，利用濾波波、邊緣提取取、紋理分析析、二值化等等數字圖像處處理技術進行行邊界輪廓提提取，得到輪輪廓的坐標值值。重復到銑銑床上切削一一個片層、再再分析截面圖圖像，直至得得到模型各截截面的坐標數數據。相對對工工業業CT，，自自動動斷斷層層掃掃描描儀儀的的設設備備費費用用和和運運行行費費用用更更低低。。由由于于基基于于像像素素提提取取，，每每層層內內測測得得的的數數據據量量也也較較大大。。自自動動斷斷層層掃掃描描系系統統的的明明顯顯缺缺點點是是要要破破壞壞被被測測物物體體。。市市場場上上比比較較成成熟熟的的自自動動斷斷層層掃掃描描儀儀有有美美國國CGI公公司司的的RE1000。。工業業CT工業業計計算算機機斷斷層層掃掃描描成成像像（（ICT，，IndustrialComputerTomograph））技技術術則則提提供供了了一一種種無無損損地地再再現現物物體體內內、、外外部部復復雜雜結結構構及及其其材材質質形形態態的的數數字字層層析析技技術術。。ICT是是對對實實物物樣樣件件經經過過ICT層層析析掃掃描描后后，，獲獲得得一一系系列列斷斷面面圖圖像像切切片片和和數數據據，，這這些些切切片片和和數數據據提提供供了了工工件件截截面面輪輪廓廓及及其其內內部部結結構構的的完完整整信信息息。。ICT技技術術是是醫醫學學CT獲獲得得成成功功應應用用之之后后向向工工業業界界的的拓拓廣廣和和延延伸伸。。ICT可可對對各各種種復復雜雜結結構構的的大大、、中中、、小小型型成成形形件件實實施施反反求求建建模模及及質質量量控控制制，，也也可可用用于于技技術術破破譯譯和和產產品品故故障障、、可可靠靠性性無無損損診診斷斷、、裝裝配配結結構構分分析析等等。。ICT測測量量與與分分析析系系統統的的基基本本組組成成9、靜夜四四無鄰，，荒居舊舊業貧。。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、雨中黃黃葉樹，，燈下白白頭人。。。11:15:0911:15:0911:1512/20/202211:15:09AM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2211:15:0911:15Dec-2220-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。11:15:0911:15:0911:15Tuesday,December20,202213、乍乍見見翻翻疑疑夢夢，，相相悲悲各各問問年年。。。。12月月-2212月月-2211:15:0911:15:09December20,202214、他他鄉鄉生生白白發發，，舊舊國國見見青青山山。。。。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、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/2011:15:0911:15:0920December202217、做做前前，，能能夠夠環環視視四四周周；；做做時時，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿著著以以腳腳為為起起點點的的射射線線向向前前。。。。11:15:09上上午午11:15上上午午11:15:0912月月-229、沒有失敗，，只有暫時停停止成功！。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒有有。。。11:15:0911:15:0911:1512/20/202211:15:09AM11、成功就就是日復復一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。12月-2211:1