三維掃描

三維掃描

三維掃描是集光、機、電和計算機技術於一體的高新技術,主要用於對物體空間外形和結構及色彩進行掃描,以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在於能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數位訊號,為實物數位化提供了相當方便快捷的手段。三維掃描技術能實現非接觸測量,且具有速度快、精度高的優點。而且其測量結果能直接與多種軟體接口,這使它在CAD、CAM、CIMS等技術套用日益普及的今天很受歡迎。在已開發國家的製造業中,三維掃瞄器作為一種快速的立體測量設備,因其測量速度快、精度高,非接觸,使用方便等優點而得到越來越多的套用。用三維掃瞄器對手板,樣品、模型進行掃描,可以得到其立體尺寸數據,這些數據能直接與CAD/CAM軟體接口,在CAD系統中可以對數據進行調整、修補、再送到加工中心或快速成型設備上製造,可以極大的縮短產品製造周期。

技術物點

三維掃描技術能實現非接觸測量,且具有速度快、精度高的優點。而且其測量結果能直接與多種軟體接口,這使它在CAD、CAM、CIMS等技術套用日益普及的今天很受歡迎。在已開發國家的製造業中,三維掃瞄器作為一種快速的立體測量設備,因其測量速度快、精度高,非接觸,使用方便等優點而得到越來越多的套用。用三維掃瞄器對手板,樣品、模型進行掃描,可以得到其立體尺寸數據,這些數據能直接與CAD/CAM軟體接口,在CAD系統中可以對數據進行調整、修補、再送到加工中心或快速成型設備上製造,可以極大的縮短產品製造周期。

三維掃描技術按照信息獲取方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩大類:

接觸式使用測頭直接觸碰物體表面,根據測量裝置的空間幾何結構得到測頭的坐標;如傳統的三坐標,精度高,但效率低。

非接觸式主要基於計算機視覺原理,從攝像機拍攝的圖像中獲取目標的三維信息。優勢是速度快,對於三坐標較為困難的曲面,非接觸式相對快許多。目前,隨著消費者對產品外觀的需求,越來越多的人使用非接觸式的三維掃瞄器,而非接觸式三維掃瞄器分為三維雷射掃瞄器,與光學三維掃瞄器。目前生產光學三維掃瞄器的企業很多,為了客觀,能拿國家工信部正式認定的白光三維測量系統行業標準的第一起草單位先臨三維作為舉例。

光學三維掃描

優勢:對於一些複雜表面的物體,容易被損害的物體,光學三維掃瞄器較為合適,如汽車整車,汽車零部件,航空件等等。

目前光學掃瞄器有白光與藍光之分,白光較為主流,而藍光對於一些暗黑物體的掃描較有優勢。

三維掃描技術的發展

1.逐點測量

代表系統有:三坐標測量儀、點雷射測量儀與關節臂掃瞄器等,通過每一次的測量點反映物體表面特徵,優點是精度高,但速度較慢,如果要做逆向工程,只能在測量幾何外形較規則物體上有優勢。

比較適合做工件誤差檢測用。

2.逐線測量

代表系統有:三維台式雷射掃瞄器、三維單光柵掃瞄器與關節臂+雷射掃描頭等。通過一段(一般為幾公分,註:雷射線過長會發散)有效的雷射線(單光柵)照射物體表面,再通過感測器得到物體表面數據信息。

比較適合掃描中小件物體,掃描景深小(一般只有5公分),精度較低。

3.1立體線掃描

代表系統:手持式三維掃瞄器等。通過多組光柵(點)的位移,再同時經過感測器而採集到物體表面的三維數據信息,一次性對物體進行全方位掃描。特點:速度較快,但精度不足。

4.全自動三維掃描

顧明思議,就是自動進行三維掃描,相較於其他的掃描技術,無需過多的人工操作,設備會自動全面的獲取到被掃描物體的三維數據信息。

技術套用

三維掃描技術主要套用於以下幾個方面:

逆向實訓教學室逆向實訓教學室

1. 逆向工程實訓室教學

2. 逆向工程(RE)/快速成型(RP)

3. 掃描實物,建立CAD數據;或是掃描模型,建立用於檢測部件表面的三維數據。

4. 對於不能使用三維CAD數據的部件,建立數據。

5. 競爭對手產品與自己產品的確認與比較,創建資料庫。

6. 使用由RP創建的真實模型,建立和完善產品設計。

7. 有限元分析的數據捕捉。

8. 檢測(CAT)/CAE

9. 生產線質量控制和產品元件的形狀檢測

例如:金屬鑄件和鍛造、加工沖模和澆鑄、塑膠部件(壓塑模、滾塑模、注塑模)、鋼板衝壓、木製品、複合及泡沫產品。

10. 文物的錄入和電子展示

11. 牙齒及畸齒矯正

12. 整容及上頜面手術

掃描設備的種類

拍照式

掃描範圍可達:單面可掃描400×300mm 面積,測量景深一般為300-500mm。

精度最高可達:0.007mm

優點:掃描範圍大、速度快,精細度高,掃描的點雲雜點少,系統內置標誌點自動拼接並自動刪除重複數據,操作簡單,價格較低

關節臂式

掃描範圍可達:3.7米。

精度最高可達:0.016mm。

優點:精度較高,測量範圍理論上可達到無限。

三坐標(固定式)

掃描範圍:為指定型號的工作檯面。

掃描精度最高可達:0.9um

優點: 精度較高,適合測量大尺寸物體,如整車框架。

缺點: 掃描速度慢,需要花費較長時間

雷射跟蹤式

掃描範圍可達:70米。

掃描精度可達:0.003mm

優缺點:精度較高,測量範圍大,可對如建築物這類的大型物體,進行測量,價格較高。

雷射掃描式

掃描範圍:比較低。

優點: 掃描速度快,便攜,方便,適用於對精度要求不高的物體。

缺點:掃描精度較低。

結構光,雷射,三坐標測量原理

結構光掃瞄器原理

光學三維掃描系統是將光柵連續投射到物體表面,攝像頭同步採集圖像,然後對圖像進行計算,並利用相位穩步極線實現兩幅圖像上的三維空間坐標(X、Y、Z),從而實現對物體表面三維輪廓的測量。

雷射掃瞄器原理

由於掃描法系以時間為計算基準,故又稱為時間法。它是一種十分準確、快速且操作簡單的儀器,且可裝置於生產線上,形成邊生產邊檢驗的儀器。雷射掃瞄器的基本結構包含有雷射光源及掃描器、受光感 ( 檢 ) 測器、控制單元等部分。雷射光源為密閉式,較不易受環境的影響,且容易形成光束,目前常採用低功率的可見光雷射,如氦氖雷射、半導體雷射等,而掃描器為旋轉多面棱規或雙面鏡,當光束射入掃描器後,即快速轉動使雷射光反射成一個掃描光束。光束掃描全程中,若有工件即擋住光線,因此可以測知直徑大小。測量前,必須先用兩支已知尺寸的量規作校正,然後所有測量尺寸若介於此兩量規間,可以經電子信號處理後,即可得到待測尺寸。因此,又稱為雷射測規。

三坐標原理

三坐標測量機是由三個互相垂直的運動軸X,Y,Z建立起的一個直角坐標系,測頭的一切運動都在這個坐標系中進行,測頭的運動軌跡由測球中心來表示。測量時,把被測零件凡放在工作檯上,測頭與零件表面接觸,三坐標測量機的檢測系統可以隨時給出測球中心點在坐標系中的精確位置。當測球沿著工件的幾何型面移動時,就可以精確地的計算出被測工件的幾何尺寸,現狀和位置公差等。

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