大型復(fù)雜零件的三維掃描測(cè)量精度研究

孫翀翔

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，三維數(shù)字化技術(shù)逐漸趨于成熟，非接觸式三維掃描技術(shù)在工業(yè)造型的設(shè)計(jì)中被應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，由于利用這種測(cè)量技術(shù)采集出的數(shù)據(jù)往往分布的十分密集，因此通常將其稱為“點(diǎn)云”。其可以將事物的立體信息進(jìn)行獲取后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這樣通過(guò)計(jì)算機(jī)就可以直接進(jìn)行處理，這樣一來(lái)將實(shí)物向數(shù)字化轉(zhuǎn)化就會(huì)更加快捷。本文主要將非接觸式三維掃描系統(tǒng)如何進(jìn)行精確掃描，如何更快速、更高效、更高精度的應(yīng)用于各種數(shù)字化應(yīng)用需求進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：測(cè)量精度;大型復(fù)雜零件;三維掃描;測(cè)量

三維掃描技術(shù)作為一種高新技術(shù)，是集電、光、機(jī)以及計(jì)算機(jī)等各領(lǐng)域技術(shù)于一體的，始于上世紀(jì)十九年代中期，在測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域是一項(xiàng)的新突破[1] 。其主要工作原理為對(duì)實(shí)物的色彩、結(jié)構(gòu)以及空間外形進(jìn)行三維激光掃描，以此來(lái)獲得事物表面的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。采用非接觸式三維掃描儀可以直接對(duì)很多具有復(fù)雜曲面的事物進(jìn)行掃描研究，傳統(tǒng)的掃描過(guò)程中，非常容易由于測(cè)量誤差、儀器誤差以及所測(cè)物體自身誤差等誤差而導(dǎo)致最終測(cè)量的結(jié)果不準(zhǔn)確，一旦測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，就會(huì)導(dǎo)致制造出的工件尺寸不準(zhǔn)確，影響最終的裝配。本文將著手于分析如何分析誤差并提高誤差測(cè)量的精確度，使三維掃描技術(shù)可以向更加低成本、高可操作性以及高精度的方向發(fā)展。

一、非接觸式三維掃描系統(tǒng)的組成

（一）系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

在曲面掃描技術(shù)中，非接觸式三維掃描是其中一個(gè)非常重要的分支，其具有明顯的無(wú)需接觸實(shí)物測(cè)量以及檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)，如今在逆向工程、機(jī)械物體掃描以及虛擬現(xiàn)實(shí)等方面都被廣泛的認(rèn)可及應(yīng)用。三維掃描儀的主要硬件包括：光源、三腳架、標(biāo)定板、工業(yè)相機(jī)、云臺(tái)。本文主要以非接觸式三維掃描儀為例，其主要組成部分包括PC機(jī)一臺(tái)、光源（即投影儀）1個(gè)、工業(yè)相機(jī)1個(gè)、標(biāo)定板1個(gè)。

（二）測(cè)量原理

三維掃描測(cè)量所用原理為光學(xué)三角形法，指的是：在被測(cè)物體表面上通過(guò)具有規(guī)則幾何形狀的激光源進(jìn)行投影，投影后最終會(huì)形成漫反射圖像，而圖像會(huì)在安裝的傳感器上直接進(jìn)行成像，根據(jù)三角形的原理就可以測(cè)出被測(cè)物體中被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)[2] 。

（三）三維掃描的具體流程

三維掃描的具體工作流程為：將投影儀向被測(cè)物體投射光源，這時(shí)工業(yè)相機(jī)經(jīng)過(guò)內(nèi)外參數(shù)的設(shè)置就可以對(duì)其進(jìn)行連續(xù)拍攝，然后再將拍攝過(guò)的圖片直接傳輸給PC機(jī)，PC機(jī)接收到這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后會(huì)直接將格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并保存。

二、影響測(cè)量精度的因素

在采用三維掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，影響最終測(cè)量精度的因素很多，但總體可分為軟件以及硬件兩個(gè)方面[3] 。在軟件方面的影響因素主要有：激光掃描線中心提取的準(zhǔn)確度、光學(xué)成像的參數(shù)的準(zhǔn)確度、物象對(duì)應(yīng)關(guān)系標(biāo)定的準(zhǔn)確度、被測(cè)物面表面的特征情況、以及光平面位置等因素。在硬件方面的影響因素主要有：激光器、CCD攝像機(jī)、機(jī)械動(dòng)力平臺(tái)等，但是如果要從硬件方面著手提高測(cè)量結(jié)果的精確度，一般來(lái)說(shuō)都會(huì)導(dǎo)致成本的增加。

由于掃描后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要通過(guò)模型重構(gòu)或者數(shù)據(jù)處理等操作，因此這一過(guò)程很容易為最終實(shí)物的CAD模型帶來(lái)一定的誤差，其中誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)過(guò)程影響數(shù)據(jù)精度

由于利用非接觸式三維掃描技術(shù)進(jìn)行掃描時(shí)，其測(cè)量出的數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)量非常龐大，如果將所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)云直接構(gòu)建曲面，如此龐大的工作量不僅會(huì)嚴(yán)重消耗計(jì)算機(jī)資源，還會(huì)嚴(yán)重影響最終的數(shù)據(jù)處理進(jìn)度，一般來(lái)說(shuō)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。但這一過(guò)程很可能造成損失部分精度數(shù)據(jù)，因此精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)時(shí)要嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)量，一般規(guī)定精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)不超過(guò)原數(shù)據(jù)的50%。

