3DSS结构光三维扫描仪在产品检测与质量控制方面的应用

3DSS结构光三维扫描仪在产品检测与质量控制方面的应用
3DSS结构光三维扫描仪在产品检测与质量控制方面的应用
目录
1 概述 (3)
2 三维物体形状检测技术的发展现状 (3)
2.1 坐标测量机 (4)
2.2 干涉法 (4)
2.3 数字照相系统 (5)
2.4 计算机断层扫描（CT）技术 (5)
2.5 层切法 (6)
2.6 激光三角法 (6)
2.7 结构光投影法 (7)
2.8 特别指出 (8)
2.9 小结 (8)
3 结构光法所采用的典型的视觉测量方法 (9)
3.1 单目视觉方法 (9)
3.2 双目视觉方法 (9)
3.3 三目视觉方法 (10)
3.4 对比分析 (10)
4 在产品检测和质量控制 (10)
5 实例——涡轮叶片的检测 (12)
5.1 在参考对象上创建基准 (12)
5.1.1 打开文件 (12)
5.1.2 在模型管理器中激活参考对象 (13)
5.1.3 设定对齐的基准 (14)
5.2 在测试对象上自动生成基准 (18)
5.2.1 在测试对象上自动生成相匹配的基准 (18)
5.3 将测试对象与参考对象进行对齐 (19)
5.3.1 使用迭代对齐方式来对齐模型 (19)
5.4 3D比较生成结果模型 (20)
5.4.1 生成一个显示两个模型之间误差的彩色结果模型 (20)
5.5 2D比较生成2D须状图 (21)
5.5.1 生成一个2D比较截面 (21)
5.6 在横截面上测定叶片扭曲 (22)
5.6.1 在模型管理器中选择被分析的截面 (22)
5.6.2 测定叶片在该截面的扭曲量 (23)
5.7 析取横截面的尺寸特征 (24)
5.7.1 在任何你想要测量的位置测定截面 (24)
5.7.2 激活测试对象 (25)
5.7.3 从横截面上析取尺寸 (25)
5.8 编辑定尺寸的横截面 (26)
5.8.1 编辑先前生成的尺寸图 (26)
5.9 生成注解 (27)
5.10 生成报告 (28)
6 Geomagic Qualify自动检验软件 (30)
1概述
检测是保证机械工程质量的基本手段。

机械制造业的发展要求开发新的测量与检测方法，实现高精度、高效率的测量和检测。

检测技术的发展经历了从人力检测、人工检测、电检测到计算机辅助检测阶段。

数十年来，国内外许多专家学者一直致力于检测技术的研究，提出了许多新的检测方法，设计了许多专用的检测仪器，但是这些检测设备一般仅能检测某一种产品，不具有通用性，并且存在检测精度低或检测成本高等问题。

目前，随着CIMS的推广应用，企业在向柔性化、自动化发展的进程中，提出了对计算机辅助质量((CAQ)系统的需求。

计算机辅助检测计划(CAIP)系统己成为CAQ系统的重要组成部分，它的核心问题是解决如何检测零件。

在柔性制造中三坐标测量机((CMM)是重要的检测手段，在制造企业中得到广泛的应用。

然而三坐标测量机存在易于损伤测头、划伤被测
零件的表面、测量速度慢、不易获得连续的坐标点和无法对易碎、易变形的物体进行测量的缺点。

随着柔性制造系统((FMS)的推广，人们对检测系统的智能化、柔性、快速性等方面提出了更高的要求，以适应多品种、小批量生产的需要。

近几年来，扫描设备有了很大发展，测量速度问题已经得到有效解决，这集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点，为实现在线检测提供了良好的硬件条件。

西安交通大学信息机电研究所研制的3DSS结构光扫描仪是一种通过采用面结构光投影法来实现三维物体形状检测与重构的方法。

实验结果表明，该方法具有检测过程完全非接触、数据空间分辨率较高、一次性瞬间获取三维信息等特点，能够快捷、有效地提取出物体形状的三维信息，实现三维物体的形状检测与重构。

2三维物体形状检测技术的发展现状三维检测技术是近十年来蓬勃发展起来的新兴研究领域，常见的三维物体形状检测方法可以分为接触式和非接触式两大类，而检测系统与物体的作用不外乎光、声、机、电等方式，主要的检测方法如图1-1 所示。

