概要
有時，傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量儀（CMM）測量物體難以做到快速無創(chuàng)，特別是在處理帶孔或脆弱表面時。幸運的是，隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展，我們可以通過改進設(shè)備設(shè)計和軟件功能等方式，解決這些難題。因此，這項技術(shù)可以開始和CMM儀媲美，應(yīng)用于各類部件的檢驗當(dāng)中。
掃描儀類型
桌面式、手持式、遠距LIDAR、專用計量套件
性能參數(shù)
精準(zhǔn)度、速度、靈活度、視角場
應(yīng)用場景
數(shù)字化、質(zhì)量控制、逆向工程、變形分析
何為三維計量
制造領(lǐng)域，質(zhì)量至上。在測量零部件是否符合要求時，制造商往往傾向于對比實際尺寸與原始設(shè)計的差異。消除缺陷通常是采用三維計量解決方案的原因之一，但究竟何為三維計量？
三維計量通常指采集零件表面精準(zhǔn)三維測量值的方式。在自動化工具出現(xiàn)之前，這些分析都需要通過千分尺、高度計等儀器手動進行，直到CMM儀的出現(xiàn)。這些系統(tǒng)能夠加快并簡化測量流程，將觸覺或光學(xué)傳感器安裝于物體表面，邊移動邊采集。
要點
CMM是曾經(jīng)三維計量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但今日的三維掃描儀正在撼動CMM的權(quán)威地位。
CMM能以亞微米級精度測量零件，仍被應(yīng)用于一些要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，包括航空航天和汽車工業(yè)。于是，我們會問：計量級三維掃描儀具備哪些CMM儀不具備的能力？
許多CMM儀使用觸發(fā)式探頭，檢驗零件時，需要觸碰表面。如果要掃描高難度表面或難以觸及的產(chǎn)品，就會嚴(yán)重妨礙結(jié)果的準(zhǔn)確度，一些高難度細節(jié)就必須通過軟件后期添加。接觸零件也會增加損壞風(fēng)險，CMM儀造成刮痕或刮傷的情況確有發(fā)生。
安裝CMM儀時，也有其他問題需要考慮，比如經(jīng)濟成本和空間限制。這些機器不僅有高昂的成本（有時價格高達25萬美元），它們還需要通風(fēng)和減震設(shè)備的支持。若考慮這些間接支出，再加上培訓(xùn)工程師使用先進技術(shù)的費用，CMM儀的整體成本并不低。
此外，還有準(zhǔn)備時間。CMM儀傳感器測頭的固定大小也意味著儀器一次只能采集有限數(shù)量的數(shù)據(jù)。因此，在測量大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，操作員的工作量巨大。例如，之前大英博物館的團隊急需采集400多個瑪雅古跡石膏模型。若使用CMM儀，每個模型需耗時一個多小時，但通過Artec Eva三維掃描儀，每件模型只需不到10分鐘。
正是速度、成本、精度方面的不足，使得三維掃描在三維計量領(lǐng)域嶄露頭角，超過了CMM儀。接下來，我們將深入介紹不同類型的計量型三維掃描儀，包括各自的優(yōu)缺點和應(yīng)用場景。
計量型三維掃描儀類型
盡管似乎顯而易見，但在使用計量型三維掃描儀前，你必須先回答三個問題：“我要掃描的物體有多大？其特征有多復(fù)雜？采集精度需要多高？”
桌面式三維掃描儀
需要高效采集小型復(fù)雜物體？桌面式計量系統(tǒng)或許是理想的選擇。桌面式設(shè)備專門用于生成高精度微型模型，身材小巧但性能強勁，能捕獲表面微小的細節(jié)。
一般而言，這些物體不能超過一拳大小，尺寸過大或許會超出桌面系統(tǒng)的能力范圍。考慮到這點，身材緊湊的三維掃描儀無疑是捕獲微型復(fù)雜物體的理想之選，還能一并測量反光表面。這些設(shè)備通常被用于逆向工程或精密工業(yè)部件質(zhì)量檢驗，包括軸承、葉輪和閥門，無論它們是塑料注塑成型還是三維打印完成。
