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三維光學(xué)掃描量測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

工作原理與應(yīng)用領(lǐng)域

本份白皮書介紹了創(chuàng)新的三維光學(xué)掃描量測系統(tǒng)/技術(shù)（ZEISS OPTOTECHNIK 三維光學(xué)掃描 COMET 系列, T-SCAN 系列）與傳統(tǒng)接觸式測頭量測系統(tǒng)/技術(shù)之間的區(qū)別寞忿。

目錄:

傳統(tǒng)測量方法及其優(yōu)點(diǎn) 

傳統(tǒng)測量方法及其缺點(diǎn)和局限性 

更多缺陷與問題 

人為干擾因素 

解決方案：三維光學(xué)掃描量測技術(shù) 

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的量測原理 

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在逆向工程中的應(yīng)用 

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在質(zhì)量控制中的應(yīng)用 

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在可視化與虛擬裝配中的應(yīng)用 

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在虛擬裝配與氣密性評(píng)估中的應(yīng)用 

結(jié)論

LASER SCANNING SYSTEMS - 三維光學(xué)掃描系統(tǒng)

傳統(tǒng)測量方法及其優(yōu)點(diǎn)

很長一段時(shí)間以來感昼，人們使用傳統(tǒng)的接觸式測頭量測方法對(duì)工件進(jìn)行量測，該方法經(jīng)多年實(shí)踐應(yīng)用罐脊，技術(shù)比較成熟定嗓，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐 富，具有較廣泛的實(shí)踐價(jià)值萎雁。

接觸式測頭自動(dòng)量測設(shè)備精準(zhǔn)度高长恒，是進(jìn)行幾何量測的優(yōu)良選擇。尤其在精密測量領(lǐng)域您眉，該技術(shù)可對(duì)鉆孔圓度等幾何誤差進(jìn)行量 測北取。因該接觸式測量技術(shù)誕生歷史悠久，存在比較客觀林皇，標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)技術(shù)規(guī)范涯翠。

傳統(tǒng)測量方法及其缺點(diǎn)和局限性

使用接觸式量測方法進(jìn)行單點(diǎn)測量時(shí)，對(duì)工件表面特征要求比較嚴(yán)格：工件表面特征決定了是否可以用接觸式方法進(jìn)行測量妓付， 應(yīng)該選擇多少直徑的探針進(jìn)行測量憔吉。

有許多柔性材料（如橡膠，泡沫等類似的柔性材質(zhì)）因其柔軟的材質(zhì)特征滚胎，無法采用接觸式測量方法進(jìn)行量測肿讽。采用接觸式測 量方法對(duì)較大尺寸部件測量更是耗時(shí)耗力：需要隨時(shí)根據(jù)被測件表面特征進(jìn)行不同直徑的探針更換。根據(jù)特定的軟件田搏，需要配 備相應(yīng)的復(fù)雜而又昂貴的硬件耗材找田。一旦工件從測量區(qū)域取下歌憨，很多情況下將無法進(jìn)一步記錄/分析測量結(jié)果。

接觸式測頭/探針

更多缺陷與問題

采用傳統(tǒng)的接觸式量測方法墩衙，可獲得的被測件表面質(zhì)量數(shù)據(jù)非常有限务嫡。與之相比，先進(jìn)的光學(xué)掃描方法一次量測獲取的數(shù)據(jù)更全面更充分漆改。

此外植袍，傳統(tǒng)的接觸式量測方法無法獲取工件整體區(qū)域的三維數(shù)據(jù)，從而無法對(duì)部件進(jìn)行綜合的質(zhì)量評(píng)估籽懦。 對(duì)于不熟練的操作人員來說于个，正確解讀測量結(jié)果報(bào)告也存在更多的困難。 接觸式量測方法測量時(shí)間長暮顺，同等條件下獲得的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于光學(xué)量測法厅篓。

接觸式測量方法從一個(gè)“圓”上獲得的數(shù)據(jù)量

接觸式掃描法從一個(gè)“圓”上獲得的數(shù)據(jù)量

光學(xué)掃描法從一個(gè)“圓”上獲得的數(shù)據(jù)量

點(diǎn)云數(shù)據(jù)

人為干擾因素

接觸式測量方法，測量過程中人為干擾因素的影響不容忽視捶码。操作人員的受教育程度與技術(shù)資歷羽氮，以及根據(jù)工件實(shí)際特征準(zhǔn)確 獲取數(shù)據(jù)的能力都有可能影響到最終測量結(jié)果。缺乏經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員對(duì)測量結(jié)果報(bào)告的誤讀性也比較高惫恼。 相反舀美，用三維光學(xué)掃描方法獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果可以用色差圖的方法（如右下圖）呈現(xiàn)，該比對(duì)報(bào)告一目了然垃燃，簡單易懂玉桅。便于操 作人員的閱讀理解，更便于部門間的溝通介然。