下面简要介绍一些具有代表性的检测技术。

图2-1 三维物体形状检测方法
2.1 坐标测量机
坐标测量机作为一种精密的几何测量手段，在工业中得到广泛应用，传统的坐标测量机多采用机械探针等触发式测试头，可以通过编程规划扫描路径进行点位测量，每一次获取得到被测形面上一个点的X，Y，Z 坐标值。

这种测量速度很慢。

九十年代初，英国Renishaw 公司和意大利的DEA 公司等著名的坐标测量机制造商先后研制出新一代力－位移传感器的扫描测量头，该测头可以在工件上进行滑动测量，连续获取表面的坐标信息，其扫描速度最高可达8m/min，数字化速度最高可达500 点/秒，精度也可达30μｍ。

三坐标测量机的特点是测量精度高，对被测物的材质和色泽无特殊要求，对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的零件，CMM 是一种非常有效可靠的三维数字化手段。

但不能对软物体进行精密测量。

三坐标测量仪价格昂贵，对使用环境要求高，测量速度慢，测量数据密度低，测量过程需人工干预，还需要对测量结果进行探头损伤及探头半径补偿，这些不足限制了它在快速反求领域中的应用。

2.2 干涉法光学干涉方法，如经典干涉、全息干涉、散斑干涉，等等，已成为测量变形、形状
和折射率变化等物理量的常用手段。

干涉测量若结合相移(Phase-shifting)技术、外差(Heterodyne)技术，其分辨率分别可提高至1/100与1 /1000条纹，甚至1/10,000条纹。

数字阵列探测器的出现和计算机技术的发展为相移技术的发展创造了条件，但是以推动压电陶瓷(PZT)为代表的硬件相移技术会引入较大误差已有学者正在开展基于改变激光光源波长的波长相移技术研究.干涉测量所能实现的可测深度与物面宽度是极其有限的;并且，其测量系统的稳定性会受到湿度、温度、气压等环境因素的极大影响
2.3 数字照相系统
相当长的一段时间，许多三维非接触测量工作都涉及到被动式三角测量式，三维信息的获取是基于图像分析的方法，主要应用领域是航空测量、卫星遥感、机器人视觉等。

军事方面的三维场景分析也对被动法有较大的需求，因为这种场合下采用主动式测量是不现实的。

典型的被动法是立体视差（SteroDisparity）法，所谓视差就是物体表
面同一个点在左右图像中成像点的位置差异，根据左右图像成像点位置就可解算出物体上对应点的空间坐标。

由于近年来在半导体光电器件方面有较大突破，使得生产高分辨率的数字照相系统成为可能，目前已能生产出千万像素的数码像机，高分辨率数码相机已被用于三维测量中。

这种测量方法的主要问题是多幅图像上同名点的搜索及自动匹配较为困难，通常求取同名点的方法有：
①依据被测物体上的人工的或固有的特征点（角点，局部灰度极值点等）在各个视角
方向的图像中形态的相似性进行匹配；
②②利用窗口或模板求对应点。

2.4 计算机断层扫描（CT）技术
计算机断层扫描（CT）技术最具代表的是基于X 射线的CT 扫描机，它是以测量物体对X 射线的衰减系数为基础，用数学方法经过计算机处理而重建断层图像，这种方法最早应用于医疗领域，目前已经开始用于工业领域（即所谓“工业CT”），特别针对中空物体的无损三维测量。

这种方法是目前最先进的非接触式的检测方法，它可对物体的内部形状、壁厚，尤其是内部构造进行测量，但它存在空间分辨率较低，获得数据需要较长的积分时间，
重建图像计算量大、造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓等缺点。

2.5 层切法
层切图像法可用于测量物体截面轮廓的几何尺寸，其工作过程为：将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完全封装，待树脂固化后，把它装夹到铣床上，进行微吃刀量平面铣削，结果得到包含有零件与树脂材料的截面，然后由数控铣床控制工作台移动到CCD 摄像机下，位置传感器向计算机发出信号，计算机收到信号后，触发图像
采集系统驱动CCD 摄像机对当前截面进行采样、量化，从而得到三维离散数字图像。