桌面式三維掃描儀的應(yīng)用場景遠不止于此，還涉及小件珠寶、牙科配件的數(shù)字化，因此應(yīng)用范圍不僅限于工業(yè)案例。
手持式三維掃描儀
正在尋找一款便攜式計量型三維掃描解決方案，能不受束縛，做到真正行動自如？那手持式三維計量型設(shè)備或許就是你要的答案?？焖賿呙璐笾行臀矬w時，這類設(shè)備給予用戶靈活度。若是一款無線三維掃描儀，那優(yōu)勢就更為明顯，因為靈活度越大，掃描高難度表面和復(fù)雜特征時就會變得更容易。
手持式三維掃描儀之所以更具吸引力，另一個重要因素就是普及度高，容易上手。通常，三維掃描儀成本更低，更易使用。例如Artec Leo，你還可以使用其內(nèi)置彩色攝像頭和三維攝像頭在屏幕上實時追蹤掃描進度。因此，手持式白光三維掃描也意味著擁有一段遠離電線、無拘無束采集數(shù)據(jù)的全新體驗。
工業(yè)制造領(lǐng)域的用戶也能通過手持式三維掃描完成流程自動化，應(yīng)用于零件檢驗場景。這類設(shè)備通常被安裝在機械臂上，由AI控制，通過理想掃描路線測量零件批次，提升采集速度，展現(xiàn)精度優(yōu)勢。此外，人工投入降至很低，錯誤率也被降至很低。因此，三維掃描自動化可以助您實現(xiàn)更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。
要點
手持式三維掃描儀在速度、精度、掃描規(guī)模上都有著不錯的表現(xiàn)。此外，此類設(shè)備往往入門成本較低，因此也成為了廣受歡迎的選擇！
機械臂三維掃描儀
提到人工，我們就不得不介紹安裝于機械臂的掃描解決方案。盡管這不屬于獨立的三維激光掃描儀類型，但此種裝置依然呈現(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用自動化的一種有趣方式。機械臂掃描的一個主要優(yōu)勢就是可以減少三維計量過程中的人際互動，因此，產(chǎn)品測量錯誤的概率就更低。若應(yīng)用于生產(chǎn)線，這類解決方案十分善于快速多線程處理，可在采集數(shù)據(jù)的同時分析零件質(zhì)量。
因此，裝置三維掃描儀的機械臂解決了傳統(tǒng)CMM儀進行大量質(zhì)保時任務(wù)時可能出現(xiàn)的難題。但是，將三維計量設(shè)備固定在一個基底上，也就意味著設(shè)備只能在預(yù)定區(qū)域內(nèi)工作。因此，這些裝置需事先做好大量規(guī)劃，我們不建議將這種方式用于靈活度要求較高的案例中。
固定位三維掃描儀
現(xiàn)在，采用一些特定型號的三維激光掃描儀，完全可以搞定一些規(guī)模龐大的物體，包括海上風(fēng)力渦輪機、整個建筑、開闊戶外環(huán)境。
這種時候，很多人會選擇光探測和測距（LIDAR）三維計量設(shè)備，且理由充分。這些三維掃描儀專門設(shè)計成固定點位，可設(shè)置好后自行掃描，無需人工干預(yù)。
該技術(shù)的不足之處在于，處理小規(guī)模項目時，往往手持式掃描儀更合適。此外，進入門檻較高，特別是在數(shù)據(jù)使用方面。因此，建議在使用前，先積累有關(guān)專業(yè)知識。
還有些結(jié)構(gòu)光和紅外掃描解決方案，可固定在三腳架上。盡管它們可以被置于不同高度和距離處采集數(shù)據(jù)，但固定位也就意味著它們?nèi)鄙倭耸殖质讲杉O(shè)備靈活自如的一大優(yōu)勢。
要點
購置計量級三維掃描儀前，需先考慮尺寸和規(guī)模——目標(biāo)物體多大？需要掃描幾件？
如果你想不走尋常路，找一條不同于上述方案的方法，可考慮攝影測量技術(shù)。Artec計量套件等系統(tǒng)的測量精度高達2微米，十分驚艷，能在保持很少誤差的情況下，完成質(zhì)量檢驗和變形分析。也就是說，可以在實操中完成車輛和儲罐等部件幾何變化的高精測量，并分析它們在負(fù)載下的材料變形情況。
