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三坐标测量机常见的非接触式测量和方法(下)

   由于《三坐标测量机常见的非接触式测量和方法》篇幅较长本段为下一部分

  摄影测量套件。高端数码相机,带固定焦距镜头和比例尺。

  摄影测量是使用数码相机完成的。从物体的多个角度拍摄图像,并且基本上将每个像素缝合在一起以基于相关图片中的像素的相对位置形成点云。这些相机可以是非常高端的相机,带有昂贵的固定焦距镜头到手机相机。软件用于组合图像并生成点云。更好的相机/镜头可以产生更准确的图像。较高分辨率的相机可以产生更高分辨率的图像(更多点)。使用一组摄像头对于捕捉有移动倾向或只是更快速捕获数据的人非常有用。在拍摄之前向场景添加比例尺允许校准点云的比例。

  此方法的一个优点是您经常从图像中获取颜色信息,这些信息可用作点云或STL文件的纹理。相对而言,收集的数据分辨率低且准确。然而,对于大型建筑物(建筑物,深坑,大堆矿物或山丘),这不是问题。要获得更高的精度和分辨率,您需要远程激光扫描仪。

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  远程扫描仪现场

  远程激光扫描仪顾名思义意味着从远距离收集点云(通常称为激光雷达)。我们的技术客户通常在AEC市场(建筑,土木工程和建筑)。虽然我们已经为许多其他客户使用远程扫描。最准确的是在一个设置中限制在大约350(1/5英里)1,000(5/8英里)的径向范围内(您将多个扫描结合起来以获得更大的区域)。最快的扫描速度范围为mm,每秒可达到100万点。其他人收集的数据较少,并且精确度在cm范围内。这些扫描仪可以配置并安装在汽车/卡车或飞机上。然而,在地面扫描仪中可以找到最佳精度。每个扫描仪都以球形图案扫描。因此,在极端范围内的点比靠近扫描仪位置的点更稀疏。图6.1显示了这个概念。

  球面和平面激光雷达目标的图像

  每次扫描都通过软件以几种方式连接到其他扫描。可以使用目标,通常是2D目标或3D球体。想法是在每次扫描中使多个目标(理想情况下超过3)与下一次扫描重叠。这有助于建立一个共同的坐标系。由于扫描数据集很大(具有非常多的点数),因此有一台更强大的计算机来帮助处理是明智的。远程扫描的数据往往比短程激光扫描仪更嘈杂。因此,如果您要查看使用远程扫描仪扫描的平面并将其与短程激光扫描仪进行比较,您会发现该平面的散射量较大。

  PCMM上的短程激光扫描仪

  短程激光扫描仪使用不可见光和相机来创建点云。这些通常是线扫描仪(它们扫描许多单独的点)。激光与相机成一定角度,激光被分成许多点,以高速率扫描以产生点云。数量和速率各不相同,但一些典型数字是每行扫描2,000×280/秒扫描频率。每秒更多的点数不一定更好 - 总体准确度是。有时拥有如此多的数据(在我的例子中每秒560k)是一个障碍。点云变得太密集,数据更难以有效处理。但是,这可以通过同时覆盖更大的区域或减少软件中收集的点数来减轻。扫描仪本身的精度通常在0.001“范围内。但是,您必须将其与持有扫描仪的设备耦合。在便携式坐标测量机(PCMM)中,人工操作的测量臂上安装有扫描仪。这些臂具有多个关节,每个关节都具有玻璃编码器,用于计算角度以确定点位置。通常有6-7个编码器用于此目的。固定三坐标测量机(不易移动)通常仅使用3个编码器。因此,连接到固定三坐标测量机的激光器的误差量通常会低得多。固定式和便携式三坐标测量机安装激光器都存在分辨率问题,这可能会也可能不会造成问题。当您将扫描仪移近表面时,点会变得更加靠近,反之亦然。因此,具有轮廓的表面将具有不均匀的点间距。如果在扫描时旋转扫描仪,您还将获得扫描的可变扇形图案。对于准确性而言不是问题,而是点对点间距(分辨率)的问题。移动这些线扫描仪的速度也决定了点对点间距。便携式三坐标测量机激光扫描仪的精度低于固定的基于三坐标测量机的激光扫描仪。

  还有激光扫描仪使用其他方法来对齐点云数据。一个使用安装在手持激光器上的目标,这些目标由设置在一定距离的传感器条读取。这些通常具有比基于臂的激光器和基于固定的三坐标测量机激光器更低的最终精度,但在收集数据时提供更大的灵活性和自由度。

