西安交通大学信息机电研究所西安交通大学模具与先进成形技术研究所技术研究特色西安交通大学工业三维摄影测量技术发展路线三维全场变形技术概述面向复杂机械和新型材料运行工况下或现场使用单位简介研究生招生XTDICXTDVCXTRTXTMicroXTDIC 3D控制箱数字散斑全场应变XTDP三维光学测量坐标变换XTDCAL工业近景摄影测量XTSD静态变形XTDA大型飞机风洞大视场高速运动物体动态变形和运动轨迹XTSOXTOMXTOM INSPECTOR三维扫描仪XTFLC板料热成形三维全场应变检测试验机XTSM板料和管材胀形成形试验的三维全场变形检测系统板料成形膜结构双轴双向拉伸试验机双轴四缸电液伺服静态、动态、疲劳试验机双向对称微拉伸试验机(用于光学和电子显微镜)TOMS-汽车模具三维光学快速检测系统专用系统核心技术:复杂工况三维全场动态变形检测技术关键技术产品应用领域系列产品概述三维全尺寸快速检测解决方案:大型复杂工件产品的反求和快速质量检测其他光学体式显微镜测量板料液压胀形试验的三维全场变形检测数据动画演示泡沫铝物体内部变形测量实验板料成形极限FLC快速测定(3D-DIC)飞机风洞模型三维全场应变检测(数字图像相关法)一种基于DIC技术识别焊缝材料参数的新方法高温三维全场应变测量(3000摄氏度以内)高速拉伸变形技术发展路线高速冲击振动模态分析实验---数字散斑应用圆棒试件疲劳实验汽车车桥的静态变形和数字散斑三维全场应变实验木材压缩和弯曲性能试验----全场应变分析型号和配置------XTDIC数字散斑应变测量分析一般测量步骤 XTDIC数字散斑系统计算步骤-----XTDIC数字散斑系统显示和编辑计算结果----XTDIC散斑系统输出功能------XTDIC数字散斑系统大幅面三维全场应变测量视频----XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统沙土全场变形实验-相似材料钛合金试件压缩变形三维数字散斑试验拉伸试验三维全场应变测量总体功能--XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统主要功能---XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统变形分析功能--XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析分析曲线功能---XTDIC三维数字散斑动态应变测量报表功能---XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统截线分析---XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统等势线分析--XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析XTDIC数字散斑系统与电子引申计比对试验XTDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统三维全场应变测量分析重型卡车车架和车门全方位静态变形和全场应变检测发动机活塞缸体受力三维静态变形实验相似材料模型变形实验-标志点变形和全场变形两种方法复合材料节点试验---基于XTSD的三维静态变形测量大型结构件大变形三维摄影测量相似材料模型实验-光学三维变形测量变形分析应用大尺寸大变形静态测量某汽车覆盖件冲压全场应变检测步骤和流程汽车覆盖件(长到6米)板料冲压全场应变三维检测板料成形极限FLC试验板料剪切实验装置大型汽车模具制件的实际板料成形三维全场应变检测数字图像相关法(散斑应变)在板料力学性能测试中的应用板料成形网格应变测量实验快速使用说明---XTSM板料成形应变测量分析系统评估模式说明-----XTSM板料成形分析计算模式-XTSM板料成形网格应变分析系统三维点云处理---XTSM板料成形网格应变分析系统网格模式---XTSM板料成形网格应变分析系统XTSM板料成形应变测量分析系统板料成形网格变形分析楼房振动变形实验飞机风洞模型静态变形测量飞机结构件运动特性的动态视觉测量系统动态变形和运动轨迹汽车模具快速质量检测和比对分析路面构造三维扫描及三维坐标获取TOMS汽车模具摄影测量系统实现汽车模具实型数字化检测汽车模具三维光学系统应用于汽车覆盖件回弹的计算三维检测应用比对分析和质量检测焊接过程高温三维全场应变实时检测焊接失稳变形光学非接触三维检测的研究三维全场变形应变系统在焊接学科的研究和应用焊接过程三维全场应变检测实验采用XTSD静态变形系统的焊接过程三维变形检测实验采用XTOM面扫描系统进行焊接变形实验焊接变形试验--光学三维动态变形测量大尺寸无缝焊接管道三维测量和变形分析焊接变形和应变分析船用螺旋桨叶片检测大型飞机三维光学快速测量建模关键技术研究大型水轮机叶片、汽轮机叶片、船舶螺旋桨的快速检测手机零部件三维测量测量实例三维光学测量的应用领域逆向设计应用客车逆向设计快速建模案例轿车、客车、卡车、火车等车辆的组装后产品质量检测大型挖掘机铲斗模型的建模和测量测量实例 测量系统软件界面三维扫描测量实例 逆向和检测汽车模具检测案例 大型泡沫和铸件快速检测其他测量案例行业应用复杂工况三维全场动态变形 检测技术三维全场变形技术概述应变(strain)工业摄影测量光束平差(捆绑调整)自标定方法数字图像相关法(Digital Image Correlatiom,DIC)工业数字近景摄影测量与机器视觉的关系机器视觉(Machine Vision)工业数字近景摄影测量Photogrametry国内外DIC相关研究链接国内外三维检测Strain Measurement by Digital Image Correlation数字散斑全场应变分析工业近景摄影测量静态大尺寸大变形动态变形和运动轨迹三维扫描和建模板料成形网格变形分析焊接变形和应变分析比对分析和质量检测点云处理和三角化相机标定其他综述
XTOM 三维扫描仪