接觸式測量結(jié)果報(bào)告

光學(xué)掃描法測量結(jié)果報(bào)告

解決方案：三維光學(xué)掃描量測技術(shù)

采用三角測量原理準(zhǔn)確獲取工件表面完整三維數(shù)據(jù)的高性能光學(xué)掃描量測系統(tǒng)是一款先進(jìn)的的解決方案掷锻。與傳統(tǒng)接觸式測量方 法相比，非接觸式光學(xué)掃描測量方法更快盗晨，獲取的數(shù)據(jù)信息量更多蔑来。 光學(xué)掃描量測方法獲得的數(shù)據(jù)密度是接觸式測量法遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法企及的。采用光學(xué)量測法可輕易獲得接觸式測量法無法獲取的精細(xì)/ 復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)献鬼。此外澈虱，采用光學(xué)量測法，掃描工件后许夺，獲取的數(shù)據(jù)可長期存儲(chǔ)在電腦中表牲，即便該工件已經(jīng)不復(fù)存在，掃 描獲得的數(shù)據(jù)仍可在任何需要的時(shí)候進(jìn)行編輯處理挑庶。

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的量測原理

光學(xué)掃描系統(tǒng)采用三角測量方法（見下圖）進(jìn)行工作：即對(duì)投影在物體表面并反射接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行量測（非物體本身）言秸。 激光光束/或 L3d 光束投影到工件表面，由投影鏡頭旁的接收相機(jī)迎捺，即位置分辨光電二極管或 CCD 線举畸，進(jìn)行接收。當(dāng)工件與投 影鏡頭間的距離發(fā)生改變凳枝，光線反射角度也發(fā)生改變抄沮，導(dǎo)致接收到的圖像位置發(fā)生改變，根據(jù)三角函數(shù)原理岖瑰，工件與投影鏡頭 的距離得到準(zhǔn)確計(jì)算叛买。 圖像接收器由光學(xué)敏感元件組成，可確定反射光點(diǎn)在圖像上的位置蹋订，根據(jù)該圖像位置率挣，計(jì)算得出投影鏡頭與工件的距離。 三角測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其僅受三角函數(shù)變量關(guān)系影響露戒。從而可進(jìn)行持續(xù)的測量椒功，尤其適用于移動(dòng)測量。 為避免環(huán)境光線與非均勻性物體表面反射光的影響趋肖，需確保測量光點(diǎn)足夠小并足夠亮硫舞。故而，三角測量法掃描頭經(jīng)常采用脈沖 式工作方式乍询。

該方法僅適用于短距離測量铅惋，因?yàn)楣饷舳入S著從發(fā)射端到反射端的距離增加而進(jìn)行 4 次方級(jí)數(shù)的遞減（雙向式吸收）， 大多數(shù) 情況下椰锹，光學(xué)發(fā)射器(投影鏡頭）與圖像接收器（接收相機(jī)）集成在一個(gè)殼體中泪滥。

上述圖表顯示不同距離的三角函數(shù)關(guān)系，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系啰蹲，x - xo 的距離由測得的 x1 - x′o 之間的值決定存站。

掃描頭的基本構(gòu)成

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在逆向工程中的應(yīng)用

逆向工程通常指使用一定的測量手段，對(duì)實(shí)物進(jìn)行測量膛逞，根據(jù)測量數(shù)據(jù)滚曾，通過三維幾何建模方法對(duì)工件的全部輪廓或部分輪廓 進(jìn)行 CAD 數(shù)模重構(gòu)。適用于對(duì)全新設(shè)計(jì)模型或經(jīng)部分修改的工件蟹幔，通過掃描獲取表面區(qū)域三維數(shù)據(jù)并通過簡單步驟轉(zhuǎn)換成 CAD 數(shù)模格式制依。

對(duì)工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格柵化，格柵盡可能細(xì)小精準(zhǔn)惨奕。根據(jù)事先 定義的坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊雪位。

工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)