  扫描区域是另一个要考虑的参数。固定基础三坐标测量机的扫描体积完全受限于比测量体积略小的体积。基于臂的PCMM可以扫描无限量的体积,但是扫描中的误差随着每个跳蛙”(便携式臂在大体积的测量之间移动)而增加。使用设置在一定距离处的传感器条的系留手持式激光扫描仪也是有限的,但是可以使其扫描更大的区域(这些区域必须具有到其传感器条的视线)。适合您项目的项目取决于您的具体要求。我们的工程师擅长确定适合该工作的设备。

  蓝光结构光扫描仪

  这种无结构数据采集的结构光方法采用由相机读取的投影光图案。该模式通常从垂直和水平条纹到看起来像旧电视的静态的随机模式。这些图案是静态图像,或者在整个图像中移动/变化,并投影到被测表面上。然后解释拍摄的每个摄像机图像,并从中创建点云子集。然后通过几种不同方式中的一种将每个子集与其他子集对齐。

  贴纸目标

  某些系统使用零件的几何(几何匹配)自动将扫描彼此对齐,以帮助对齐。基本上,他们尝试将新扫描数据最佳地拟合到现有扫描数据,然后迭代对齐直到达到最佳匹配。一些是通过用户在新数据集和现有扫描数据之间挑选计算机上的对应点来辅助的。另一种主要方法是使用编码或未编码的目标来对齐数据。未编码的目标是小贴纸,通常有白色中心和黑色边框。系统知道这些的大小,并且可以计算中心以建立基于对齐的点。一些软件将允许在后期处理期间通过外推贴纸周围的数据(通常不是一个错误的假设)以自动方式填充目标贴纸下面的区域。但是,有些项目不允许与贴纸目标接触,必须使用几何匹配方法。

  如果正在扫描大区域,则可以使用编码(编号)目标来帮助建立未编码目标的框架。我们使用的系统使用摄影测量来完成此任务。具有非常好的固定焦距镜头的高端相机与放置在场景中用于比例的测量伪像相结合。所有编码和未编码的目标都放置在大型物体(例如汽车)周围,并使用相机拍摄它们的图像。该数据被下载到软件中,该软件设置框架以采用较小的扫描部分。然后可以移除编码的目标并拍摄充满未编码目标的场景的图像。这种设置的误差大约等于相对较小(千分之一英寸)的大物体的摄影测量误差。

  您希望每个图像中至少有3(最好是更多)未编码的目标是从对象中获取的。然后,软件将这些最小3个目标缩减为空间中的单个3D点。由于三个3D点足以建立坐标系,因此扫描可以彼此对齐。这与在工具球用于制造夹具时所见的原理相同。更好的夹具有3个工具球,可以建立坐标系。在图像中具有更多未编码的目标是有用的,并且允许更好的平均/最佳拟合数据集。如果某些贴纸从被测物体上脱落,这也是一种很好的做法。它们只是贴纸,有时它们不能很好地粘贴(特别是如果表面是油性或脏的)

  结构光系统收集的原始数据是点云。有些系统在内部处理这些数据,只允许您提取STL。它们进行了一些内部平均,使表面看起来比原始数据更平滑。其他人为您提供原始点云(或仅略微修改过的云)或作为选项提供给您。小心。有些系统会自动创建STL,如果您选择导出点云,它不会为您提供用于创建STL的原始点云,而是根据STL的每个三角形的角创建点云。这些都不一样。大多数软件将点云点替换为用于STL生成的其他平均点。这确实增加了一些错误,但使得点云更平滑,并平均了原始点云中看到的典型模糊

  因为数据是使用相机图像生成的,所以与激光扫描相比,分辨率(每平方英寸的点数)非常密集且规则。由于数据的这种规律性,此数据最适用于复杂的逆向工程项目。有一段时间,结构光的原始设备制造商试图通过更高和更高的百万像素摄像头来超越自己以提高分辨率。大多数情况下,这些极高的百万像素计数是不需要的,并且是计算障碍,并且相应的数据集变得如此之重,以至于只有最强大的计算机才能轻松处理数据。

  白光扫描和蓝光扫描结构光系统是最普遍的类型。其他一些人整合了颜色数据来显示纹理,一个实际上是基于激光数据而不是白色或蓝色光创建的。使用白光扫描的人通常会尝试在扫描期间移除所有环境光。这有助于保持图像中的对比度。有些人甚至将墙壁涂成黑色以防止杂散光侵入扫描过程。蓝光系统使用相机上的滤镜来阻挡所有频率,但它使用的是窄蓝光带。这使得这些系统在很大程度上不受杂散光的影响。我们在非常重的实验室照明中使用我们的蓝光系统而没有问题。我们还有一个手持不太准确的白光系统,似乎相对不受环境光的影响。但是,对于该系统,我们只能提取STL而不是原始点云。因此,系统内部是平滑数据,否则可能看起来不那么好。

