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2007-09-03, 12:01 PM

yogy

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西安交通大学三维光学测量技术

西安交通大学三维光学测量技术

XJTUOM型三维光学密集点云测量系统
---不规则复杂曲面产品零件的移动便携式三维测量和逆向设计,
---外差式多频相移三维光学测量技术,单幅测量幅面从150mm到3米,可以扫描测量几毫米到几十米的工件和物
体

XJTUDP型工业数字近景三维摄影测量系统
---便携式大型物体的关键点三维摄影测量

西安交通大学信息机电研究所西安交通大学模具与塑性加工研究所
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概述
随着现代工业制造水平的发展，产品零件大量采用不规则复杂曲面，其设计、生产、检测、试验等环节需要进

行大量的三维曲面实体数字化和三维测量，迫切需要快速、高效、准确、移动式的三维测量技术和反求逆向设计技

术。XJTUOM型三维光学点云测量系统用于不规则复杂曲面产品零件的移动便携式三维测量和逆向设计，可以与

XJTUDP型工业数字近景三维摄影测量系统（便携式大型物体的关键点三维摄影测量）配合使用。

XJTUOM型三维光学密集点云测量系统，由西安交通大学机械工程学院模具与塑性加工研究所、西安交通大学信

息机电研究所研制，应用于三维复杂曲面的逆向设计和三维全尺寸检测。采用国际最先进的外差式多频相移三维光

学测量技术，单幅测量幅面大小（从150mm到3米）、测量精度、测量速度等性能都达到国际最先进水平，与传统的

格雷码加相移方法相比，测量精度更高，单次测量幅面更大、抗干扰能力强、受被测工件表面明暗影响小（工件一

般不需要喷显影剂），而且能够测量表面剧烈变化的工件，可以扫描测量几毫米到几十米的工件和物体。

1.外差式多频相移三维光学测量技术
目前，国内外三维光学密集点云扫描测量系统主要有两类：一是采用简单的单幅光栅相移技术，以加拿大

Inspeck公司为代表的单相机测量技术，主要用于人体测量和人像雕刻使用，其精度无法满足工业的测量精度；二是

采用格雷码加相移的三维测量技术，用多幅格雷码光栅对测量区域分级标识，再用单幅光栅相移测量，该技术国外

在二十世纪90年代初已经成熟，德国GOM公司采用该技术在1995年就推出了ATOS Standard产品，目前国内外的三维

光学扫描测量系统多采用该方法。
格雷码加相移的三维测量技术的优点为算法实现简单，易于实现产品化，但是缺点非常明显：一是格雷码只是

用于对测量幅面的分级，无法提高测量精度；二是格雷码的使用造成测量系统对测量工件的表面明暗比较敏感，一

般要喷显影剂才能测量，无法测量较暗的工件，无法测量表面剧烈变化的工件；三是单次测量幅面较小，一般小于

400mm。
对于格雷码加相移的三维测量技术的缺点，国外一直在研究新的测量方法，提出了很多测量技术，其中外差式

多频相移技术是发展较快的方法。XJTUOM型测量系统就是采用国际最新的外差式多频相移三维光学测量技术，是国

内第一个采用外差式多频相移技术的实用化三维光学测量产品，达到了国外2007年最新产品的技术水平。

2.XJTUOM型三维光学密集点云测量系统功能特点
*采用国际最先进的外差式多频相移三维光学测量技术,达到国外2007年最新产品的技术水平。与传统的格雷码

加相移方法相比，测量精度更高，单次测量幅面更大（从150mm到3米）、抗干扰能力强、受被测工件表面明暗影响

小，工件一般不需要喷显影剂，而且能够测量表面剧烈变化的工件。
*一机多用，单幅测量幅面从200mm到3米，可以测量几毫米到几十米的工件和物体。一台测量系统可同时扫描测

