大型复杂零件的三维扫描测量精度研究

朱操

摘  要：众多测量仪器，经过我们多方面的实验发现，非接触式三维扫描仪能够更快更准确的获取三维点云数据，然后利用建模软件，加上之前获取的数据，结合多方面因素进行数据的处理，重新建立物体的三维模型，这样一来得到的测量结果具有更精确的测量度，而且测量的速度也有了很大的提高。同时，随着测量技术的不断更新和进步，非接触式三维测量技术也在多行业得到了广泛的应用，但本文仅对扫描工作方面进行了深刻的研究，为了满足高精度高效率的要求，我们做出了很多的实验以及改善。

关键词：复杂型面;三维扫描;扫描误差;改善精度

三维扫描仪是结合多种技术为一体的综合性高新技术，应用也很广泛，主要应用于对物体空间坐标获取的需求，可以准确的扫描成像，提高测量的精确度，获取更为准确的结果，而且高速三维扫描技术和数字化系统的结合，在实际应用中发挥着巨大作用。

一、三维扫描系统组成

以下示意图是三维扫描系统的构成，本文实验中所采用的是非接触式三维扫描仪，主要由工业相机1个、光源1个（投影仪）、标定板1个、以及PC机1台组成，如图1所示。

三维扫描仪的主要硬件有：（a）工业相机;（b）光源;（c）标定板;（d）三脚架;（e）云台，如图2所示。

二、三维激光扫描仪的测量原理

如图3所示，是三维激光扫描测量过程的示意图。过程所表达的是三维激光扫描测量的工作原理，也就是采用了物理学中的光学三角形法：利用具有比较规则的几何形状的激光源，经过光镜投影到被测物体的表面上，然后把形成的漫反射图像再安置于空间某一位置的图像传感器上成像，最后按照三角形的本质原理，就可以测出被测点的空间坐标系数。

三、三维扫描流程

三维扫描的整个过程较为单一，主要流程如下：先是仪器设备的安装摆放，之后投影仪对被测物体投射光源，经过工业相机的内部处理和外部的参数设置后，相机会将连续拍摄的照片传输给电脑，电脑接收到点云数据后进行格式转换并保存。三维扫描流程如图4所示。

四、影响激光扫描测量精度的因素

其实影响激光扫描测量结果的物理因素有很多，但是总的可以汇总为是因为软件方面原因和硬件方面问题。通过一系列的调查可以得出明确的答案，也就是主要原因有机械动平台、ccd摄像机以及激光器等等因素。为了减少影响测量结果的因素，我们也找出了许多解决办法，但是如果只从硬件方面提高测量的精度，又会出现一个问题，更换测量仪器，也就是无形中又增加了设备的成本。然而从软件方面入手，因素也不少，主要有物像对应关系标定、还有激光扫描线中心提取，被测物面表面特征也是其中一个因素，还有光学成像参数和光平面位置等因素，这些都对激光的测量精度完成了一定的影响。

4.1被测物体表面特征对测量精度的影响

我们先对其中一个因素进行了实验，发现被测物体表面的粗糙度、颜色深浅、还有被测物体的合成材质、以及被测物体的倾斜角度影响激光扫描线的成像，这些所提到的因素都是影响测量精度的重要因素。为了进一步得到明确的结果，我们做了真实的实验，最后通过切身的实验发现，对颜色比较浅的物体进行测量所得到的数据偏大，对于颜色较深的物体进行测量时所得到的数据偏小，从而发现，也就是被测物体的表面颜色越深对测量结果的影响越大。

4.2激光扫描线中心提取对测量精度的影响

接下来我们对线激光发生器进行了一定的研究，发现线中心发出的激光有一定发散角，而且线中心所形成的带宽也是不同，不同情况，带宽不同。于是我们又进行深度研究，发现线中心的带宽会随着物面的景深、倾斜角度变化而变化，而且激光扫描线图像的带宽的明暗度也在变化;另一方面，还有一个重要的因素也在影响着测量误差，就是激光发生器发出来的光经过透镜的反应，而且其能量分布也不均匀，便会产生误差。

4.3物像对应关系标定

在进行物像对应关系标定的时候，多多少少会有一些误差存在，主要的误差原因主要是两个方面：一个是平台运动的时候发生的震动，会对结果造成一定的误差;另一方面，是由于物体表面过于粗糙，以及光能分布不均匀，对图像中心线的采集完成了一定程度的影响。这两个原因都给激光扫描测量带来了多多少少的影响，完成数据上的误差。

4.4点云数据处理及模型重构误差

我们经过扫描仪得到的测量结果，也会存在一定的误差，同时也会影响最终CAD模型成型所带来的误差。其主要误差的因素主要有以下几个。

（1）点云数据对齐所带来的误差。因为三维扫描测量所得到的结果，需要进行多组数据的对齐，最后成像，所以如果组数据没对齐，那么最后cad的成像也会有误差。

（2）点数据过于精炼简洁所造成的误差。经常会出现这种，的情况，为了后续处理数据方便，节约时间，对一些庞大的数据会进行简化，所以，就会失去一些原始数据，那么最终的结果也会产生误差。

（3）拟合曲线及曲面所带来的误差。点成线，线成面，所以在由点云数据拟合成各种曲线，再由曲线形成曲面的时候无法避免这样所造成的误差。

总结

通过本文我们可以知道，采用非接触式三维扫描仪进行对物体的测量，不但可以提高测量的精准度，也可以提高测量的速度，而且这种测量方式对于复杂被测物更实用，因为越复杂的物体越存在大的误差，但是非接触式三维扫描仪可以减少误差的发生，也避免了制造出的零件不准确，不能用于装配的情况，所以本文的研究对测量仪的发现，有很大帮助。

参考文献

[1]  韩雨萌.大型复杂零件的三维扫描测量精度研究[D].沈阳工业大学，2017.

[2]  郑鹏，韩雨萌.大型复杂零件的三维扫描测量精度研究[J].电大理工，2016（03）：15-17.

[3]  弓宇.零件多要素三维测量关键技术研究与系统开发[D].机械科学研究总院，2013.

[4]  贾灿灿，赵琴音，吴戈.三维激光扫描技术在矿产资源储量动态监测中的应用[D].辽宁省交通高等专科学校学报，2016年.

课题项目：辽宁省交通高等专科学校技术应用型科研項目“基于摄影定位的三维扫描技术开发”（lnccjyky201910）