  传统的白光结构光系统使用异国情调的灯泡来提供长时间褪色的光源,这降低了数据提取的对比度。较新的系统都使用LED光源。我们最古老的蓝光结构光系统已经运行了大约7年,其LED光源没有问题。

  我发现结构光系统可以非常精确到低精度,这取决于系统设计中的风格和妥协。我们的高端系统非常精确(从大约9微米到60微米的测量不确定度)和手持系统不那么准确(即使它们会宣传高达100微米的精度,也能接近500微米的精度)但非常容易使用和操纵。

  尼康激光雷达

  由于激光雷达(非接触式系统)和激光跟踪仪(接触式系统)有很多共同之处,因此我在这篇非接触式测量系统文章中对此进行了描述。

  激光跟踪器已经存在了一段时间,并且大量用于精确对准大型设备或用于测量大距离分离的大型零件或部件。它们基本上类似于巨型(1.5“球形直径)手动点探针。它们使用SMR(球面安装的后向反射器)一次收集一个点,并且范围大约为120米。SMR是手持式的,反射器始终必须指向安装在三脚架上的基座单元。需要从SMR到三脚架安装的跟踪器的视线。一般来说,精确度非常好,并且在千分之一英寸的范围内。如果您可以限制在跟踪器中使用旋转编码器(通过将跟踪器移动远离被测物体,使其不必转过大角度)

  它们像固定三坐标测量机一样收集点云,但必须像便携式三坐标测量机一样进行人工操作(它们也被认为是)。它们可与基于便携式臂的三坐标测量机结合使用,以在视线限制发挥作用时获得更大的灵活性和准确性。有各种附件可以替代或增加SMR,以允许测量边缘和其他功能。还有一些配件可以模拟手持式传统三坐标测量机探头,用于收集隐藏区域的数据。

  尼康的激光雷达是这项技术即将面临的最佳挑战者。这在技术上是一种非接触式数据采集系统,其范围可达50米。追踪器和激光雷达都是便携式和远程设备。激光雷达避免了保持SMR采集数据的要求,并且是可编程的。尼康最近的营销工作主要针对汽车和车辆的在线检测。但是,该技术有无数的用途。它还具有扫描模式,可以生成相对较大的点云(以每秒2,000点的速度扫描)。精度与激光跟踪器非常相似。广泛接受这项技术的一大障碍是价格。大约400,000美元,是现代跟踪器成本的3!如果价格是当前价格的一半或更低,

  共焦白光距离传感器(CFS)使用非常不同的方式收集点云。它不使用激光或结构光来收集数据,而是使用相当轻的频率(颜色)。它通常由一个光学器件组成,其中聚焦的白光通过并被分成各种频率,这些频率用于判断距离。

  当您通过光学元件发送白光时,频率或颜色并非全部会聚在同一位置的光学元件的另一侧。这是由于不同频率的光通过光学介质的折射率的变化(不同颜色的光通过光学不同地弯曲)。这样做的结果是建立一个垂直的彩虹。当要测量的物体放置在此彩虹的某处时,反射光会通过系统返回并被读出。该光可以具有许多频率的光,这些光通过透镜反射回来,但只有一个会聚焦在部件的表面上,这很容易被系统看到。然后读出该频率,然后可以知道与仪器的绝对距离。

  这种系统的优点在于其能够不受表面镜面反射(认为​​镜面或镀铬表面)或透明度的影响。其他系统(如激光和结构光)需要漫反射表面来反射照相机的光以捕获数据(这些系统中的一些在镜面上比其他系统更好,但所有这些其他系统都受到影响)。因此,使用CFS传感器,我们可以测量镜面加工制品甚至光学元件,无需任何表面处理(粉末或涂料:FOD - 异物碎片)

  我们的CFS扫描仪安装在我们的蔡司多传感器视觉系统上,具有约2.4微米的非常好的测量不确定度。这是一个相对较慢的扫描仪,每秒2,000点。然而,由于它安装在可编程三坐标测量机上,因此可以在一夜之间运行以捕获具有密集点云的较大表面。我们用我们做的一件有趣的事情是捕获一个小的1“损坏的硬币模具的表面,用于逆向工程。数据非常精彩,细节丰富。由于所需的精度和镜面光洁度,这对于激光或结构光是不可能的。