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用带状激光扫描采集三维曲面数据

2018-07-20 00:00550

        Descam 3D技术公司的创办人和企业负责人Sigmund Scriba先生回忆说:“1997年我们便开始销售激光扫描系统——ModelMaker,市场拓展及市场宣传还是非常必要的。以前许多人对手动扫描仪都持有怀疑态度。” Descam 3D技术公司是地处德国慕尼黑附近的奥伯哈兴市的系统公司,专门从事三维曲面形状采集方面的交钥匙项目,几年来一直在德语地区进行推销。属于这种交钥匙解决方案的还有英国三维扫描仪(3D Scanners)制造厂的激光扫描系统ModelMaker。三维扫描仪制造厂连同英国的测量机专家LK公司同时在前两年被比利时的Metris公司兼并。三维扫描仪制造厂曾经是第一个把带状激光传感器及专门为当时还属于十分新颖的测量臂配套的软件投放市场的厂家。这种手动测量臂其实只不过是一台可携带的三维测量机而已,通过其6个或7个坐标轴和各种不同类型的测头进行接触式测量。Faro公司和CimCore公司的产品是这类产品中最为著名的有代表性德产品。
        
        三角形测量原理
        事实上,ModelMaker激光扫描系统的工作方式在原理上是比较简单的。“我们采用7轴测量臂作为位置传感器(定位探测器—Localizer),以便来连续地确定激光传感器的空间绝对坐标,”Scriba先生在解释激光扫描系统的功能时说到。为此,激光扫描仪通过手动简单地沿着所要采集数据的物体移动,在采集操作过程中,投射并经被测物体表面反射出来的激光光带由装入的CCD摄像机接收,并按此方式测出(三角形测量法)被扫描物体表面的相对距离,然后,由测量臂数据一同得出在一个所设定坐标系统中的扫描数据。当然,激光扫描系统只有在事先定义了坐标系统后才能正常运行。如果采用测头来承担这类工作,同样要由系统来支持。此外,利用这种激光扫描系统也可用来测量一般几何形状的表面,或产生三维多边形几何模型。
        利用笔记本电脑可以立即显示所采集到的表面(在电脑上还要运行ModelMaker所必要的软件——Kube)。这样,人们就可以纵观整个扫描过程,即可以看到哪些部位已经进行了扫描,哪些部位还没有扫描。此时软件Kube控制和监控整个扫描过程,控制和监控触发式触头采集一般的几何形状以及定义坐标系统。Kube还掌管着过滤点云,产生和优化三角网格、分割网格、CAD模型的比较,以及输出各种不同的文件格式,这样,人们可以不必购置其他附加的软件。
        可以提供三种带有不同激光光带宽度(35mm、70mm和140mm)的传感器,因此,对于相同规格的传感器,激光光带有各为0.025mm、0.05mm和0.1mm不同的最小光点密度。
        现在ModelMaker是第六代产品,在2006年年底又公布了结构系列D。较宽的光带宽度可以以较快的速度进行数据采集,信号处理完全是数字的,传感器壳体分为两部分。迄今为止,所采用的接口逻辑单元已经被以太网接口所代替。

        从汽车车身到重要覆盖件
        目前,采用诸如ModelMaker系统可以做些什么?“可以将手动激光扫描仪很好地应用于那些例如需要快速和精确获取用于表达许许多多自由曲面的物体三维数据的地方,”Sigmund Scriba先生说到。作为一些实例,他列举了样机、手工制作的模型,还有需要把几何数据归档的或者需要进行复制的现有物体。例如孔、圆柱体或锥面等几何形状,Descam公司建议首先是通过基于触觉的测头来测量这些几何形状。基本可以说,几乎任何一个物体都可以用数字来表达。无论是汽车车身、模具、铸造模、玩具、鞋、浴缸,还是涡轮叶片,三维扫描仪的应用范围很广,而且将会变得越来越广泛,例如在医疗技术和移植这些领域,也将得到应用。
        此外,工艺流程中的其中一步是所谓的逆向工程。即借助于所获取到的三维数据可生成CAD模型,该CAD模型可以用作首次样品,进行结构空间分析或设计模型,进而与实际模型进行比较。当然,按此方式也可迅速地从已经存在,但没有CAD数据,以及要进行更新或要进行仿制的物体生成供铣床所用的NC数据。在重构平面和扫描数据的优化时,Descam公司建议采用美国软件供应商Geomagic公司的产品,而且Descam公司对这些产品的使用提供培训。Descam公司强烈推荐这些产品,是因为程序确实相当复杂,如果不经过事先培训,操作起来确实比较困难。

        对光亮和透明平面的扫描
        然而,并不是所有的物体都可以毫无问题地进行扫描。“难以处理的地方是涉及光亮或透明的平面,”Scriba先生解释道。因为激光穿过透明的平面时,其表面没有产生反射。对于光亮的平面,激光光带强烈地聚焦,并以狭长的光束进行反射。只有当摄像机精确地处在反射的方向上,平面才能被采集。庆幸的是,ModelMaker的开发人员已经清醒的认识到了这些问题,为次,他们对激光扫描系统进行了一再地改进和优化。由于扩大了的传感器参数和适应的激光器功率,使其自动地适应所要扫描的表面,所以,在这方面取得了较大的进步。此外,较深、较窄的型腔进行扫描还是存在着问题,由于较深、较窄的型腔切断了反射,只能在上面的范围内进行数据的采集。“当然,激光光带和摄像机之间的角度越尖,那么通过传感器对型腔深处可采集到的数据就越多,”Sigmund Scriba先生提示说。在正常情况下,模具和样件制造是不会有其它限制条件的。正在使用的物体,当进行几何形状的采集时,只有当物体停止运动时,才适合于进行扫描。不过,Descam公司已经对正在活动着的人的面貌进行了成功的扫描。

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