套件可單獨使用，也能集成至更大的工業(yè)流程中，也可作為參照工具，實現(xiàn)更高的三維遠距掃描精度。Artec Studio也配備計量套件插件，用戶可以直接在軟件內(nèi)完成整個攝影測量和三維掃描流程。
2023年度優(yōu)質(zhì)計量型三維掃描儀
我們大致總結(jié)了不同類型的計量型三維掃描儀。但具體該選擇哪一型號呢？下面，我們來了解一下三維計量解決方案的優(yōu)勢。
Artec Ray II
首先，我們介紹埃太科遠距三維掃描儀Artec Ray II。這款設(shè)備支持高達130米的遠距掃描，且精度很高。Ray II能生成清晰準(zhǔn)確、細節(jié)豐富的掃描，其捕獲速度高達每秒200萬點。也就是說，在實際操作中，用戶可以為螺旋槳葉或整個工廠等大規(guī)模物體和場景完成數(shù)字化和測量，降低數(shù)據(jù)捕獲的時間，提高投資回報率。
Ray II的速度得到了視覺慣性系的加持，該系統(tǒng)利用特征追蹤和先進算法，能輕松解析設(shè)備所處的三維空間，并完成掃描預(yù)配準(zhǔn)。加上設(shè)備的內(nèi)置顯示屏，用戶可通過數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)實時追蹤掃描進度。因此，這也降低了因遺漏而需返工的可能性。
如有需要，Artec Ray II也可通過平板或智能手機操控，如此一來，就成了可遠程操控的便攜設(shè)備。如需掃描船舶外部，也可將設(shè)備安裝在船舶的高處，操作員站在地面進行操作，無需將電纜接到電腦顯示器，即可追蹤掃描進度。
Artec Micro
Artec Micro與前幾種設(shè)備不同，其掃描精度高達10微米。在實際應(yīng)用中，這款掃描儀非常適合逆向工程或?qū)υO(shè)計復(fù)雜的小型物體進行質(zhì)量檢驗，例如微小的工業(yè)支架、齒輪和軸承。此外，也可用于精美珠寶和牙科模型。設(shè)備自動化程度高，身材小巧，可直接置于普通桌面，也可以輕松集成至現(xiàn)有工作空間。
要點
無論掃描物體大小如何，總能在諸多三維掃描解決方案中找到一款精準(zhǔn)符合您需求的設(shè)備。
Artec Space
Spider
采用藍光技術(shù)的手持式Artec Space Spider和Artec Micro一樣，同樣是為精準(zhǔn)三維掃描而生，但它便攜易帶，意味著應(yīng)用場景更為多樣。例如，Space Spider能捕獲Micro難以處理的龐然大物，同時，藍光技術(shù)也能采集到更多精密細節(jié)，分辨率高達0.1毫米，效果驚人。
Artec計量套件
如需制作高精掃描，進行工業(yè)測量，另一個選擇就是Artec計量套件。該系統(tǒng)采用光學(xué)攝影測量技術(shù)，而非結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)，單點測量精度高達2微米，十分優(yōu)秀。此外，該套件兼容度很高，精度達計量級水準(zhǔn)，是變形分析和大型物體（如渦輪葉片、飛機部件）質(zhì)檢的理想選擇。
要點
三維掃描可以配合攝影測量，完成大型物體的高精度測量。
套件既可以作為獨立方案使用，也可以用作手持式三維掃描儀的參照工具，提高遠距掃描的捕獲精度，特別是在處理大型物體的案例中。事實上，結(jié)合Artec攝影測量和三維掃描儀，可以在15米范圍內(nèi)將精度提升14倍，物體尺寸越大，這種搭配的優(yōu)勢就會被進一步放大。
如何選擇計量型三維掃描儀
如你所見，現(xiàn)在有很多不同的計量型三維儀可供選擇。這就需要我們回答一個問題：我們該如何選擇？市面上并沒有一款萬能的攝影測量、結(jié)構(gòu)光或激光掃描解決方案，所以購買產(chǎn)品之前，需要考慮以下幾個方面。
精度
