​非接觸式三次元測量（liàng）儀（又稱非接觸式三坐標測（cè）量儀）是一種通（tōng）過非接（jiē）觸（chù）式傳感器（qì）獲（huò）取物體三維（wéi）坐標數（shù）據的精密測量設備，廣泛應用於航空航天、汽車製造、電子元件、模（mó）具設計等領域。其工作原理主要基於光學、激光、圖像處理等技術，通過以下核心環（huán）節實現對物體的三維測量：
一、核心工作原理（lǐ）框架
非接觸式測量的（de）本質是（shì）通過 “光學成像 + 數據（jù）計算（suàn）” 替（tì）代（dài）傳統接觸式測量的探針觸碰，其原理可拆解為 “信號發射 - 物體反射 - 數據采集 - 三維重建” 四個（gè）階段：
二、關鍵（jiàn）技（jì）術原理與類型
根據傳感器（qì）技（jì）術的不同，非接（jiē）觸式三次元測量（liàng）儀主要分為以下幾類，工作原理各有差異：
1. 激光三角（jiǎo）測量法（最（zuì）常見）
原理（lǐ）：
激光發射器向被測物體表麵發射一束激光（通常為紅色（sè）半導（dǎo）體激光），激光束在物體表麵形（xíng）成一個光（guāng）斑。
光斑經物體表麵（miàn）反射後，由高精度 CCD（電荷耦合器件）或（huò） CMOS 圖像傳感器接（jiē）收，形（xíng）成反射光斑圖像。
由於物體表麵高（gāo）度不同，反射光的角度會發生變化（huà），根據激光發射器、傳感器與物體表麵（miàn）的幾何（hé）三角關係（已知基線距離和角度），通過（guò）三角函數計算可得出光斑處的三維（wéi）坐標（X、Y、Z）。
特點：測量速度快（單點測量時間 < 1ms），精度可（kě）達 ±1μm，適合測量薄壁件（jiàn）、易變形零件（如葉片、橡膠件）。
2. 結構光測（cè）量法（麵掃描）
原理：
投影儀向被測物體投射一組已知模式的結構光（如正弦條紋、網格圖案或編碼圖案）。
結構光在物體（tǐ）表（biǎo）麵發生形變，由（yóu）兩個或多個相機同步采集變形（xíng）後的圖案。
通（tōng）過計算機視覺算法（fǎ）（如相位（wèi）法、雙（shuāng）目視差法）解析變形圖（tú）案，計算（suàn）出物體表麵各點的三維（wéi）坐標。
特點：可一次性（xìng）獲取大麵積三維數據（掃描範圍可達 1m² 以上），適合（hé）複雜曲麵（如汽車覆蓋件、人體模型），但精度略低於激光三角法（通常 ±5-50μm）。
3. 工業 CT 掃描（斷層掃描）
原理：
X 射線源圍繞被測物體旋轉，發射 X 射線穿透物體，不同密度的（de）材料對 X 射線的吸收率不同。
探測器接收透過物體的（de） X 射（shè）線，形成二維投影圖像，通過數百次不同角（jiǎo）度的投（tóu）影數據。
利用計算機斷層重建算法（如濾波反投影法（fǎ）），重構出物體的三維（wéi）體積數（shù）據（包含內部結構（gòu））。
特點：可測量物體內部缺陷（xiàn）、裝配間隙等隱蔽特征，精度可達 ±1-10μm，但設（shè）備成本高，掃描時間較長（數分鍾至（zhì）數（shù）小時）。
4. 光譜共焦測量法（高精度微米級）
原理：
光源發出多波長複（fù）合光，通過特殊物鏡聚焦，不同波長的光在不同距（jù）離處聚焦（形（xíng）成（chéng）軸向光（guāng）譜）。
當光束照射到物（wù）體表麵時，隻有聚焦在（zài）表麵的波長會被清（qīng）晰反射，通過光譜（pǔ）儀解析（xī）反射光的波長，即（jí）可確定物體表麵的高（gāo）度（Z 軸坐標），X、Y 軸坐標由工作（zuò）台移動或掃描機構獲取。
特點：垂直精度可達 ±0.1μm，適合測量鏡麵、透明材料（如玻璃、薄膜），但掃描速度較慢。
