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[仪器科学] 三维扫描仪的发展和类别

[仪器科学] 三维扫描仪的发展和类别

三维扫描仪三维扫描仪产生于上个世纪七八十年代。到现在已经有几十年的历史,其产品的种类也越来越丰富。迄今为止,三维扫描技术也越发成熟。三维扫描仪已经从最早的第一代点测量扫描仪发展到如今的第三代面扫描扫描仪。发展之路可谓波澜起伏。

       最早的第一代扫描仪可以称之为:激光点式扫描仪,主要有三坐标测量仪、点激光测量仪与关节臂扫描仪等,通过每一次的测量点反映物体表面特征,优点是精度高,但速度较慢,如果要做逆向工程,只能在测量几何外形较规则物体上有优势。 比较适合做工件误差检测用。基本特征:光源为激光,在扫描时看到一个红色的点在物体表面,只能逐点摄取三维数据,有点拼接面,由面拼接至立体。这类三维扫描仪出现的时间最早,是三维扫描仪从无到有的飞跃。其代表产品,罗兰。

       第二代扫描仪为激光线三维扫描仪,其代表有三维台式激光扫描仪、三维单光栅扫描仪与关节臂+激光扫描头等。通过一段(一般为几公分,注:激光线过长会发散)有效的激光线(单光栅)照射物体表面,再通过传感器得到物体表面数据信息。

       基本特征:同样也是光源为激光,扫描点数,每秒在10万点左右。在扫描时看到一条红色的线或者十字架在物体表面,每次摄取这条线上的三维数据,拼接成面进一步至立体。其代表产品为柯尼卡美能达,handyscan。

       这类产品以其便携,轻巧受用户欢迎。然而,由于激光线扫描原理所决定的,要扫描一个物体必须由线到面由面到立体经过数万次拼接,其精度的损失是难以预估。因此,就精度这个指标来说同第三代扫描仪是不可相提并论的。比较适合扫描中小件物体扫描。第三代扫描仪也就是目前所通用的立体式扫描仪或者光光栅三维扫描仪,已经现世的有三维扫描仪(拍照式、光栅式扫描仪),三维摄影测量系统等。

       基本特征:白光为光源,对人体完全无害,每秒最低80万点,最高可达800万点。在扫描时,扫描头内部的光栅机发出光栅,投影到物体表面。每次扫描都是一个面,由面拼接成立体,扫描一个物体需要几次,最多200次拼接(扫描整车)。基于标记点拼接或者特征拼接,可以得到物体360度各个方位的数据。

       此类产品以其高精度以及大工作量受到用户的欢迎。但是其便携性不如手持式激光扫描仪。另外,关于三维扫描仪的精确度,至今国内尚无标准。国际上认知度最高的一个标准是德国的VDI2634 标准。不同类型的扫描仪不在同一标准下制定的精确度是无法直接对比的。然而主流白光三维扫描仪都是按照德国VDI2634标准来确定精度的,不同品牌的扫描仪也可以进行比较。

       星上维智能科技,自主研发的星上维手持式扫描仪和高精度扫描仪就是属于此中的代表。而目前常用的三维扫描仪根据传感方式的不同,又已经细分为接触式和非接触式两种。


触式三维扫描仪


       接触式的采用探测头直接接触物体表面,通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字面形信息,从而实现对物体面形的扫描和测量,主要以三坐标测量机为代表。

优点:
1、接触式测量具有较高的准确性和可靠性;
2、配合测量软件,可快速准确地测量出物体的基本几何形状,如面,圆,圆柱,圆锥,圆球等。

缺点:


1 测量费用较高; 2 探头易磨损;  
3 并要求操作人员有较高的相关测量技能;  
4 测量速度较慢,同时拥有相当高的精度,一般用于产品检测方面,也可用于逆向造型等方面;  
5 由于测量原理所限,检测一些内部元件有先天的限制,故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿,因此可能会导致修正误差的问题;  
6 接触探头在测量时,接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数;  
7 由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象,趋近速度会产生动态误差;  
8 常见于各类工业制造企业,是目前应用范围最关的三维扫描设备;   
9 同时价格也最为高昂,且需要要求比较严格的设备保养。


非接触式三维扫描仪


       随着计算机机器视觉这一新兴学科的兴起和发展,用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量已成为一种趋势。这种非接触式测量,目前的精度仅仅限于不仅避免了接触测量中需要对测头半径加以补偿所带来的麻烦,而且可以实现对各类表面进行高速三维扫描。 目前,非接触式三维扫描仪很多,根据传感方法不同,常用的有基于激光扫描测量、结构光扫描测量和工业CT等的,分别代表市面上主流的三维激光扫描仪,照相式三维扫描仪或称光学三维扫描仪、机构光三维扫描仪,和CT断层扫描仪等。  采用非接触式三维扫描仪因其接触性,对物体表面不会有损伤,同时相比接触式的具有速度快,容易操作等特征,三维激光扫描仪可以达到5000-10000点/秒的速度,而照相式三维扫描仪则采用面光,速度更是达到几秒钟百万个测量点,应用与实时扫描,工业检测具有很好的优势。

       三维扫描仪按照其原理又可以分为2类,一种是“照相式”,一种是“激光式”,两者都是非接触式,也就是说,在扫描的时候,这两种设备均不需要与被测物体接触。  “激光式”扫描仪属于较早的产品,由扫描仪发出一束激光光带,光带照射到被测物体上并在被测物体上移动时,就可以采集出物体的实际形状。“激光式”扫描仪一般要配备关节臂,也可在龙门等等机构配合使用;关节臂与龙门也需要定期维护保养,精度低于接触式的设备,一般性能优良的设备可达到微米精度级别。

       “照相式”扫描仪是针对工业产品涉及领域的新一代扫描仪,与传统的激光扫描仪和三座标测量系统比较,其测量速度提高了数十倍。由于有效的控制了整合误差,整体测量精度也大大提高。其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面,借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照,利用光学拍照定位技术和光栅测量原理,可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术使扫描不需要借助于机床的驱动,扫描范围可达12M,而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于汽车制造业中的产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制,甚至可实现直接加工。一般精度与激光扫描设备相似,在几十微米到几微米之间。

       主流3D扫描仪国内市场,星上维科研团队开发的一款高精度扫描仪其扫描精度已经高达0.01mm,单幅扫描只需要1-3秒的时间,扫描范围更是可以调控,实为市场顶级扫描仪之一。其他还有诸如天远三维,先临三维和华朗三维等,都是市场的佼佼者。
原文摘自:http://www.dimenstar.com


整体测量精度大大提高


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