在上述對2023年度優(yōu)質(zhì)計量型三維掃描儀的詳細介紹中，我們重點關(guān)注了幾款精度高的解決方案。這是有原因的。采集物體主要特征的數(shù)據(jù)點，是完成高效測量的關(guān)鍵。
那選擇掃描儀的過程中該如何考量這一點呢？大多數(shù)設(shè)備都在宣傳中提到其精度達到一定毫米以內(nèi)。該數(shù)據(jù)告訴我們掃描儀的測量可以多么接近于物體的真實尺寸。當(dāng)然，模型不同精度水平會有所不同，但人們普遍認(rèn)為單次掃描精度（相對于體積精度）達到0.1毫米以內(nèi)，才能有效測量或創(chuàng)建物體數(shù)字副本。
至于三維計量，誤差范圍越大，設(shè)備的效果就會越差。在零件檢驗等場景下，數(shù)據(jù)完整度是確保產(chǎn)品與設(shè)計一致的重要因素。
分辨率
考慮購買一臺三維計量型掃描儀時，你還需考慮預(yù)期的細節(jié)程度。掃描帶有深色或反光表面、孔洞或下沉式表面的復(fù)雜部件，難度往往高于造型獨特且密度較高的物體。但只要確保你添置的掃描儀符合一定規(guī)格，就能輕松應(yīng)對這些難題。
其中很重要的一項參數(shù)就是三維分辨率。和掃描圖像分辨率不同，這項參數(shù)指的是三維網(wǎng)格上的兩點間距。若想捕獲全彩紋理，還需關(guān)注“每像素比特數(shù)”，該值越高，彩色捕獲能力就越高。
規(guī)模
三維掃描技術(shù)用戶首先需要考慮他們掃描或測量的物體體積多大，這點似乎顯而易見。例如，利用手持設(shè)備，你可以采集各類大中型物體。在埃太科三維，正是因為高度靈活的特點，無線Artec Leo能讓操作員自由走動，無拘無束，因而一直以來大受歡迎。但是，如果要掃描微型物體或超大型物體、結(jié)構(gòu)，如飛機和樓宇，那就要考慮其他設(shè)備。
那么，我們?nèi)绾闻袛嘁慌_三維掃描儀的掃描能力？設(shè)備的工作距離會告訴你距離捕獲物體應(yīng)相距多遠。究竟是遠好還是近好，一定程度上取決于你的應(yīng)用場景。如果打算從遠處采集景觀或基礎(chǔ)設(shè)施，那遠距LIDAR激光掃描儀會是不錯的選擇。相反，如果你需要在擁擠狹小的空間內(nèi)工作，工作距離較短的手持式掃描儀更為理想。
速度
根據(jù)不同應(yīng)用場景，我們可以對小零件進行大批量三維掃描，也可以對大型結(jié)構(gòu)進行少量掃描。下面，我們來探討一下，在生產(chǎn)線等高吞吐量的場景下進行質(zhì)保工作時，需要考慮哪些三維掃描的有關(guān)參數(shù)。
設(shè)備的數(shù)據(jù)采集速度是需要權(quán)衡的幾大指標(biāo)之一。該參數(shù)通常以“每秒點數(shù)”體現(xiàn)，數(shù)值越高，設(shè)備采集物體表面點數(shù)的速度就越快。
三維掃描儀的視角場，即設(shè)備在給定距離能捕獲的區(qū)域，也會影響你的掃描速度。例如，精度優(yōu)化的Space Spider擅長在180 x 140毫米范圍掃描，Artec Leo為838 × 488毫米，范圍更廣。也就是說，雖然兩臺設(shè)備都能捕獲整體尺寸相同的物體，但前者要比后者花費更長時間。
此外，設(shè)備易用性也會影響產(chǎn)出速度，操控三維掃描儀所需的時間越長，生產(chǎn)率就容易下滑。有一臺靈活的手持設(shè)備，就能輕松繞過你和掃描物體間的障礙物，不影響測量結(jié)果。
移動性
需要關(guān)注的問題是“我需要固定式還是手持式三維掃描儀？”盡管前者更適合大批量的三維掃描或大型物體捕獲（例如大型飛機部件和工廠），但后者也可以通過一些改造來實現(xiàn)。
理論上，成本較低的手持式掃描儀自由度更高，操作人員可以從任何角度采集目標(biāo)物體。但這些設(shè)備可能帶有電纜，實際操作中難以做到完全自如。因此，使用這些設(shè)備時，我們需要考慮附近有無電源，以及待掃描物體的位置。
