三维激光扫描仪工作原理及市场应用
- 发布时间：2012/12/5 17:03:55
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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zui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*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zui为*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上争相发展的一种测量技术，也是zui有前途的一种测量技术之一。
1.激光点扫描的精度理论上相对其他来说可以做的zui高。误差几个微米。实际产品也有，目前于国外产品。国内还没有做成产品的，其主要用途是应用于高精度测量，如三座标测量机。而在逆向抄数行业，多数的逆向抄数行业还没有用到。因为其整体配套价格昂贵，但测量速度比三座标接触式打点的测量方式要快。主要应用于大型企业或高精密要求的企业。
2.激光线扫描的精度比点扫描的低。国内的目前可达到0.01mm。如青岛恒准的扫描头系统，校准精度zui高为:0.015mm。（加挂在普通雕刻机）。一般国产同类产品的精度，实际均在0.05mm左右。而且国内目前仍在保持研发和生产激光线扫描仪的单位，已经非常少了。
当然，一般的逆向扫描需求精度也不是非常高，目前而言，国内逆向工程扫描行业多用的是激光线扫描原理的机器。在如手机类等工业产品行业，0.05mm的精度也足够了。但随着工艺及技术水平的发展，及基于该种扫描仪的应用经验。国内逆向工程行业对该种扫描仪的精度的要求也有提高，并对精度的稳定性要求也越来越高。
3.激光照相式（结构光）的三维扫描机，测量范围几米到十几米。国外比较代表性的是ATOS的，一套系统价格百万以上。但目前国内有北京天远等国产的机器出来。对与大面积的扫描。相对来说，其精度也够用。基本上此类产品综合精度在0.1mm左右，如卡车车头、火箭整流罩、列车车头、壁画、等等。该类产品适用于大型产品的快速测量。
4.需要指出的是，前几年在江浙一带许多民营企业用国产悬臂三坐标来测量或对汽车零件抄数。由于国产三坐标价格便宜，十几万左右，测量范围也比较大，1米到2米左右，精度0.05mm--0.1mm左右，也很适合起步阶段的民营企业使用。如汽车内外饰件、塑料件、冲压件等等。但随着汽车产业的升级和技术标准的提高，客户需求无论在测量精度上，测量软件功能上，还是测量效率上，都有了新的提高。
关于国产悬臂三坐标，目前生产厂家也提供悬臂三坐标加挂扫描头系统的配套。国产悬臂三坐标的综合测量精度，相对于拍照扫描仪的精度来说，精度及稳定性相对要高些（这两种产品均适合于大尺寸的扫描），总体价格又相对便宜，而且软件功能也多，所以自2000年以来，该产品在逆向工程行业拥有一定*。
5.目前还有一种情况，即桥式三座标加挂扫描头系统（国产的桥式三坐标也有提供加挂配套），但对于一般产品造型需求来说，其成本太高（几十万）。对逆向工程行业来说，精度又太高。实际上，逆向工程行业的多数产品，并不需求如此高的精度（几个微米）。
6.需要指出的是，关于精度，精度有不同的验收标准，所以数值也会不同。有用线性精度及空间精度表示的，也有单点球体测试表示的。不同的精度验收方法，其zui后给出的数据也*不同，有的会相差十倍。而且，在单位换算方面，如有厂家用毫米表示的，也有的厂家用英寸表示的。所以，只看数据值，会有相当的迷惑性，甚至被无良商人误导。这种情况在三座标行业的销售中也时有发生。
7.zui后，为支持国内逆向工程行业的发展，我们给大家一个好消息是：我们恒准精机面对国内逆向工程行业，推出了价格在10万以内的，测量精度在0.05mm左右的激光线扫描机，测量范围从300mm到1000mm均可以满足。欢迎大家详细咨询。（end）