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。


XTOM三维扫描仪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XTDP型工业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。


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XTOM 三维扫描仪

XTDP摄影测量系统
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软件界面1--XTOM三维扫描仪

软件界面2--XTOM三维扫描仪


采用国际先进的外差式多频相移三维扫描技术,单幅扫描幅面大小(从150mm到2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,单次三维扫描幅面更大、抗干扰能力强、受被测工件表面明暗影响小,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。广泛适用于各种需求三维数据的行业,如汽车工业、飞机工业、摩托车外壳及内饰、家电,雕塑等。

点击查看XTOM三维扫描仪质量检测案例


目前,国内外三维扫描仪主要有两类: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,主要用于人体三维扫描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扫描技术,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。


格雷码加相移的三维扫描技术的优点为算法实现简单,易于实现商用化,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扫描技术的缺点,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。XTOM型三维扫描仪就是采用国际最新的外差式多频相移三维扫描技术,是国内第一个采用外差式多频相移技术的实用化三维扫描仪,达到了国外最新产品的技术水平。

XTOM三维扫描仪——核心技术

基于摄影测量的相机自标定技术(国际上第二家拥有该技术)

1)要求标定板圆点图案中,每个圆点的位置是已知的,而且要事先高精度测量图案中所有圆点的位置,每一个标定板都必须事先测量。圆点的位置误差直接影响标定的精度。
2)要求标定板严格的平整度。对于小尺寸的标定板,如100mm~200mm,可以加工出较好的平整度,但是对于大尺寸的标定板,如200mm~2000mm,根本无法加工出高精度的标定板。
3)只能实现小幅面的相机标定,如100mm~200mm。因为无法加工出几米长的高精度平板,所以无法实现高精度的大幅面相机标定,如200mm~2000mm。

因此,传统的平面圆点图案或棋盘格的标定算法无法满足工业测量的精度要求,受标定板制作的各种误差(如平面度误差、圆点位置误差等),标定精度无法保证,只能用于小视场相机标定(只能局限在100mm~200mm),只能用于对测量精度要求不高的图像模式识别研究,其标定精度根本无法满足工业测量的要求。


XTOM三维扫描仪——相机自标定技术

西安交通大学研制的“基于摄影测量的相机自标定技术”,是国际上第二家拥有该技术,该标定技术有效地解决了传统的平面圆点图案或棋盘格的标定算法,实现了高精度的相机标定。其优点如下:
1)高精度相机标定,相机标定精度是可控的,不是随机的。传统的平面圆点图案或棋盘格的标定算法,其标定精度无法控制,随机性很大。
2)可以完成多种视场的相机标定,可以完成10mm~10000mm视场的相机标定,实现可控的高精度相机标定。
“基于摄影测量的相机自标定技术”的技术难度很高,西安交通大学是在“XTDP三维光学摄影测量系统(工业三维摄影测量)”的基础上完成了该标定算法,国际上第二家拥有该技术,有效保证了 “XTOM 三维扫描仪”,以及西安交通大学系列三维光学测量系统的高精度。


西安交通大学机械工程学院先进制造技术研究所部分成员创建了新拓三维技术(深圳)有限公司XJTUOM三维光学面扫描系统更名为XTOM‍-MATRIX三维扫描仪在现阶段的商业化运营过程中,XTOM三维扫描系统紧贴各行业需求,不断完善产品性能,提升行业竞争力。


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100mm~400mm的编码标定板


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       0.5米~2米大幅面编码标定十字架

XTOM三维扫描仪——功能特点

1)自主研发的三维扫描和点测量(近景摄影测量)集成的三维扫描系统。XTOM三维扫描仪和XTDP摄影测量系统紧密配合,测量拼接精度更高、性价比更高、使用更方便。可以完成20米~50米大型飞机的测量。

2)采用国际最先进的外差式多频相移三维扫描技术,达到国外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。

3)采用国际最新的相机标定算法精度更高提供多种标定板。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。

4)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。

5)扫描预览,实时跟踪标志点,方便使用。

6)达到工业检测精度要求。不但满足反求逆向设计需求,更达到产品检测的可靠性和精度。采用专门研发的高模高强全碳纤维机械结构。

7)三维扫描、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。

8)便携式三维扫描。与传统的三坐标、激光三维扫描仪相比,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。

