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三維激光掃描儀
三維激光掃描儀
詳細說明:
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三維激光掃描技術又被稱爲實景複制技術,是測繪領域繼GPS技術之後的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優勢.三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點雲數據,因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型。

産生背景

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术,是继GPS空间定位系统之后又一项測繪技術新突破。它通过高速激光扫描测量的方法,大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性,不接触性,穿透性,实时、动态、主动性,高密度、高精度,数字化、自动化等特性,其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命。

技術原理

三維激光掃描技術是近年來出現的新技術,在國內越來越引起研究領域的關注。它是利用激光測距的原理,通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息,可快速複建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點,因此相對于傳統的單點測量,三維激光掃描技術也被稱爲從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。該技術在文物古迹保護、建築、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建築監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等領域也有了很多的嘗試、應用和探索。三維激光掃描系統包含數據采集的硬件部分和數據處理的軟件部分。按照載體的不同,三維激光掃描系統又可分爲機載、車載、地面和手持型幾類。[1] 

應用掃描技術來測量工件的尺寸及形狀等原理來工作。主要應用于逆向工程,負責曲面抄數,工件三維測量,針對現有三維實物(樣品或模型)在沒有技術文檔的情況下,可快速測得物體的輪廓集合數據,並加以建構,編輯,修改生成通用輸出格式的曲面數字化模型。

主要分類

按測量方式

可分爲基 于脈沖式;基于相位差;基于三角測距原理。

按用途可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离的不同。一般基于相位差原理的三維激光掃描儀测程较短,只有百米左右。而基于脉冲式原理的三維激光掃描儀测程较长,测程最远的可达6公里。

按生産廠家不同:Riegl(奧地利),Faro(美国),Z+F(德国),Surphaser(美国),I-site (澳大利亚maptek),徕卡(瑞士),天寶(美國),Optech(加拿大),拓普康(日本)等産家。

基本功能

三維測量

真彩色點雲

传统测量概念里,所测的的数据最终输出的都是二维结果(如CAD出图),在测量仪器里全站儀,GPS比重居多,但测量的数据都是二维形式的, 在逐步数字化的今天,三维已经逐渐的代替二维,因为其直观是二维无法表示的,三維激光掃描儀每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息,还包括R,G,B颜色信息,同时还有物体反色率的信息,這樣全面的信息能給人一種物體在電腦裏真實再現的感覺,是一般測量手段無法做到的。

快速掃描

快速掃描是扫描仪诞生产生的概念,在常规测量手段里,每一点的测量费时都在2-5秒不等,更甚者,要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量,在数字化的今天,这样的测量速度已经不能满足测量的需求,三維激光掃描儀的诞生改变了这一现状,最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹,而现在脉冲扫描仪(scanstation2)最大速度已经达到50000点每秒,相位式扫描仪Surphaser三維激光掃描儀最高速度已经达到120万点每秒,这是三維激光掃描儀对物体详细描述的基本保证,古文体,工厂管道,隧道,地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。

无臂式手持 3D 扫描系统和双摄像头传感器形成了一个独特的组合,确保在实验室和工作场所能生成最精确的测量值。 这一完备且功能强大的检测方案提高了测量过程的可靠性、速度和多功能性。 在铰接臂方面与其他 3D 扫描仪相比较,光学 3D 扫描系统可以完全自由移动,显著提高了工作效率和质量!

應用領域

作为新的高科技产品,三維激光掃描儀已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。三維激光掃描儀,其扫描结果直接显示为點雲(pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果),利用三维激光扫描技术获取的空间點雲数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的 。

三維掃描儀應用範圍

三维激光扫描技术應用領域:

最近几年,三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟,三维扫描设备也逐渐商业化,三維激光掃描儀的巨大优势就在于可以快速掃描被测物体,不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描點雲数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此,其已经成为当前研究的热点之一,并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。

大地三維掃描示意圖

(1)測繪工程领域:大坝和电站基础地形測量、公路測繪,鐵路測繪,河道測繪,橋梁、建築物地基等測繪、隧道的檢測及變形監測、大壩的變形監測、隧道地下工程結構、測量礦山及體積計算。

(2)結構測量方面:橋梁改擴建工程、橋梁結構測量、結構檢測、監測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平台、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業企業內部設備的測量;管道、線路測量、各類機械制造安裝。

(3)建築、古迹測量方面:建築物內部及外觀的測量保真、古迹(古建築、雕像等)的保護測量、文物修複,古建築測量、資料保存等古迹保護,遺址測繪,赝品成像,現場虛擬模型,現場保護性影像記錄。