（二）點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊過(guò)程影響數(shù)據(jù)精度

由于掃描時(shí)一般都需要掃描多個(gè)視圖，最終將所有視圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，因此在通過(guò)專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊時(shí)，很可能由于缺乏足夠的對(duì)齊信息而造成一定的誤差。因此要求在掃描過(guò)程中一定要有足夠的重合數(shù)據(jù)，這樣才可以在軟件進(jìn)行對(duì)齊操作時(shí)提供足夠的對(duì)齊數(shù)據(jù)[4] 。但這并不意味著對(duì)齊所用的定標(biāo)點(diǎn)越多越好，通常情況下只要可以保證數(shù)據(jù)的重合部分有三個(gè)定標(biāo)點(diǎn)就可以，因?yàn)槿c(diǎn)即可確定一個(gè)平面。

（三）擬合曲面或曲線過(guò)程影響數(shù)據(jù)精度

由于所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要擬合成各種曲線或者曲面，因此這一過(guò)程中比較容易出現(xiàn)有不同程度的誤差，這時(shí)需要工作人員對(duì)擬合元素的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此將擬合過(guò)程中造成的誤差控制在允許范圍內(nèi)。

三、三維掃描系統(tǒng)造成誤差的原因及對(duì)策

在掃描的過(guò)程中，由于原理性誤差、掃描操作人員人為引起的誤差、掃描設(shè)備設(shè)置的誤差、以及各種不確定因素都可能引起數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。其中原理性誤差指的是：掃描設(shè)備本身的測(cè)量方法可能就存在一定的局限性，比如像光學(xué)的非接觸式測(cè)量這種測(cè)量方式就很難達(dá)到高精度的測(cè)量水平。人為誤差指的是：由于操作人員的經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致操作過(guò)程出現(xiàn)失誤而引起的誤差。掃描設(shè)備誤差指的是：由于設(shè)備本身也有其制造精度，而且有時(shí)機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間使用，某些零部件可能會(huì)出現(xiàn)老化或者破損等情況，這也會(huì)導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。其他不確定因素指的是：掃描數(shù)據(jù)的精度其實(shí)還受周邊環(huán)境的影響，而這也是造成掃描數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的一個(gè)主要原因。針對(duì)誤差形成的不同情況，采取以下措施可以盡量減少誤差的出現(xiàn)：

測(cè)量時(shí)為了盡量避免當(dāng)時(shí)的環(huán)境光線出現(xiàn)變化可以采用白光進(jìn)行測(cè)量，但是有些測(cè)量?jī)x則建議在光線較暗的環(huán)境下測(cè)量比較好。

如果對(duì)反光比較強(qiáng)的金屬性模型進(jìn)行檢測(cè)，可以在金屬表面噴適當(dāng)?shù)娘@影劑，這樣就可以有效減少金屬表面的反光[5] 。

檢測(cè)過(guò)程中盡量避免區(qū)域內(nèi)有人員走動(dòng)，有些掃描儀為手持型掃描儀，因此對(duì)操作者的綜合素質(zhì)以及掃描技術(shù)要求較高，如果在掃描過(guò)程中出現(xiàn)了不合理的移動(dòng)或者手部出現(xiàn)抖動(dòng)，都會(huì)影響測(cè)量的最終數(shù)據(jù)。因此測(cè)量時(shí)要盡量避免大幅度的移動(dòng)，如果一定要移動(dòng)則需要緩慢勻速的移動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)如今，三維掃描技術(shù)越來(lái)越趨于成熟，其不僅操作非常靈活，而且可運(yùn)用的領(lǐng)域非常廣，測(cè)量出的數(shù)據(jù)精度也非常高。目前，三維掃描系統(tǒng)已經(jīng)在摩托車、汽車、建筑、家電等各行各業(yè)中都獲得了高度認(rèn)可及應(yīng)用，由于三維掃描技術(shù)可以將事物的立體信息進(jìn)行獲取后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這樣通過(guò)計(jì)算機(jī)就可以直接進(jìn)行處理，這樣一來(lái)將實(shí)物向數(shù)字化轉(zhuǎn)化就會(huì)更加快捷。本文通過(guò)介紹掃描儀的原理及造成誤差的原因，對(duì)如何將大型復(fù)雜零件的測(cè)量精度進(jìn)行改善作出了分析。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 鄭鵬，韓雨萌.大型復(fù)雜零件的三維掃描測(cè)量精度研究[J].電大理工，2016，（3）：15-17.

[3] 馮周舟，吳煜斌，牟云英，等.基于三維激光掃描技術(shù)的大型部件測(cè)量精度研究[J].電子世界，2019，（10）：21-23.

[4] 馬寧，姚吉利，賈象陽(yáng)，等.三維激光掃描測(cè)量精度評(píng)定的討論[J].測(cè)繪與空間地理信息，2015，38（11）：120-122，128.

[5] 楊丹，隋心.惡劣環(huán)境下GPS-RTK實(shí)際定位精度測(cè)試[J].遼寧省交通高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2014，16（03）：23-27.

（作者單位：遼寧省交通高等?？茖W(xué)校）