淺談三維量測的幾種方法及其原理

對于掃描外部形貌輪廓的三維掃描儀來說，大體分為兩種：接觸式三維掃描儀和非接觸式三維掃描儀。其中接觸式多為三坐標測量機，非接觸式三維掃描儀又分為光柵三維掃描儀（也稱拍照式三維描儀）和激光掃描儀。而光柵三維掃描又有白光掃描或藍光掃描等，激光掃描儀又有點激光、線激光、面激光的區(qū)別。

三維掃描儀通過掃描收集到的這些模型數(shù)據(jù)具有相當廣泛的用途，比如工業(yè)設(shè)計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導(dǎo)引、地貌測量、醫(yī)學信息、生物信息、刑事鑒定、數(shù)字文物典藏、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等。

三坐標測量機成像原理及其特性

三坐標測量機是由三個互相垂直的運動軸X，Y，Z建立起的一個直角坐標系，測頭的一切運動都在這個坐標系中進行，測頭的運動軌跡由測球中心來表示。測量時，把被測零件放在工作臺上，測頭與零件表面接觸，三坐標測量機的檢測系統(tǒng)可以隨時給出測球中心點在坐標系中的精確位置。當測球沿著工件的幾何型面移動時，就可以精確地的計算出被測工件的幾何尺寸，現(xiàn)狀和位置公差等。

優(yōu)點和局限性

三坐標測量的優(yōu)點在于精度高，非常適合測量高公差的機加工零件及中小型零部件。同時由于其高精度的特性使得三坐標能夠測量的特征多樣。

但由于接觸式量測的方法，在進行單點測量時，對工件表面特征要求比較嚴格，對于異形件和大型件等檢測難度高，耗時較長。

像許多柔性材料(如橡膠，泡沫等類似的柔性材質(zhì)因其柔軟的材質(zhì)特征，無法采用接觸式測量方法進行量測。而較大尺寸部件測量相當耗時耗力：需要隨時根據(jù)被測件表面特征進行不同直徑的探針更換。根據(jù)特定的軟件，需要配備相應(yīng)的復(fù)雜而又昂貴的硬件耗材。一旦工件從測量區(qū)域取下，很多情況下將無法進一步記錄分析測量結(jié)果。

三維藍光測量儀成像原理及其特性

拍照式三維掃描儀是由光柵投影設(shè)備及兩個工業(yè)級的CCD Camera所構(gòu)成，其原理就如同人類的兩雙眼睛，藉由光柵投影在待測物面上，并加以粗細變化及位移，配合CCD Camera將所擷取的數(shù)位影像透過電腦運算處理，即可得知待測物的3D外型。

而單一筆的量測資料計算出來之后，藉由參考點來定位，經(jīng)電腦運算后會自動定位回去，簡單說就像3D的拼圖一般，把一個物件完整的拼湊出來，當整個物件量測完成之后，所有的點群加總后便是真實物體的外形， 再藉由運算產(chǎn)生出STL格式的資料。無論被測物是多么的復(fù)雜，均可快速掃描。

手持式主要是是基于拍照式三維掃描儀原有基礎(chǔ)上設(shè)計的產(chǎn)品，掃描創(chuàng)建物體表面的點云圖，這些點可用來插補成物體的表面形狀，點云越密集創(chuàng)建的模型更精準，可進行三維重建。

手持式與拍照式優(yōu)點和局限性

無論是手持式還是拍照式，從根本上說成像原理是相同的。不同處表現(xiàn)在手持式更加便捷，可以掃描大型物體，掃描場景更加自由靈活，但相應(yīng)的，由于相機像素、鏡頭大小等原因，手持式的精度相較于拍照式低，具體到品牌及工藝還會有所區(qū)分。

而拍照式相對于三坐標而言更加輕便快捷，精度高，在掃描異形件上也更加精準好用，根據(jù)自動化程度、軟件可以直接輸出掃描結(jié)果。像是蔡司GOM 的ATOS系列藍光三維掃描儀，精度甚至可以達到μm級，全自動掃描，操作方便，無需編程，上汽集團各個工廠都采用了GOM 的自動化Scanbox+atos5 應(yīng)用于白車身的測量。包括MEB平臺的ID系列車輛都用這一套系統(tǒng)，先前特斯拉上海超級工廠，在鋁壓鑄一體成型零件上也配置了GOM 的自動化系統(tǒng)。

三坐標測量機 & 三維藍光掃描儀

對比三坐標，三維藍光掃描儀最大的不足在于精度不如三坐標測量儀高，但即使如此也能達到μm的級別，完全滿足制造業(yè)工業(yè)生產(chǎn)所需。三坐標測量機無法一次獲取工件整體區(qū)域的三維數(shù)據(jù)，無法對部件進行綜合的質(zhì)量評估，而先進的三維掃描儀一次量測獲取的數(shù)據(jù)更全面更充分，更易評估。當然，如果需要μm以上的精度的量測結(jié)果，且工件精巧細致高公差，還是需要三坐標測量機進行作業(yè)。

此外，對于不熟練的操作人員來說，正確解讀三坐標測量結(jié)果報告也存在更多的困難，也就是說三坐標測量機的準入門檻高，需要專門培養(yǎng)一位技術(shù)人員，而三維掃描儀搭載掃描軟件只需輕松學習，即可快速上手進行工作（如 GOM Inspect Pro等）。另外，接觸式量測方法測量時間長，同等時間條件下獲得的數(shù)據(jù)量遠遠少于光學量測法。

蔡司 GOM ATOS 三維掃描儀

數(shù)據(jù)直觀

? ATOS光學掃描系統(tǒng)經(jīng)過20多年的技術(shù)迭代，基本可以做到大部分的工件不用噴涂就能直接掃描。掃描的結(jié)果精度高，數(shù)據(jù)細節(jié)清晰。
? GOM的軟件支持在DOE階段同時掃描多件，完畢后在軟件里面去進行計算，計算完成就能直接通過彩圖形式展現(xiàn)SPC的統(tǒng)計結(jié)果。這種結(jié)果能方便各部門溝通協(xié)作，所有部門都能直觀地看懂這些報告。

高解析度與技術(shù)優(yōu)勢

? 目前ATOS最高的解析度可以做到1200萬像素。如果是小的一些MV則可以做到近0:01的解析度，細小的特征都能掃得非常的清晰。
? ATOS獨有的triple scan功能也是它的優(yōu)勢之一。一般的掃描儀需要左右兩個相機同時看到才能得到數(shù)據(jù)。ATOS則采用三角測距的原理，能夠做到單眼跟中間的投影構(gòu)成夾角，能看見就能掃到。
? ATOS掃描得到的數(shù)據(jù)多且精，特別是在掃描諸如像一些筋位、卡扣、肋條、特征比較復(fù)雜的工件的時候，ATOS技術(shù)優(yōu)勢會更加的明顯。

無需噴涂

? 目前ATOS的藍光技術(shù)已經(jīng)可以做到大部分以上的工件不用做任何的噴涂處理，直接進行掃描，且掃描結(jié)果準確可靠。同一個工件重復(fù)掃3-5次，ATOS得到的數(shù)據(jù)非常的穩(wěn)定。

馬路科技（RATC）成立于1996年，是以三維測量、三維掃描、逆向工程以及三維打印等先進技術(shù)為導(dǎo)向的科技公司，客戶主要來自汽車、航空航天以及消費品等產(chǎn)業(yè)。馬路科技共有八個服務(wù)點，有超過200名專家提供在地專業(yè)技術(shù)支持及服務(wù)。?