 

三維掃描效果圖 

 

(4)緊急服務業:反恐怖主義,陸地偵察和攻擊測繪,監視,移動偵察,災害估計,交通事故正射圖,犯罪現場正射圖,森林火災監控,滑坡泥石流預警,災害預警和現場監測,核泄露監測。

(5)娛樂業:用于電影産品的設計,爲電影演員和場景進行的設計,3D遊戲的開發,虛擬博物館,虛擬旅遊指導,人工成像,場景虛擬,現場虛擬。

(6)采礦業:在露天礦及金屬礦井下作業,以及一些危險區域人員不方便到達的區域。例如:塌陷區域、溶洞、懸崖邊等進行三維掃描。

發展方向


车载三維激光掃描儀的系统组成

近些年来,三維激光掃描儀已经从固定朝移动方向发展,最具代表性的就是车载三維激光掃描儀和机载三维激光雷达。

车载三維激光掃描儀

车载三維激光掃描儀的系统传感器部分集成在一个可稳固连接在普通车顶行李架或定制部件的过渡板上。支架可以分别调整激光传感器头、数码相机、IMU与 GPS天线的姿态或位置。高强度的结构足以保证传感器头与导航设备间的相对姿态和位置关系稳定不变。

道路和高速公路方面的应用 :

車載三維掃描工作示意圖

1.公路測量,維護和勘察

2.公路資産清查(交通標志,隔音障,護欄,下水道口,排水溝等)

3.公路檢測(車轍,道路表面,道路變形)

4.公路幾何模型(橫向和縱向的剖面分析)

5.結構分析(立交橋)

6.淹水評估分析

7.在 GIS系统中的叠加分析

8.滑坡分析,危害評估(滑坡變形測量與危害分析,滑石和流水分析)

9.交通流量分析,安全評估和環境汙染評估

10.土石方量分析

11.駕駛視野和安全分析

機載激光三維雷達系統

機載激光三維雷達系統(Light Detection And Ranging,简称LiDAR)是一种集激光扫描仪(Scanner)、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)以及高分辨率数码相机等技术于一身的光机电一体化集成系统,用于获得激光點雲数据并生成精确的数字高程模型(DEM)、DSM(数字表面模型),同时获取物体DOM(数字正射影像)信息,通过对激光點雲数据的处理,可得到真实的三维场景图。

2、3代三維掃描儀各有什麽特征? 

第1代的特点是逐点扫描,速度慢。如三坐标测量机CMM. 该类扫描仪发展最早,精度微米级。
  第2代的特点是逐线扫描,速度仍然较慢,如激光线扫描仪 该类扫描仪发展于上世纪90年代,精度丝级。
  第3代的特点是面扫描,速度非常快, 该类扫描仪发展于20年代.精度0.1mm

第3代三維掃描儀,3DSS的主要特點是什麽?

· 一次测量一个面,扫描速度极快,数秒内可得到100多万点
  · 便携,可搬到现场进行测量
  · 工件或测量头可随意调节成便于测量的姿势
  · 大景深(可达300~500mm)
  · 测量范围大
  · 精度低: 0.1mm
  · 测量点分布非常规则 
  · 大型物体分块测量、自动拼合

 

 

三維打印機

三維立體打印機,也称三維打印機(3D Printer,简称3DP)是快速成型(Rapid Prototyping,RP)的一种工艺,采用层层堆积的方式分层制作出三維模型,其运行过程类似于传统打印机,只不过传统打印机是把墨水打印到纸质上形成二维的平面图纸,而三維打印機是把液态光敏樹脂材料、熔融的塑料絲、石膏粉等材料通過噴射粘結劑或擠出等方式實現層層堆積疊加形成三維實體。

快速成形技術

快速成形技術(r简称RP)又称快速原型制造技术,是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技術20世纪80年代起源于美国,很快发展到日本和欧洲,是近年来制造技术领域的一次重大突破。快速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术;是CAD、數控技術、激光技術以及材料科學與工程的技術集成。它可以自動、快速地將設計思想物化爲具有一定結構和功能的原型或直接制造零部件,從而可對産品設計進行快速評價、修改,以響應市場需求,提高企業的競爭能力。

RP將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅動、光電子和新材料等先進技術集于一體,依據由CAD構造的産品三維模型,對其進行分層切片,得到各層截面的輪廓。按照這些輪廓,激光束選擇性地噴射,固化一層層液態樹脂(或切割一層層的紙,或燒結一層層的粉末材料),或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結劑或熱熔材料等,形成各截面,逐步疊加成三維産品。它將一個複雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合.