由于封装材料与零件截面存在明显边界，利用滤波、边缘提取、纹理分析、二值化等数字
图像处理技术进行边界轮廓提取，就能得到边界轮廓图像。

通过物—像坐标关系的标定，并对此轮廓图像进行边界跟踪，便可获得物体该截面上各轮廓点的坐标值。

每次图像摄取与处理完成后，再使数控铣床把待测物铣去很薄一层（如0.1mm），又得到一个新的横截面，并重复前述的操作过程，就可以得到物体上相邻很小距离的每一截面轮廓的位置坐标。

层切法可对有孔及内腔的物体进行测量，不足之处是这种测量是破坏性不可逆的过程。

2.6 激光三角法
激光三角法(laser triangulation)以传统的三角法为基础，由于三维形面对结构照明光束的空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了成像光点在检测器阵列上的位置，通过对成像光点位置的确定，结合系统光路的几何参数可计算出距离。

大多数三维面形测量仪都派生于三角测量原理。

随着激光技术的发展，激光三角形法逐渐得到广泛应用。

它的基本原理是根据发送光与接受光之间的三角关系进行测量，光束(主要为激光)经过一个或多个旋转镜头形成光条来扫描被测物体表面，通过接受返回的信息计算出三维坐标值.一般测量范围为±5到±250mm，相对精度约为1:10,000，测量频率达40kHZ或更高。

接受器件常用电荷藕合器件(Charged Couple Device, CCD)或者位置敏感探测器(Position Sensitive Detector, PSD )。

由于原理简单，测量速度快，精度高的优点，不少
公司已经研发出成熟的商用产品。

它的缺点是对物体表面特性和反射率有限制，如垂直壁表面、镜面反射表面、暗而无光的表面、透明或半透明材料都难以测量;复杂面形测量时还会出现遮挡情况;远距离测量被测物时测量的精度不高。

2.7 结构光投影法
结构光投影法是80 年代发展起来的直接获取三维图像的方法，其基本思想是利用结构光投影的几何信息来求得物体的三维信息，通过向物体投射各种结构光（如点、线、空间符号结构光等），在不同于投影光轴的方向观察，利用投影点、观察点及物体的三角关系获取物体的三维信息。

点结构光投影法是最早发展起来的，通过分别向物体不同位置的点投影单束光，计算出物体上所有检测点的三维坐标，获取物体的整体三维图像。

由于点结构光投影法属于点检测方法，测量时间长，数据空间分辨率低，现在已很少把其作为一种实用方法。

图2-2 线结构光投影法组成原理图
线结构光投影法是结构光投影法中具有代表性的一种方法，其基本原理如图1-2 所示。

在室内条件下，穿过狭缝的一个光平面，投影到物体上形成一条畸变亮条纹。

通过旋转体的步进旋转，光平面依次扫描过物体的表面，摄像机拍摄到一系列物体的结构光图像，从而获取物体表面形状的三维信息。

有关文献指出，目前日本已有线结构光投影的专用图像存储处理器，可以在很大程度上缩减测量的时间。

在线结构光投影法基础上，提出了一种新的结构光投影法，即面结构光投影法：向物体投影各种模式的面结构光，当基准结构光投影到目标物时，若从不同于投影光轴方向的观测点来看，基准结构光条纹随着物体表面形状的凹凸变化而发生畸变，由于这种畸变是投影的基准结构光条纹受物体表面形状的调制所致，因此包含了物体表面形状的三
维信息。

由于面结构光投影法是一次性瞬间投影获取被测物体表面形状的三维信息，并且与线结构光投影法相比具有准确、快捷、数据空间分辨率高等特点，因此，它代表了结构光投影法进一步研究的方向。

2.8 特别指出
需要指出的是“盲区”问题是光学三角测量的共性问题，激光扫描法或结构光投影法及立体视差法都无法回避。

根据双目视觉互补及
光线的可逆性原理，引入双CCD 对称摆放测量方案或多视测量，能够在较大程度上消除测量“盲区”，但对物体的内腔测量仍无能为力。

2.9 小结
表2-1 各种测量方法的比较
通过对比分析可知结构光投影法具有精度高、速度快、数据空间分辨率高、价格低廉、适用范围广等特点，因此结构光投影法将获得巨大的应用空间。