9)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XTDP近景三维摄影测量系统配合使用提高拼接精度。

10)测量扫描速度快。单幅(最大3米幅面)测量速度为3~6秒。

11)激光指示器测距。方便操作测量,提高测量效率。

12)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。

13)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。

XTOM三维扫描仪——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。

点击查看三维扫描仪逆向设计案例

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

用途

工件和模具制造测量

试验分析 、回跳和修整 、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 、回跳和修整 、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


XTOM三维扫描仪——应用案例

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大型飞机三维光学快速测量建模关键技术研究

客车逆向设计快速建模案例

轿车、客车、卡车、火车等车辆的组装后产品质量检测汽车模具三维光学系统应用于汽车覆盖件回弹的计算
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手机零部件三维测量测量实例大尺寸无缝焊接管道三维测量和变形分析汽车模具快速质量检测和比对分析
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测量实例逆向和检测



三维质量检测与反求逆向对三维扫描仪不同需求

目前国内外有许多产品可以用于反求设计(又称之为逆向工程),如激光扫描、三维扫描等,但是真正能够用于产品质量三维检测的并不多。一般来讲,反求设计(逆向工程)对三维扫描机的的精度和功能要求不高,反求设计大量采用手工操作,各种激光、白光三维扫描基本都可以满足要求,三维扫描只占很少的工作量,大量时间花在点云的修改、构面、结构设计。


三维质量检测对测量设备精度和功能的要求要远远超过反求设计,产品质量检测是企业生产现场在线工作模式,是一个企业生产线的工位,而反求逆向设计主要用于企业的设计部门,属于离线工作模式。因此,三维质量检测设备必须具备全自动、高精度、高效率、方便性、稳定性的特点。三维扫描机必须同时具有以下三个技术,才能实现产品的三维质量检测,达到测量点云与产品CAD数模进行三维全尺寸快速比对的目的。

(1)全局坐标系下标志点的高精度测量。各种激光和面扫描设备一次只能测量工件的局部,需要进行多次拼接,势必产生无法消除的累计误差。所以没有工业摄影测量技术的保证,单独使用激光和面扫描设备根本无法控制测量的精度。“XTDP三维光学点测量系统”(近景工业摄影测量技术)就是完成该功能,精度可以达到0.01mm/m。

2)不同幅面的面扫描测量。由于工件的大小不同、精度要求不同,需要选择不同的单次测量幅面和精度。“XTOM 三维扫描仪”可以在标志点全局坐标系下快速测量不同幅面(从100mm~2000mm),多视扫描点云自动拼接到标志点全局坐标系,可以满足不同精度、不同大小的工件测量(如泡沫件、铸件、锻件、机加件、注塑件等),适用于几十毫米~30米大小的工件。

(3)多视点云的全自动对齐拼接和重叠面删除。由于一个工件由多视角拍摄测量完成,必须全自动完成多视点云的对齐拼接和重叠面删除,快速生成单层完整的工件点云。“XTOM 三维点云扫描系统”采用独特高效算法,快速自动完成海量点云的处理。

目前全世界能够独立研发近景工业摄影测量系统的只有2~3家企业,而能够研发白光面扫描、激光扫描产品的有几十家,国外很多著名的激光测量设备和面扫描测量设备厂家都没有自己的工业摄影测量技术,多使用别家的工业摄影测量产品,造成整个检测系统的造价极高,而且不同厂家系统匹配不紧密。

所以国内外真正能够独立研发在线产品三维质量检测系统的极少,西安交通大学的工业摄影测量技术和三维扫描技术都是自主研发,不但满足反求逆向设计需求,更适合产品在线质量检测,系统配合紧密,造价远远低于国外系统。

XTOM点云预处理系统

三维扫描仪可以快速的获取被测物体的表面三维信息,测量数据一般呈现海量和区域分布不均的特点,精度也受到诸多因素的影响,点云的后期处理就是一个关键因素。合理的点云处理方法不仅可以保证原始点云的精度,而且可以大大的提高工作效率。

虽然有很多商用的点云处理软件(如Geomagic studio等),但是在多幅点云的对齐和融合方面存在一些问题。西安交通大学针对这些商用点云软件的缺点,专门开发了“XTOM点云预处理系统”,可以快速、高精度、自动化完成多幅海量点云的精确匹配和融合,满足逆向设计和产品在线质量检测的不同需求。

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XTOM点云预处理系统

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扫描预览,实时跟踪标志点,方便使用

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采用国际最新的相机自标定算法、编码标定板、编码十字架,精度更高,提供多种标定板。

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小型工件扫描

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大型工件扫描

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全局坐标自动拼接   实时扫描预览

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XTOM点云预处理 精确匹配 重叠面自动融合

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