量小型、中型、大型工件。
*面扫描、测量数据密集。单幅扫描一次获得130万~660万的点云，点云的点间距为0.04mm ~ 0.67mm，海量数据

测量和处理，测量精度从0.008mm到0.05mm。
*移动便携式测量。与传统的三坐标测量机、激光抄数机相比，突出特点为移动便携式操作，流动式测量，不需

要固定的大型操作台，移动式测量，可以扫描测量几毫米到几十米的产品工件和物体。
*强大的自动拼接和重叠面自动删除功能。功能强大的多次扫描自动拼接功能，提高工件扫描效率80%以上，拼

接精度更高，多幅拼接自动化完成，自动删除重叠面。可以与XJTUDP型工业数字近景三维摄影测量系统配合使用提

高拼接精度。
*测量扫描速度快。单幅（最大3米幅面）测量速度为3~6秒。
*工件不需要喷显影剂、更适合在线检测。采用外差式多频相移技术，工件一般不需要喷显影剂就可直接测量，

适合批量生产的现场检测，适应性更广。
*激光指示器测距。方便操作测量，提高测量效率。
*提供多种标定板。标定板和十字架标定采用编码标志点和亚像素图像识别技术，标定精度更高更准确。标定板

幅面从150mm×110mm到 3米×3米。
*系统采用工业化产品设计。所有硬件设备集成一起，一体化设计，性能稳定可靠。软件一体化集中控制所有硬

件设备，包括激光指示器、工业相机、光栅投射器等。
*长期升级和技术支持。西安交通大学雄厚的技术力量，保证系统的长期升级更新和技术支持。

3. XJTUOM型应用领域
*逆向设计：快速获取零件的曲面点云数据，建立三维数模，达到快速设计产品目的。
*产品检测：生产线产品质量控制和形位尺寸检测，特别适合复杂曲面的检测，可以检测铸件、锻件、冲压件、

模具、注塑件、木制品等产品。
*其他应用：文物扫描和三维显示、牙齿及畸齿矫正、整容及上颌面手术。

检测应用领域:
*工件和模具制造测量:试验分析、回弹和修整、优选铣磨策略、磨损、复制、锻件和铸件、造型与设计；
*注塑模具测量:初检、收缩和翘曲、产品的反复改进、改进的控制、整体和局部分析、尺寸控制、数值模

拟；
*板金成型测量:白车身、优选磨铣策略、回弹和修整、孔的模型、截面分析、边缘和特征分析、装配、

数值模拟；
*涡轮叶片测量:翼面扭曲和分析、平均弯曲线和弦长、最大宽度和偏移厚度、前端/后端边缘半径、部件收

缩趋势、总体气流量、完成叶轮装配.
*航空行业测量:空气动力学、模型分析、风洞试验、流体动力学计算 (CFD) 、数值模拟、虚拟装配、定位

和装夹

4. XJTUOM产品型号
XJTUOM型三维光学密集点云测量系统分为以下型号：
XJTUOM-Ⅰ型小型工件测量两个130万~660万像素相机，单次测量幅面：150mm*110mm到300mm*225mm
XJTUOM -Ⅱ型通用型两个130万像素相机，单次测量幅面：400mm*300mm 到3000mm*2250mm
XJTUOM -Ⅲ型高精度型两个300万~400万像素相机，单次测量幅面：400mm*300mm 到3000mm*2250mm
XJTUOM ?Ⅳ型超高精度型两个660万像素相机，单次测量幅面：400mm*300mm 到3000mm*2250mm
XJTUOM -Ⅴ型彩色型两个300万像素相机，单次测量幅面：150mm*110mm 到3000mm*2250mm

