浅谈三维量测的几种方法及其原理

浅谈三维量测的几种方法及其原理

对于扫描外部形貌轮廓的三维扫描仪来说，大体分为两种：接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪。其中接触式多为三坐标测量机，非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪（也称拍照式三维描仪）和激光扫描仪。而光栅三维扫描又有白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。

三维扫描仪通过扫描收集到的这些模型数据具有相当广泛的用途，比如工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等。

三坐标测量机成像原理及其特性

三坐标测量机是由三个互相垂直的运动轴X，Y，Z建立起的一个直角坐标系，测头的一切运动都在这个坐标系中进行，测头的运动轨迹由测球中心来表示。测量时，把被测零件放在工作台上，测头与零件表面接触，三坐标测量机的检测系统可以随时给出测球中心点在坐标系中的精确位置。当测球沿着工件的几何型面移动时，就可以精确地的计算出被测工件的几何尺寸，现状和位置公差等。

优点和局限性

三坐标测量的优点在于精度高，非常适合测量高公差的机加工零件及中小型零部件。同时由于其高精度的特性使得三坐标能够测量的特征多样。

但由于接触式量测的方法，在进行单点测量时，对工件表面特征要求比较严格，对于异形件和大型件等检测难度高，耗时较长。

像许多柔性材料(如橡胶，泡沫等类似的柔性材质因其柔软的材质特征，无法采用接触式测量方法进行量测。而较大尺寸部件测量相当耗时耗力：需要随时根据被测件表面特征进行不同直径的探针更换。根据特定的软件，需要配备相应的复杂而又昂贵的硬件耗材。一旦工件从测量区域取下，很多情况下将无法进一步记录分析测量结果。

三维蓝光测量仪成像原理及其特性

拍照式三维扫描仪是由光栅投影设备及两个工业级的CCD Camera所构成，其原理就如同人类的两双眼睛，藉由光栅投影在待测物面上，并加以粗细变化及位移，配合CCD Camera将所撷取的数位影像透过电脑运算处理，即可得知待测物的3D外型。

而单一笔的量测资料计算出来之后，藉由参考点来定位，经电脑运算后会自动定位回去，简单说就像3D的拼图一般，把一个物件完整的拼凑出来，当整个物件量测完成之后，所有的点群加总后便是真实物体的外形， 再藉由运算产生出STL格式的资料。无论被测物是多么的复杂，均可快速扫描。

手持式主要是是基于拍照式三维扫描仪原有基础上设计的产品，扫描创建物体表面的点云图，这些点可用来插补成物体的表面形状，点云越密集创建的模型更精准，可进行三维重建。

ATOS 5蓝光三维扫描仪

手持式与拍照式优点和局限性

无论是手持式还是拍照式，从根本上说成像原理是相同的。不同处表现在手持式更加便捷，可以扫描大型物体，扫描场景更加自由灵活，但相应的，由于相机像素、镜头大小等原因，手持式的精度相较于拍照式低，具体到品牌及工艺还会有所区分。

而拍照式相对于三坐标而言更加轻便快捷，精度高，在扫描异形件上也更加精准好用，根据自动化程度、软件可以直接输出扫描结果。像是蔡司GOM 的ATOS系列蓝光三维扫描仪，精度甚至可以达到μm级，全自动扫描，操作方便，无需编程，上汽集团各个工厂都采用了GOM 的自动化Scanbox+atos5 应用于白车身的测量。包括MEB平台的ID系列车辆都用这一套系统，先前特斯拉上海超级工厂，在铝压铸一体成型零件上也配置了GOM 的自动化系统。

三坐标测量机 & 三维蓝光扫描仪

对比三坐标，三维蓝光扫描仪最大的不足在于精度不如三坐标测量仪高，但即使如此也能达到μm的级别，完全满足制造业工业生产所需。三坐标测量机无法一次获取工件整体区域的三维数据，无法对部件进行综合的质量评估，而先进的三维扫描仪一次量测获取的数据更全面更充分，更易评估。当然，如果需要μm以上的精度的量测结果，且工件精巧细致高公差，还是需要三坐标测量机进行作业。

此外，对于不熟练的操作人员来说，正确解读三坐标测量结果报告也存在更多的困难，也就是说三坐标测量机的准入门槛高，需要专门培养一位技术人员，而三维扫描仪搭载扫描软件只需轻松学习，即可快速上手进行工作（如 GOM Inspect Pro等）。另外，接触式量测方法测量时间长，同等时间条件下获得的数据量远远少于光学量测法。

蔡司 GOM ATOS 三维扫描仪

数据直观

• ATOS光学扫描系统经过20多年的技术迭代，基本可以做到大部分的工件不用喷涂就能直接扫描。扫描的结果精度高，数据细节清晰。
• GOM的软件支持在DOE阶段同时扫描多件，完毕后在软件里面去进行计算，计算完成就能直接通过彩图形式展现SPC的统计结果。这种结果能方便各部门沟通协作，所有部门都能直观地看懂这些报告。

高解析度与技术优势

• 目前ATOS最高的解析度可以做到1200万像素。如果是小的一些MV则可以做到近0:01的解析度，细小的特征都能扫得非常的清晰。
• ATOS独有的triple scan功能也是它的优势之一。一般的扫描仪需要左右两个相机同时看到才能得到数据。ATOS则采用三角测距的原理，能够做到单眼跟中间的投影构成夹角，能看见就能扫到。
• ATOS扫描得到的数据多且精，特别是在扫描诸如像一些筋位、卡扣、肋条、特征比较复杂的工件的时候，ATOS技术优势会更加的明显。

无需喷涂

• 目前ATOS的蓝光技术已经可以做到大部分以上的工件不用做任何的喷涂处理，直接进行扫描，且扫描结果准确可靠。同一个工件重复扫3-5次，ATOS得到的数据非常的稳定。