快速成形工藝流程

 (1)三維模型构造 由于RP系统只接受计算机构造的产品三維模型(立體圖),然後才能進行切片處理,因而首先應在PC機或工作站上用CAD軟件(如UG、Pro/E、I-DEAS等),根据产品要求设计三維模型;或将已有产品的二维三視圖转换成三維模型;或在逆向工程中,用測量儀對已有的産品實體進行掃描,得到數據點雲,進行三維重構。

(2)三維模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面,加工前必须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三維模型文件称为STL格式文件,它由一系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口,但有时输出的三角形会有少量错误,需要进行局部修改。

(3)三維模型的分层(Slicing)处理 由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的,因此加工前须将三維模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片,即每隔一定的间距分一层片,以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小,精度越高,但成形时间越长。间隔范围为0.05~0.5 mm,常用0.1 mm,能得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后,成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有Slicing处理软件,能自动提取模型的截面轮廓。

(4)截面加工 根据分层处理的截面轮廓,在计算机控制下,RP系统中的成形头(如激光扫描头或喷头)由數控系統控制,在x-y平面內按截面輪廓進行掃描,固化液態樹脂(或切割紙,燒結粉末材料,噴射粘結劑、熱熔劑和熱熔材料),得到一層層截面。

(5)截面叠加 每层截面形成之后,下一层材料被送至已成形的层面上,然后进行后一层的成形,并与前一层面相粘结,从而将一层层的截面逐步叠合在一起,最终形成三维产品。

(6) 后处理 成形机成形完毕后,取出工件,进行打磨、涂挂,或者放进高溫爐中燒結,進一步提高其強度(如3D-P工藝)。對于SLS工藝,将工件放入高溫爐中烧结,使粘结剂挥发掉,以便进行滲金屬(如滲銅)處理。

3D打印,又稱三維打印,在維基百科上面是這麽解釋的:快速成形技術的一种,它是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过一层又一层的多层打印方式,构造零对象。模具制造、工业设计用 于建造模型,现正发展成产品制造,形成“直接数字化制造”。一些高价值应用(如髋关节或牙齿,或飞机零部件)已经有打印而成的零部件出现。“3D打印”意 味着这项技术的普及。

在20世紀80年代中期,SLS被在美國德州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發出來並獲得專利,項目由DARPA赞助的。1979年,类似过程由RF Housholder得到专利,但没有被商业化。

1995年,麻省理工創造了“三維打印”一词,当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨打印機方案,變爲把約束溶劑擠壓到粉末床的解決方案,而不是把墨水擠壓在紙張上的方案。

說到3D打印,就不得不提3D打印機:

3D打印機又称三維打印機,是一种累积制造技术,通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三維打印機被用来制造样品。 2003年以来三維打印機的销售逐渐扩大,价格也开始下降。

該技術可用于珠寶,鞋類,工業設計,建築,工程和施工(AEC),汽車,航空航天,牙科和醫療産業,教育,地理信息系統,土木工程,和許多其他領域的。

最早的3D打印出現在上個世紀的80年代,價格極其昂貴且所能打印的産品數量也少得可憐。

过程原理: 3D打印技术每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水 会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可 “刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。

3D打印技術使用膠水和粉末都是經過處理的特殊材料,不僅對固化反應速度有要求,對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。

技术优势: 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比,三維打印技术還擁有如下優勢:

通过摒弃生产线而降低了成本,大幅减少了材料浪费。而且,它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器。另外,在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三維打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。

另外,與機器制造出的零件相比,打印出來的産品的重量要輕60%,並且同樣堅固。

 

美国FARO Focus 3D三維激光掃描儀

 
Focus3D 是一款革命性的高性能三維激光掃描儀,可进行复杂测量和建档,配有直观的触控屏,操作非常简便,如同一台即拍即得的数码相机。每秒可获取976000个点,最长扫描距离可达150余米,用户可以通过彩色触摸屏简单直观的进行操作,该仪器还内置了同轴高分辨率相机,使彩色影像与點雲的匹配无偏差。与同类产品相比,重量轻四倍,体积小五倍,可谓是业界最小、最轻的激光扫描仪。