在汽車行業(yè)，一些用戶需要在裝配車間掃描車輛內(nèi)部，那么這些電線能否繞開座椅和其他障礙物？
像Leo這樣的三維計量解決方案就解決了這一困擾。全無線式設(shè)計，加上內(nèi)置屏幕，用戶可以專注于數(shù)據(jù)點的采集，不用在兩個顯示屏間來回切換關(guān)注掃描進展。
三維計量的使用場景
質(zhì)量保證
計量三維掃描常見的應(yīng)用之一就是零件檢驗。在工業(yè)環(huán)境中，制造商使用這項技術(shù)來驗證終端部件是否符合設(shè)計規(guī)范。該流程對于質(zhì)保（或確保銷售產(chǎn)品的客戶滿意度）十分關(guān)鍵，同時避免出現(xiàn)制造錯誤，而浪費更多的時間和金錢成本。
在航空航天這類監(jiān)管嚴(yán)格的行業(yè)，零部件往往需要滿足嚴(yán)格的耐熱、承重和耐化學(xué)性標(biāo)準(zhǔn)。因此，尺寸不一致可能意味著機器失靈。有了三維掃描，就能避免此類情況的發(fā)生，確保部件符合規(guī)格要求。
逆向工程
利用三維計量解決方案獲得的測量，也能用于逆向工程、數(shù)字化以及部件參數(shù)的調(diào)整，以提升性能。如需一些老舊部件，那么用這樣的數(shù)字化過程就會特別方便，因為這些部件或許因停產(chǎn)而變得價格不菲，有時甚至完全找不到。這時，三維掃描技術(shù)就給制造商帶來了高性價比維修手段，而不用直接淘汰整個設(shè)備。
注意，深色或反光表面以及帶有有機外形的物體，通常來說掃描難度都會更高。但像Artec Studio這樣的軟件包可以自動對齊掃描，還能為用戶提供手動以及自動表面處理工具，因此，這類掃描難題都能輕松化解。
在其他領(lǐng)域，計量三維掃描也能幫助制造商進行故障分析。如果一件產(chǎn)品持續(xù)發(fā)生故障，那有可能是設(shè)計缺陷導(dǎo)致的。為糾正這些缺陷，可能需要使用三維掃描儀為故障產(chǎn)品制作數(shù)字副本，然后修正出現(xiàn)問題的地方。
變形分析
和航空結(jié)構(gòu)一樣，汽車行業(yè)的許多設(shè)計會在負(fù)載下發(fā)生劇烈變形。出于安全考慮，汽車制造商必須分析汽車在連續(xù)使用后的性能變化。但他們?nèi)绾尾拍茉诖_保計量級精度的前提下，快速完成這項任務(wù)呢？
現(xiàn)在許多人使用三維掃描來評估原型設(shè)計的性能狀況，或評估儲罐等部件在使用一段時間后，如何受到不同駕駛條件的影響。和CMM儀不同，這項設(shè)備可以快速裝置完畢。因此，掃描儀可以被安裝在工作的生產(chǎn)線上，分析汽車底盤上的焊接螺柱等部件位置。
此外，在法醫(yī)鑒定領(lǐng)域，三維計量掃描儀能幫助重建交通事故現(xiàn)場，因此也有一席之地。利用這項技術(shù)，Origin Forensics等調(diào)查公司就能創(chuàng)建汽車殘骸的完整三維數(shù)字副本，并用于確定撞擊的方向和程度，以及汽車的安全系統(tǒng)是否達到了預(yù)期效果。
結(jié)論
計量型三維掃描的應(yīng)用范圍可能相當(dāng)廣泛，我們無法全部列舉。但可以確定的是，這項技術(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量提升而言，大有裨益。該技術(shù)主要通過收集精準(zhǔn)三維測量，讓制造商更好地了解終端零件的性能，以及不同表現(xiàn)背后的原因。
在實操中，這些信息不僅能幫助三維掃描用戶加快產(chǎn)品的入市時間，還提供了逆向工程的一種手段以制作停產(chǎn)零部件。
相比于過去的CMM儀等傳統(tǒng)測量方法，速度、規(guī)模、靈活度讓三維掃描技術(shù)輕松勝出，對檢驗與逆向工程領(lǐng)域而言，尤為如此。
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