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三维扫描仪的测量方法

时间:2014-03-05 10:08:19来源:精易迅科技浏览次数:2289

    三维扫描仪技术一般以数字化测量设备的输出数据为原始信息来源。只有在得到要逆向的实体的表面三维信息,才能实现后面的工作,如模型的检测,复杂曲面的建模、评价、改进和制造。而测量方法的好坏直接影响到对被测实体描述的精确、完整程度,影响到数字化实体几何信息的速度,进而影响到重构的CAD 曲面、实体模型的质量,并最终影响到整个工程的进度和质量。因此,在整个的链条中,处于整个工程的开始,因此是整个工程的基础,也是技术的一个关键技术部分。
    三维扫描仪的数据采集方法即三维表面数据采集方法可以分为接触式和非接触式两大类。接触式测量方法包括:坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,CMM)和层析法。非接触式测量方法包括:光学测量、超声波测量、电磁测量等方法。各种测量方法,坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,CMM)是一种大型精密的三坐标测量仪器,可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。CMM 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。CMM 由英国Ferranti 公司早在50 年代就开始研制,德国Zeiss 公司于1973 年推出UMM500 三坐标测量机。70 年代末期,Zeiss 公司研制出气浮导轨(空气轴承),采用花岗岩材料作为三坐标测量机的工作台、横梁和主轴,简化了CMM 的机械结构,降低了制造成本。当前国际上较有名的CMM 制造厂商还有意大利的DEA 公司、美国的Brown-Sharpe 公司、英国的ZK 公司。
    三维扫描仪的数据采集方法在九十年代初,英国Renishaw 公司研制出一种三维力一位移传感的扫描测量头,该测头可以在工件上滑动测量,连续获取表面的坐标信息,扫描速度可达8 米/秒,数字化速度最高可达500 点/秒,精度约为0.03mm。这种测头价格昂贵,目前尚未在CMM上广泛采用。CMM 主要优点是测量精度高,适应性强,但接触式测头测量的致命弱点就是测量速度太慢,测量效率太低,而且对一些软质表面无法进行测量。所以,对于响应快速制造有点力不从心。干涉法是通过测量两束相干光的光程差来计算物体的高度分布,测量精度相当高,但测量范围小,抗干扰能力弱,不适合测量凹凸变化大的复杂曲面。激光衍射法的情况与干涉法基本相同。层析法是近年来发展的一种技术,将研究的零件原形填充后,采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据,并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状,任意结构零件的内外轮廓进行测量,但测量方式是破坏性的。基于光学三角型原理的激光扫描法这种测量方法根据光学三角型测量原理,以激光作为光源,其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等,将其投射到被测物体表面,并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量,根据光点或光条在物体上成像的偏移,通过被测物体基平面、像点、象距等之间的关系计算物体的深度信息。此方法已经成熟,目前已走向实用。如果采用线光源,激光扫描测量方法可以达到很高的测量速度。英国3DSCANNER公司生产的REVERSA激光测头扫描速度达15000 点/秒,在精度上达到了0.025mm。
    基于相位偏移测量原理的莫尔条纹测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面,光栅条纹受物体表面形状的调制,其条纹间的相位关系会发生变化,数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。距离法是利用光线飞行的时间来计算距离,常采用激光和脉冲光束。比较典型的应用就是电子经纬仪交绘测量法。这种方法测速慢,工作量大,测量相当困难,但可以测很大的物体。基于工业CT 断层扫描图像法对被测物体进行断层截面扫描,以X 射线的衰减系数为依据,经处理重建断层截面图像,根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高,测量系统的空间分辨率低,获取数据时间长,设备体积大。美国LLNL 实验室研制的高分辨率ICT 系统测量精度为0.01mm。
    非接触式机构光三维扫描仪又名立体视觉测量方法测量是目前最为先进的技术的数据采集方法,根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个(多个)摄像机拍摄的图像中的视差,以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。非接触式机构光三维扫描仪测量方法可以对处于两个(多个)摄像机共同视野内的目标特征点进行测量,而无须伺服机构等扫描装置。非接触式机构光三维扫描仪测量技术关键是空间特征点在多幅数字图像中提取与匹配的精度与准确性等问题。非接触式机构光三维扫描仪有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题,结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法,它的原理是将具有一定模式的光源,如栅状光条投射到物体表面,然后用两个镜头获取不同角度的图像,通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标,这种非接触式机构光三维扫描仪方法具有速度快、无需运动平台的优点。德国GOM 公司的Atos 光学扫描测量系统可以在1min 内完成一幅包括430000 点的图像测量,精度可达0.03mm。但它仍然存在着图像获取和处理时间长、测量量程短等问题。但是随着计算机软硬件的发展和相应的一些算法的发展,相信这项技术的问题会很快得到解决,因此面结构投影测量技术是目前国际上争相发展的一种测量技术,也是最有前途的一种测量技术之一。
    目前国内也在国外非接触式机构光三维扫描仪的基础上加以改进,精易迅科技制作的非接触式机构光三维扫描仪在各类参数都超越了国外同等设备。


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