三、係（xì）統（tǒng）組成與工作流程
1. 硬件（jiàn）係（xì）統
傳感器模塊：激光測頭、結構光投影儀（yí） + 相機、工業 CT 球管 + 探測器等。
運動係統：三軸（X、Y、Z）精密導軌（通常由直線電機或伺服電機驅動），定位精度達 ±1-5μm。
工作台：花崗岩或碳纖維材質（zhì），確保高剛性和低變形，部分配備旋轉（zhuǎn）台實現多角度測量。
控製係統：PLC 或專用控製器，控製（zhì）傳感器移動和數（shù）據采集時序（xù）。
2. 軟件係統
測量軟件：如 PolyWorks、GOM Inspect、UG NX 等，功能包括：
傳感器校準：補償鏡頭畸變、激光束偏移（yí）等係統誤（wù）差。
掃描（miáo）路徑規劃：自動生成最優掃（sǎo）描軌跡，避免盲區和重複掃描。
數據處理：點雲（yún）濾波、降噪、拚接（多視角掃描（miáo）時），將點雲數（shù）據轉化為三角（jiǎo）網格模型。
尺寸分析：對比 CAD 模型，計算形位公差（如平麵（miàn）度、圓度（dù）、垂直（zhí）度）、輪廓偏差等。
3. 典型工作流程
工件準備：清潔被測物體，必要時噴塗顯影劑（結構光測量時增強反光）。
係統校準：使用標準球或平麵板校準傳感器和坐標係。
掃描測量：傳感器按（àn）預設路徑掃描物體（tǐ），采（cǎi）集三維點雲數據（單點數據（jù）量通（tōng）常（cháng）包含 X、Y、Z 坐標及顏色 / 強度信息（xī））。
數據處理：去除噪點，拚接多視角點（diǎn）雲，生成完整三維模型。
公差分析：與設計模型比（bǐ）對，生成偏差（chà）色譜（pǔ）圖和測量報告。
四、核心（xīn）優勢與（yǔ）應用場景
1. 優勢
非接觸無損：避免探（tàn）針接觸導致（zhì）的零件變（biàn）形（如薄壁件、軟（ruǎn）性材料）或表麵劃傷（如鍍膜零件（jiàn））。
高效麵（miàn）測量：結構光和工業（yè） CT 可快速獲取（qǔ）海量點雲數據（每秒數萬（wàn）點（diǎn）），適合複雜曲麵全（quán）尺寸檢測（cè）。
三維全尺寸檢測：不僅測量外部輪廓，還可通過工業 CT 檢測內部（bù）結構（如鑄件氣（qì）孔、裝配間隙）。
自動化（huà）集成：可與機（jī）器人集成，實現生產線在線檢測（如汽車門板衝壓後（hòu）的全尺（chǐ）寸掃描）。
2. 典型應用
航空航天：渦輪葉片型麵檢測、複（fù）合材料構件缺陷分（fèn）析。
汽車製造：車（chē）身覆蓋件衝壓精度檢測、發動機缸體（tǐ）內部通道測量。
電子製造（zào）：PCB 板焊球高度測量（liàng）、MEMS 微結構三維表征。
醫療行業：義齒、骨科植入物的個性化三維建模與（yǔ）適配（pèi）檢測。
五（wǔ）、精度影響因素與校準
1. 精度影響（xiǎng）因素
傳感器分辨率：激光測頭的（de）光斑直徑（越小精度越高）、相機像素（結構光測量時）。
環（huán）境因素：溫度變化（影響導軌（guǐ）和工件尺寸）、振動（導致掃描數據偏移）、光照波動（影響圖像采集）。
工件特性：反光（guāng）表（biǎo）麵（如鏡麵）需噴塗啞光劑，深色表麵可能吸收激光導致信號弱。
2. 校準（zhǔn）方法
定期幾何校準（zhǔn）：使用標準球（直徑已知）進行三維（wéi）空間校（xiào）準，補償導軌直線度、垂直度（dù）誤差。
傳（chuán）感器標定：激光測頭需標（biāo）定激光束的角度和位置，結構光係統（tǒng）需標定投影儀與相機的（de）相（xiàng）對位置（雙目視覺標定）。
溫度補償：在測量軟件中輸入（rù）環境溫度，係統自動補償材料熱膨脹係數（如鋼件溫度每變化 1℃，尺寸變化約 11ppm）。