5 XJTUDP型工业数字近景三维摄影测量系统
XJTUDP型工业数字近景三维摄影测量系统用于对大型或超大型（几米到几十米）物体的关键点进行三维测量。

与传统三座标测量仪相比，没有机械行程限制，不受被测物体的大小、体积、外形的限制，能够有效减少累积误差

，提高整体三维数据的测量精度。该系统既可以单独使用，也可以与XJTUOM型三维密集点云测量系统配合使用，能

够有效地保证大型物体整体点云的拼接精度。
系统组成：
*系统测量软件：系统测量软件安装在高性能的台式机或笔记本电脑上。
*编码参考点：由一个中心点和周围的环状编码组成，每个点有自己的编号。
*非编码参考点：未编码参考点，用来得到测量物体相关部分的三维坐标。
*专业数码相机（校正后的数字相机和镜头）：固定焦距可互换镜头的高分辨率数码相机。
*高精度测量标尺：刻度尺作为测量结果的比例，具有极精确的已经测量的参考点来确定它们的长度。
功能：
*可以测量出大型物体（几米到几十米）表面的编码点与标志点的三维坐标，
*可配合XJTUOM型三维光学密集点云测量系统，快速获得高精度的超大物体的三维数据，对大面积曲面的点云信

息进行校正，大大提高三维扫描仪的整体点云拼接精度。
*可以对被测工件与CAD数模进行三维几何形状比对，快速方便地进行大型工件的产品外形质量的检测；
*可以测量出工件在受力情况下不同时期的位移和变形，可以对飞机、桥梁、汽车等进行三维测量检测、形变检

测。

6.研究所介绍
西安交通大学机械学院模具与塑性加工研究所前身为创办于1952年的锻压教研室。随着高校教育改革的深入，

为培养“强基础、宽口径、高素质”德、智、体全面发展的高科技人才，于1994年创建了模具与塑性加工研究所。

研究所现有在编人员15人，其中教授3人（博士生导师3人），副教授5人、高级工程师2人,中级职称教职工 3人，具

有博士学位教师7人，在读硕、博士研究生100余人,形成了一支结构合理、精干、多学科交叉的教学科研队伍，承担

着全院关于模具与塑性加工专业方向本科生、研究生的培养和相关科研任务。研究所重视平台建设，软、硬科研条

件齐备，在逆向工程、模具C3P、材料近净成形、塑性加工设备智能控制、成形过程模拟、先进材料制备与成形等方

面形成了科研特色，并取得了一些标志性成果。
西安交通大学机械学院信息机电研究所是一个多学科交叉的研究机构，本所现有人员40人，其中具有博士学位人员5

人，具有硕士学位人员18人，硕士和博士研究生30多人。主要从事三维测量技术、计算机软件、计算机网络、机电

控制技术、机械和模具设计的开发和研制工作。近年来，在各类期刊上发表论文50余篇，被EI收录10余篇，出版专

著10余本。
近年来研究所获省部级科技进步二、三等奖各 2 项，国防预研基金二等奖 1 项，国家发明专利 2 项，实用新

型专利 8项。发表论文300余篇，专著16本，包括国家级重点在内的教材5本， EI、SCI、ISTP收录的论文50余篇。

承担多项重大科研项目，二000年以来科研到款超过壹千万元。在教学改革和教材编写方面居全国前列，获国家级

教学成果二等奖、陕西省教学成果特等奖和二等奖各一项，西安交通大学教学成果一、二等奖各3项、国家级优秀教

材2本，主持省级精品课程一门。
西安交通大学信息机电研究所和模具与塑性加工研究所，近年来共同从事三维实体数字化的科学研究，研制了

光学三维测量系统，并在逆向工程设计、三维数字化检测技术方面进行了大量研究，在三维数字化技术的三维实体

数字扫描、三维机械和模具设计、三维检测技术方面的研究处于国内外领先水平。
研究所在三维光学测量技术上，主要研究领域如下：
1．三维光学密集点云测量系统
2．工业数字近景三维摄影测量系统
3．三维检测软件研究开发
4．三维逆向设计
5．医学三维测量技术研究
6．数字文物和数字文物博物馆系统
7．冲压应力云图三维测量
8．拉伸变形散斑三维图像处理
9．力学分析

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