COMET T-Scan手持式激光掃描系統
面對激烈競爭的市場,企業的生命已不僅僅是采用現代管理制度、實施各種降低成本的信息管理系統,更需要不斷地開發新的產品,只有不斷創新才能使企業不斷發展。因此圍繞產品開發的各種技術手段應是企業首先考慮的問題。
開發全新的產品是個耗時費錢的系統工程,因此立足于現有產品的基礎上進行改型設計就成為廣泛采用的方式。事實上不僅在中國這樣的發展中國家,即使是西方發達國家,產品改型設計也是最主要的開發方式,既能降低開發成本,又縮短了產品開發周期。
與此趨勢相伴隨的是,作為產品改型開發所必不可少的數字化測量技術得以迅速發展。這既是產品開發需求催生的結果,同時技術的不斷發展也提升了產品開發的效率,兩者相輔相成,共同發展。數字化技術,尤其在產品開發領域、產品逆向工程領域及產品質量檢測領域,針對復雜曲面的非接觸式、空間三維數字化測量技術變得越來越重要!
短短幾年間,數字化測量技術已從接觸式過渡到非接觸式,這得益于光學、材料科學、計算技術等等各相關技術領域的迅速發展。非接觸式數字化技術已非常成熟,同時也派生出各種形式,使用也愈益方便、靈巧,測量精度也得到不斷提高。有光學照相系統(如德國的COMET VariZoom),有激光掃描系統(如法國的KREON系統)。光學系統有定焦的、變焦的等等。激光掃描系統有單束激光、線狀激光等等種類。這些系統可按不同的方法進行分類,如激光束的波長、激光發生器的不同等。
由于是多個相關學科的綜合發展,在數字化技術領域的提供先進技術的主要是西方的工業化國家。國內的一些主要用戶基本上都是采用了進口設備,雖然國內也有研發企業,但無論是技術性能、產品可靠性、使用方便性等,還是市場影響無法與國外產品進行競爭。
由于數字化技術設備系統的高科技特性及研發的成本高昂,因此其價格也相當昂貴。但他不是消費品,而是幫助企業贏利、發展的工具,因此得到相當多用戶的認同。其應用領域也不斷擴展,掃描對象也千差萬別,牽涉到各個領域,有制造業如汽車、家電產品、有生物工程如人體工程產品制造、甚至在文物保護領域都有現實的和潛在的需求。
但是數字化系統設備也不是萬能的,由于用戶需求的多樣性,目前在市場上常見的數字化技術產品如線狀激光和數字照相技術產品,一方面這些產品已進入成熟期,可靠性等已經過市場的檢驗,另一方面對掃描對象的處理也存在相當大的局限性,特別是針對一些特殊場合很難進行采樣,如汽車內飾的某些局部區域,很難被采樣到;又如一些需要固定的物體可能會有局部的遮擋形成死角部位,都很難被檢測到;也大大影響這些產品的進一步推廣。
因此市場需要一種全新的數字化技術產品,要求系統與傳統數字化產品一樣具有高可靠性、使用方便,同時又能彌補傳統數字化產品的不足,主要體現在定位靈活,盡可能多地適合不同場合的需要。
日前,一款來自德國專業數字化檢測技術研發公司Steinbichler Optotechnik GmbH的手持式掃描系統COMET T-Scan在業界引起了廣泛注意;并于10月份,與其中國大陸的合作伙伴迅利科技有限公司(RP-Technology Ltd.)一起,在2002 北京CAD/CAM展示會上正式發布并展出了該系統。
智能化、手持式的Comet T-Scan掃描器可以很方便地由任何人使用而不需專人使用,就像用一個刷子在曲面上刷漆一樣,可以通過掃描器在曲面上移動來獲得大量的高質量三維坐標點數據。由下圖可知,T-Scan是由一個空間定位接收系統、控制器及手持激光掃描器構成。手持激光掃描器上有許多天線裝置用于發射信號,而空間定位接收系統通過接收到的手持式激光掃描器發出的信號,就能精確定位手持式激光掃描器在空間的位置,從而可在坐標系中將工件表面數字化,獲得點云數據。同時T-Scan還配有一套接觸式的測量探針,來獲取工件表面的某些特征點的坐標,這樣即使工件在掃描過程中變動了位置,也能保證將不同位置掃描的結果組合到一起,以獲得完整的數字化模型。
T-Scan不但能輸出各種標準或專用的數據格式以方便后續的CAD軟件造型、加工,而且能接收三坐標測量機的數據以建立車身坐標。這樣就能將掃描的數字化點云模型整合到用戶已有的CAD數模上(若有的話),或將通過不同數字化設備采樣到的、或用戶自己設計的模型在電腦上整合在一起,整正實現數字化樣機的目標。
尤其是該系統選用了對人體無害的激光束,體現了開發商的環保理念。而且工件表面不需要噴顯像劑,一方面提高了精度,另一方面有助于保護工件的表面,尤其是一些表面經過特殊處理的工件。
T-Scan系統的測量原理(見圖):由一個多邊形鏡頭定位的一根直線可視激光束(670nm,激光等級2),通過高頻(10kHz)掃描來對物體表面進行掃描測量;應用三角定律,激光束在物體表面經反射后由激光接受器接收,然后經計算獲得物體表面的位置坐標。
而激光掃描器的六度空間位置(三個空間定位加三個轉角)則由光學跟蹤器來確定,該跟蹤器會自動捕捉激光掃描器上共29個紅外定位點中至少4個點,從而確定該激光掃描器的空間位置。
通過移動掃描器,整個物體表面就能被記錄下來。而測量下來的三維坐標點則會實時顯示在計算機顯示屏上。一個導航束用于確定在移動掃描器時能保持最佳的光束距離。
T-Scan系統的特點
掃描寬度大:掃描寬度90毫米,對于較大物體也能保持較快的掃描速度;
實時顯示:在掃描過程中,掃描結果可以實時顯示在計算機屏幕上,這使得掃描操作變得非常直觀(像刷油漆一下簡單);
激光等級2:由于采用等級為2的激光束,從而不需專門防護,對人體無害;
可變的點云密度:由于可以在一根掃描激光束內調節點密度,使得我們可以自動獲得高密度的物體輪廓線;
點與點間飽合度控制:通過對激光束內點與點間飽合度的自動控制,使得即使在測量帶垂直結構的物體時也能獲得較高的精度,因此可避免針對被測物體的準備工作。
通過預先標定好的掃描頭獲得絕對三維坐標:無論是激光掃描頭還是光學跟蹤器都處于已標定狀態,因此用戶不需要在現場進行繁瑣的標定工作。
測量體積大:工作范圍在2米-6米,可以測量較大的物體。
測量精度高:在標準測量范圍內測量精度達0.03mm;
與接觸式測量間的通信:通過接觸式測量確定點坐標,并能快速生成基準坐標系。
正是基于T-Scan系統高精度、速度快且易學易用的特點,目前在歐美及日本等地區獲得了巨大的成功,攘括了汽車整車開發、零部件設計、模具開發、家電設計、航空航天部件檢測等制造領域,此外還被應用于如醫學人體器官復制、文物測量保護等領域。我們相信,該系統的引進將進一步豐富我國制造業產品研發的手段!