3DSS结构光扫描仪采用的就是结构光投影法。

3结构光法所采用的典型的视觉测量方法
根据摄像机的数量结构光法采用的视觉测量方法主要可以分为双目视觉、三目视觉、单目视觉等方法。

3.1 单目视觉方法
单目视觉方法只采用一个摄像机，不仅结构简单，相应的对摄像
机的标定也较为容易，同时避免了双目视觉中立体匹配的困难。

单目视觉方法又可以分为聚焦法和离焦法：聚焦法使摄像机相对于被测点处于聚焦位置，然后根据透镜成像公式可求得被测点相对于摄像机的距离。

由于摄像机偏离聚焦位置会带来测量误差，寻求精确的聚焦位置是关键所在；
离焦法不要求摄像机相对于被测点处于聚焦位置，而是根据标定出的离焦模型计算被测点相对于摄像机的距离。

这就避免了由于寻求精确的聚焦位置而降低测量效率的问题，但离焦模型的准确标定是该方法的主要难点。

3.2 双目视觉方法
双目视觉方法是人类获取距离信息的主要方式。

其测量的基本原理是用两个摄像机从不同位置对物体摄像，通过对采集的立体像对提取和匹配需要测量的特征点，求出特征点在两个图像平面的坐标，再利用成像公式计算出测量点的三维空间坐标。

3DSS结构光扫描仪测量系统通过两台分辨率为130万像素的摄像机对被测物同时拍摄，得到物体的数字图像，经计算机图像处理后得到精确的空间坐标。

系统在近距离范围内它的测量精度达到0.03mm。

这种方法的优点是系统原理简单，测量速度快，操作灵活，对现场环境无任何要求，尤其在有毒、有害的环境下，是一种非常有推广价值的工业测量系
统。

3.3 三目视觉方法
为了增加几何约束条件，降低双目匹配的难度，自1986 年以来出现了三目立体视觉系统，即采用三个摄像机同时摄取空间景物，通过利用第三目图像提供的信息来消除匹配的歧义性。

但是，三目视觉方法结构复杂，增加了测量误差，降低了测量效率，所以在实际测量中应用较少。

3.4 对比分析
通过分析以上几种典型的视觉测量方法可知：双目立体视觉是计算机视觉测量方法中最重要的距离感知技术，它直接模拟了人类视觉处理景物的方式，可以在多种条件下灵活地测量景物的立体信息，其
作用是其它计算机视觉方法所不能取代的，因此在工程应用中具有十分重要的意义。

4在产品检测和质量控制
三维扫描仪的精确扫描技术，在各种后续处理软件中（比如：Geomagic Qualify计算机辅助测量软件）可以标出被测物体的每一处误差。

测量获得的点云与原有的CAD 模型对齐后进行比较，可以快速直观的显示细节误差。

图4-1产品检测和质量控制方法
为适用高精密测量的需求而设计的三维测量仪器，通过简单的测量不仅能进行产品尺寸检查、形状比较检查，还能对新产品的迅速设计以及现有设计的修改进行处理。

图4-2 手机三维测量
图4-3 叶片三维测量
5 实例——涡轮叶片的检测
利用线对象基准和点对象基准将涡轮叶片的测试模型（即扫描得到的数据点）与参考模型对齐。

使用叶片横截面分析指令来析取螺旋桨交叉断面的关键特征。

在任何给定的断面高度上测定叶片的扭曲。

5.1 在参考对象上创建基准
5.1.1 打开文件
a. 打开文件点击File>Open 或者点击Open File 图标。

b. 在文件的保存目录下选择turbine_blade.wrp 文件。

c. 点击Open 。

模型将会在视图区域中显示出来。

图1视图区域中的CAD模型和扫描数据
5.1.2在模型管理器中激活参考对象
a. 点击Model Manger列表使模型对象可供选择。

b. 用指针选择REF-Turbine_Blade-CAD金黄色的参考模型将会在视图区域中
显示出来。

三个基准平面已经被预先设定并随着模型被保存。

这些预先设定
的基准将会被用于构建六个对象基准。

注意：参考模型可以是CAD对象或者是多边形对象。

图2视图区域的CAD模型
5.1.3设定对齐的基准
对于正常的六点对齐方式来说这个特殊的叶片需要四个线对象基准和两个点对象基准。

a. 点击Tools>Datums>Create Datums，或者直接点击操作工具栏的图标。

b. 在Datum Type下面,点击Line Target.
c. 在Line Target Method下面,点击Plane/Direction.
d. 在Section Plane的下拉菜单中选择预定义基准标签Plane Z=12.5。