內置7千萬像素高精度數碼相機
掃描速度高達976000點/秒
測量精度高,25米的距離可以達到±2mm
掃描距離最遠可達到153.49m
觸摸屏,方便易用
獨立性,無需外界設備即可操作
結構小巧:尺寸只有24*20*10cm3,重量只有5kg
高性能電池,集成锂電池可以持續使用5小時
視野寬廣,垂直*水平:305°*360°
飛躍性的創新,有效降低作業時間
數據存儲:SD卡,32G(可擴展)
利用SCENE WebShare,圖像可以傳到網上共享

三维激光扫描的革命性的创新,精确地三維測量,指尖操控,简单明了。与传统的二维平面图相比,任何人都会逐渐发现三维图像的优点。

 不管在建築測量,施工建設,逆向工程,質量控制領域,還是在文物保護,法醫方面,相對于傳統的測量方法來講,通過激光掃描儀得到三維坐標這樣的方式有著明顯的優勢。這是因爲激光掃描儀可以每秒得到約百萬測量點,並産生其周圍環境的精確三維圖像。

利用插件程序,這些圖像可以直接導入很多應用軟件中。

FARO Focus 3D革命性地利用触摸屏操作仪器, 是现今最方便最经济的一款激光扫描仪,令人瞩目。它可以做任何你能想象的事, 而且从未如此简单。
 


應用範圍:
建筑测绘、创建3D建筑模型、文物保护、古建保护、考古遗址数字化记录、零部件检测、逆向工程、加工工业、工厂管道数字化、隧道、矿业、事故现场、犯罪現場记录

支持的數據格式:
CAD領域:AutoCAD, Microstation, Rhino 
施工建造類:AVEVA PDMS,  
建築類:AutoCAD Architecture, REVIT 
土木工程/測量:AutoCAD Civil 3D,PolyWorks Surveyor, Carlson, Microsurveys 
文物類:3D Reconstructor 
質量控制:Geomagic Qualify, PolyWorks、Rapidform XOV 
法醫學:AutoCAD, SCENE Forensics 
向工程:Geomagic Studio, PolyWorks Modeler, Rapidform XOR 

 

Objet1000三維打印機

構建精准無比的全比例原型

Objet1000 是一款多种材料宽幅 3D 打印机,可快速构建大型的工业级尺寸模型和 1:1 比例原型。它拥有极为宽敞的构建托盘,尺寸达 1000 x 800 x 500 mm(39.3 x 31.4 x 19.6 英寸),让设计师、工程师和制造人员能够快速准确地将任何 3D CAD 设计制作为原型,轻松克服复杂性与细节上的难关。
Objet1000 方便易用,能够实现长时间无人值守工作,是汽车、国防、航天、消费品、生活器具、工业机械、制造和其他行业的理想选择。和所有 Objet Connex 3D 打印机一样,它能够实现准确精细的打印,并支持繁多的材料特性。
不像同等尺寸的其他 3D 打印机,Objet1000 无论模型大小,精度上都不会妥协。可打印能够钻孔、组合并用螺钉固定在一起的硬质 1:1 比例铸件,也可以打印与最终产品相差无几的小比例多种材料原型。
規格


支撐材料:
FullCure 705 无毒凝胶类光敏聚合物支撑

材料盒:

· 6 个密封的 18 kg(39.6 磅)材料盒

· 可裝入兩種不同的模型材料

· 可在打印過程中即時交換

托盤尺寸:
× 800 × 500(39.3 × 31.4 × 19.6 英寸)

實際構建尺寸:
與托盤大小等同;托盤上的最大模型重量:200kg

層厚度:
低至 16 微米(0.0006 英寸)厚的水平构建层

構建分辨率:
X 轴方向:600 dpi;Y 轴方向:600 dpi;Z 轴方向:1600 dpi

打印模式:

· 数字材料 (DM):30 微米(0.001 英寸)

· 高质量 (HQ):16 微米(0.0006 英寸)

· 高速 (HS):30 微米(0.001 英寸)

精度:
对于小于 50mm 的模型为 20-85 um;对于全尺寸模型不超过 600 um(仅适用于刚性材料,视几何形状、建模参数和模型方向而定)

輸入格式:
STL、OBJDF 和 SLC 文件

工作站兼容性:
Windows 7 64 位

網絡連通性:
LAN – TCP/IP

尺寸和重量:
× 1800 × 1800 mm(110.3 × 70.9 × 70.9 英寸);1950kg(4300 磅)

打印頭:
8 头

電源要求:
240 VAC 50/60 Hz;32 A 单相

操作環境:
温度 18 C-22 C (64.5 F-71.5 F);相对湿度 30-70%

特別設施要求:
能够承受 750 Kg/m2 的地板,通风系统

 




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