一种基于断层测量的反求工程

　　在制造领域,反求工程表现为对已有物体的参照设计,通过对实物的测量构造物体的几何模型,进而根据物体的具体功能进行改进设计和制造。反求工程技术广泛应用于汽车、航空、模具等领域。

　　准确、快速地获取实物的几何数据,是实现反求工程的重要步骤之一。常用的测量方法可分为接触式和非接触式两大类[1],前者包括三坐标测量仪法,其优点是精度高,但测量路径的规划复杂,且存在测量死角。后者包括投影光栅法和激光三角法等,其优点是非接触、测量过程较快,但缺点是无法测量物体的内腔。上述方法的共同特点是只能对实物进行局部反求。近年来被认为最有发展前景的三维实物反求技术,是基于断层测量的全几何方法,例如,采用工业计算机断层扫描(industrial computer tomograph, ICT)和核磁共振(magnetic resonace imaging, MRI)技术逐层扫描实物断面[2],以各断层截面的几何轮廓线实现实物反求。原理上,这些技术可对任意复杂的物体进行反求,为非破坏性的。但是,设备价格昂贵,获取的数据精度太低、对实物的材料也有所限制。

　　1　断层测量方法概述

　　物体的断层测量方法分为破坏性测量和非破坏性2种。

　　非破坏性测量方法目前主要有超声波、CT和MRI等。超声波测量法设备简单,成本较低,但测量速度较慢,且测量精度受物体材料及表面特性的影响,精度也比较低。该法主要用于无损探伤及厚度检测,由于超声波在高频下具有很好的方向性,它在三维扫描测量中的应用前景正在受到重视。CT测量法是目前最先进的非接触式的检测方法,它可对物体的内部形状、壁厚,尤其是内部构造进行测量,但它存在空间分辨率较低,获得数据需要较长的积分时间,重建图像计算量大,造价高等缺点。MRI测量法具有深入物质内部且不破坏样品的优点,对生物体没有损害,在医疗领域可有广泛应用。这种方法的不足之处是造价高,且目前对非生物组织材料不适用。针对上述方法的缺点,近年来出现了逐层去除物体进行测量的方法,这是对物体进行破坏性测量的方法,例如,美国CGI公司开发了层去扫描方法,逐层去除物体材料,逐层用扫描设备扫描截面,从截面图像获取物体轮廓尺寸。这种方法具有精度较高、可自动测量、适用于测量内腔形状与尺寸等特点,且可以远低于ICT机的成本制成专用设备。

　　根据层去扫描法的思路,将该方法的扫描系统换为精度高而又廉价的CCD摄像机,来获得逐层截面的图像,这就是本文要讨论的层去图像法。如此构成的测量设备其结构大为简化,成本低,设备安装方便,且可与数控铣床(用于逐层去除材料)集成为一体。

　　由于层去图像法断层测量在原理上是快速成形技术的一个逆过程,因此利用它可将反求技术与快速成形技术相结合,直接使用层片数据驱动成形机,从而构成快速三维实物复制系统。下面介绍西安交通大学“激光快速成形与模具制造工程研究中心”研制的基于该方法的断层测量系统及其应用。