根據(jù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)格（STL 格式）

工件三角網(wǎng)格 STL 格式

用 CAD 可讀格式將三角網(wǎng)格分割成小塊區(qū)域。

CAD 數(shù)模

完成 CAD 數(shù)模重建

完成 CAD 數(shù)模

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在質(zhì)量控制中的應(yīng)用

質(zhì)量控制領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用目標(biāo)是：準(zhǔn)確獲取工件實(shí)際三維尺寸數(shù)據(jù)梨撞，并將獲取的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)部設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)雹洗，從而確定可 能的偏差范圍。即：將實(shí)際采集/測量獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)（CAD 數(shù)模）進(jìn)行比對(duì)卧波。此量測法亦可用于確定幾何元素的形 位公差时肿。

檢測結(jié)果可用色差圖表顯示庇茫。（或采用傳統(tǒng)接觸式測量法相同的報(bào)告生成法制作報(bào)告）

區(qū)域色差比對(duì)圖

 測量任務(wù) 1：

-完成表面掃描，獲取三維數(shù)據(jù)

-與 CAD 數(shù)模進(jìn)行比對(duì)

-生成色差圖報(bào)告

-計(jì)算間隙缺損或盈余

測量任務(wù) 2：

-完成表面掃描螃成，獲取三維數(shù)據(jù)

- 與 CAD 數(shù)模進(jìn)行比對(duì)

-生成色差圖報(bào)告

-計(jì)算幾何數(shù)據(jù)

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在可視化與虛擬裝配中的應(yīng)用

虛擬裝配建立在采用三維光學(xué)掃描系統(tǒng)對(duì)實(shí)際位置進(jìn)行掃描旦签，確定三維位置（數(shù)據(jù)）基礎(chǔ)上。 例如寸宏，對(duì)汽車內(nèi)飾如駕駛室的坐椅宁炫，方向盤等部件進(jìn)行量測與評(píng)估從而使之符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)要求。 掃描獲得數(shù)據(jù)可輸出至特定軟件以作后繼分析氮凝。

對(duì)汽車內(nèi)飾各部分進(jìn)行單獨(dú)掃描

對(duì)各部分掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬裝配后得到的結(jié)果

三維光學(xué)掃描系統(tǒng)在虛擬裝配與氣密性評(píng)估中的應(yīng)用 虛擬裝配也指對(duì)各部件進(jìn)行虛擬裝配并對(duì)相互間的密封性狀況進(jìn)行評(píng)估羔巢。

通常情況下，各部件在各自的生產(chǎn)基地進(jìn)行掃描（這些生產(chǎn)基地可散布于世界各地）黎蠢，獲取相關(guān)三維數(shù)據(jù)霹早。 對(duì)測得的各部件數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬裝配后，可對(duì)裝配后的部件之間的間隙進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估架看。 采用此方法爬韧，可模擬生產(chǎn)流程，提前對(duì)各部件裝配尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估锦列，無需進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)際裝配工序奏喜。

對(duì)車門區(qū)域的側(cè)圍進(jìn)行掃描掃描車門

掃描車門

得的車門與側(cè)圍（數(shù)據(jù)）進(jìn)行虛擬裝配，評(píng)估兩者之間間隙狀況

結(jié)論

通過以上分析誊预，憑借當(dāng)今業(yè)界各位同仁的洞察力與見識(shí)效益，是時(shí)候考慮用最新的光學(xué)掃描系統(tǒng)替代傳統(tǒng)方法，來提高工作效率寡瘩， 降低投資成本缔道，獲取高精度的測量結(jié)果。

與傳統(tǒng)的接觸式測量設(shè)備（如 CMM 三坐標(biāo)）相比管书，三維光學(xué)掃描設(shè)備可獲取工件全方位三維尺寸享甸，即便工件結(jié)束測量從設(shè)備上 移除，仍可隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)估與分析梳侨。 三維光學(xué)掃描設(shè)備具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全蛉威，數(shù)據(jù)處理速度快，靈活性高的優(yōu)點(diǎn)走哺，是傳統(tǒng)方法無法比擬的蚯嫌。

三維光學(xué)掃描設(shè)備既可快速，準(zhǔn)確地獲取工件表面/曲面三維數(shù)據(jù)亦可進(jìn)行高精度形位公差分析丙躏，具有無可比擬的優(yōu)勢择示。同時(shí)， 三維光學(xué)掃描設(shè)備作為非接觸式測量手段，適用于對(duì)柔性材料進(jìn)行非變形/非接觸式測量栅盲。用三維光學(xué)掃描設(shè)備測量獲得的數(shù)據(jù) 可作為質(zhì)量檢驗(yàn)汪诉，產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)剪菱。

高度人性化/靈活的設(shè)計(jì)摩瞎，使得 ZEISS OPTOTECHNIK 三維光學(xué)掃描系統(tǒng)還可集成于任何移動(dòng)（機(jī)械臂）或固定（支架）的測 量部件上拴签。

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