​非接触式三次元测量仪（又称非接触式三坐标测量仪）是一种通过非接触式传感器获取物体三维坐标数据的精密测量设备，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子元件、模具设计等领域。其工作原理主要基于光学、激光、图像处理等技术，通过以下核心环节实现对物体的三维测量：
一、核心工作原理框架
非接触式测量的本质是通过 “光学成像 + 数据计算” 替代传统接触式测量的探针触碰，其原理可拆解为 “信号发射 - 物体反射 - 数据采集 - 三维重建” 四个阶段：
二、关键技术原理与类型
根据传感器技术的不同，非接触式三次元测量仪主要分为以下几类，工作原理各有差异：
1. 激光三角测量法（最常见）
原理：
激光发射器向被测物体表面发射一束激光（通常为红色半导体激光），激光束在物体表面形成一个光斑。
光斑经物体表面反射后，由高精度 CCD（电荷耦合器件）或 CMOS 图像传感器接收，形成反射光斑图像。
由于物体表面高度不同，反射光的角度会发生变化，根据激光发射器、传感器与物体表面的几何三角关系（已知基线距离和角度），通过三角函数计算可得出光斑处的三维坐标（X、Y、Z）。
特点：测量速度快（单点测量时间 < 1ms），精度可达 ±1μm，适合测量薄壁件、易变形零件（如叶片、橡胶件）。
2. 结构光测量法（面扫描）
原理：
投影仪向被测物体投射一组已知模式的结构光（如正弦条纹、网格图案或编码图案）。
结构光在物体表面发生形变，由两个或多个相机同步采集变形后的图案。
通过计算机视觉算法（如相位法、双目视差法）解析变形图案，计算出物体表面各点的三维坐标。
特点：可一次性获取大面积三维数据（扫描范围可达 1m² 以上），适合复杂曲面（如汽车覆盖件、人体模型），但精度略低于激光三角法（通常 ±5-50μm）。
3. 工业 CT 扫描（断层扫描）
原理：
X 射线源围绕被测物体旋转，发射 X 射线穿透物体，不同密度的材料对 X 射线的吸收率不同。
探测器接收透过物体的 X 射线，形成二维投影图像，通过数百次不同角度的投影数据。
利用计算机断层重建算法（如滤波反投影法），重构出物体的三维体积数据（包含内部结构）。
特点：可测量物体内部缺陷、装配间隙等隐蔽特征，精度可达 ±1-10μm，但设备成本高，扫描时间较长（数分钟至数小时）。
4. 光谱共焦测量法（高精度微米级）
原理：
光源发出多波长复合光，通过特殊物镜聚焦，不同波长的光在不同距离处聚焦（形成轴向光谱）。
当光束照射到物体表面时，只有聚焦在表面的波长会被清晰反射，通过光谱仪解析反射光的波长，即可确定物体表面的高度（Z 轴坐标），X、Y 轴坐标由工作台移动或扫描机构获取。
特点：垂直精度可达 ±0.1μm，适合测量镜面、透明材料（如玻璃、薄膜），但扫描速度较慢。
三、系统组成与工作流程
1. 硬件系统
传感器模块：激光测头、结构光投影仪 + 相机、工业 CT 球管 + 探测器等。
运动系统：三轴（X、Y、Z）精密导轨（通常由直线电机或伺服电机驱动），定位精度达 ±1-5μm。
工作台：花岗岩或碳纤维材质，确保高刚性和低变形，部分配备旋转台实现多角度测量。
控制系统：PLC 或专用控制器，控制传感器移动和数据采集时序。
2. 软件系统
测量软件：如 PolyWorks、GOM Inspect、UG NX 等，功能包括：
传感器校准：补偿镜头畸变、激光束偏移等系统误差。
扫描路径规划：自动生成最优扫描轨迹，避免盲区和重复扫描。
数据处理：点云滤波、降噪、拼接（多视角扫描时），将点云数据转化为三角网格模型。
尺寸分析：对比 CAD 模型，计算形位公差（如平面度、圆度、垂直度）、轮廓偏差等。
3. 典型工作流程
工件准备：清洁被测物体，必要时喷涂显影剂（结构光测量时增强反光）。
系统校准：使用标准球或平面板校准传感器和坐标系。
扫描测量：传感器按预设路径扫描物体，采集三维点云数据（单点数据量通常包含 X、Y、Z 坐标及颜色 / 强度信息）。
数据处理：去除噪点，拼接多视角点云，生成完整三维模型。
公差分析：与设计模型比对，生成偏差色谱图和测量报告。
四、核心优势与应用场景
1. 优势
非接触无损：避免探针接触导致的零件变形（如薄壁件、软性材料）或表面划伤（如镀膜零件）。
高效面测量：结构光和工业 CT 可快速获取海量点云数据（每秒数万点），适合复杂曲面全尺寸检测。
三维全尺寸检测：不仅测量外部轮廓，还可通过工业 CT 检测内部结构（如铸件气孔、装配间隙）。
自动化集成：可与机器人集成，实现生产线在线检测（如汽车门板冲压后的全尺寸扫描）。
2. 典型应用
航空航天：涡轮叶片型面检测、复合材料构件缺陷分析。
汽车制造：车身覆盖件冲压精度检测、发动机缸体内部通道测量。
电子制造：PCB 板焊球高度测量、MEMS 微结构三维表征。
医疗行业：义齿、骨科植入物的个性化三维建模与适配检测。
五、精度影响因素与校准
1. 精度影响因素
传感器分辨率：激光测头的光斑直径（越小精度越高）、相机像素（结构光测量时）。
环境因素：温度变化（影响导轨和工件尺寸）、振动（导致扫描数据偏移）、光照波动（影响图像采集）。
工件特性：反光表面（如镜面）需喷涂哑光剂，深色表面可能吸收激光导致信号弱。
2. 校准方法
定期几何校准：使用标准球（直径已知）进行三维空间校准，补偿导轨直线度、垂直度误差。
传感器标定：激光测头需标定激光束的角度和位置，结构光系统需标定投影仪与相机的相对位置（双目视觉标定）。
温度补偿：在测量软件中输入环境温度，系统自动补偿材料热膨胀系数（如钢件温度每变化 1℃，尺寸变化约 11ppm）。