注意：这个平面平行于XY平面，Z方向的高度是12.5英寸。

e. 在Contact Vector的下拉菜单中选择X Axis。

f. 点击Apply按钮。

一个绿色的线对象基准被创建，该线对象基准与模型表面
相切，与x 轴正交并且在平行于XY平面Z方向的高度是12.5英寸的平面上。

该基准的位置和方向在局部图中被示范设定。

g.. 点击Next 来保存这个基准然后构建其它的基准。

图3第一个线对象
h. 改变Contact Vector.在其下拉菜单选择预定义的Plane XZ Rot10deg Normal. 注意：这个预定义的平面在平行于XZ平面然后绕Z轴旋转10度的位置被创建。

i. 点击Apply按钮。

一个绿色的线对象基准被创建，该线对象基准与模型表面
相切，与XZ Rot10deg平面的法线正交并且在平行于XY平面Z 方向的高度是12.5英寸的平面上。

j. 点击Next 来保存这个基准然后构建其它的基准。

图4第二个线对象
k. 改变Section Plane . 在其下拉菜单选择Plane Z=14.5.
l. 保持Contact Vector的设置为Plane XZ Rot10deg Normal.
m点击Apply按钮。

一个绿色的线对象基准被创建，该线对象基准与模型表
面相切，与XZ Rot10deg平面的法线正交并且在平行于XY平面Z方向的高
度是14.5英寸的平面上。

n. 点击Next 来保存这个基准然后构建其它的基准。

o. 保持Section Plane的设置为Plane Z=14.5.
p. 设置Contact Vector为X Axis.
q. 点击Apply按钮。

一个绿色的线对象基准被创建，该线对象基准与模型表面相切，与X轴正交并且在平行于XY平面Z方向的高度是14.5英寸的平面上。

r. 点击Next 来保存这个基准然后构建其它的基准。

s. 选择Tools>Datums>T oggle Datum Planes,或者在屏幕顶部的工具栏中选择
Toggle Datum Planes图标。

这时你的屏幕上将呈现被设定四个线对象基准的页
底图像。

图5四个线对象基准
t. 在Datum Type下面选择Point Target.
u. 在X,Y,Z后面的方框内相应的位置输入：0.750，-0.050，12.500。

v. 点击Apply.一个半径为0.005英寸的对象点将在模型上被创建。

如果对得到的点不满意可以改变半径再一次点击Apply使其更新。

w. 点击Next 来保存这个基准然后构建其它的基准。

x. 在X,Y,Z后面的方框内相应的位置输入：0.750，0.500，12.000。

y. 点击Apply.
z. 点击OK退出命令。

图6创建基准之后
.
5.2 在测试对象上自动生成基准
5.2.1在测试对象上自动生成相匹配的基准
a. 点击Tools>Auto Create Datums/Features或者点击操作工具栏的图标。

b. 选定Perform Correspondence Alignment(Best -Fit)，不要选Check Symmetry 和
Fine Adjustments Only。

c. 点击Apply.几分钟之后，在参考对象上手动设定的所有六个基准将会在测试
对象上自动被生成。

d. 点击Done退出命令。

图7自动生成基准之后
5.3 将测试对象与参考对象进行对齐
5.3.1使用迭代对齐方式来对齐模型
a. 点击Tools>Alignment>RPS Alignment或者点击图标。

b. 点击Auto 按钮来自动生成匹配名称的基准对。

这个Auto 按钮也会自动地
限制每个基准对仅在基准的法线方向上对齐。

c. 点击Align按钮开始迭代对齐。

几分钟之后，Statistics对话框将会被更新
并将显示六个基准队的每一个都为0偏移。

此时两个模型被对齐。

这种对齐
方式模仿了在实物工作夹具上用四个靠杆和两个销钉放置叶片的对齐方式。

d. 点击OK退出命令。