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传统的坐标测量仪（coordinate measurement machines，简称CMM）通常体积庞大、需固定安装和接触测量。而光学坐标测量仪（例如3D扫描仪）的出现改变了这一格局。它能够以非接触方式快速进行三维测量，功能也更为多样。本文将探讨这两者之间的差异，阐释其工作原理，并带您了解当前最新的检验解决方案。
首先，我们从传统坐标测量仪的定义入手。简而言之，它是一种通过物理探针进行精密测量的设备。该设备基于XYZ三轴构成的坐标系统，可精确测定三维空间中几何特征的坐标位置。它尤其擅长高精度三维测量，同时还能捕获物体表面的细微特征。
一台配备触发式探针和非接触式激光扫描仪的多传感器坐标测量仪。图/Hexagon AB
2 光学坐标测量仪工作原理
不同坐标测量仪的工作流程也各有不同。大多数实验室光学坐标测量仪需将工件放置于测量平台上，通过白光、高分辨率CCD/CMOS相机或激光三角测距传感器等非接触式技术捕获物体表面。另一些手持式设备同样采用非接触测量，但支持人工操作，从而提供更高的灵活性。
数据捕获完成后，可通过与CAD模型对比进行分析，或直接测量特征间的距离与角度，以确保结果准确且符合公差要求。
使用蔡司Inspect Optical 3D软件检验3D扫描的曲轴箱
一般而言，光学坐标测量仪属于大型固定式设备。但如今，越来越多的用户开始转向另一种选择：3D扫描仪。凭借更高的机动性与测量速度，这类设备提供了不同的解决方案。我们将在后文具体对比这两种技术。值得注意的是，光学坐标测量仪本身存在多种形态——部分致力于实现极限精度，另一些则侧重于多功能性。
光学坐标测量仪基于以下一种或多种技术实现测量：
视觉/相机传感器：在这类系统设置中，相机通过受控光源照射拍摄工件，随后经由图像处理算法识别边缘、孔洞及图案等特征。其局限性在于仅能用于二维测量，除非与Z轴聚焦（焦点变化）结合使用。
运行中的海克斯康HP C视觉传感器。图/Hexagon AB
时差测距/相位差：该类设备虽同样采用激光，但测距原理有所不同——通过计算激光返回所需时间或检测激光相位差来确定距离。该类技术在远距离测量中更具优势，而在短距离测量时精度相对较低。整体而言，此类方法可实现非接触直接测量。
白光/彩色光：该技术基于色差原理——即通过从不同距离向物体投射不同波长的光线实现测量。白光通过色差透镜投射后，光谱仪会检测各波长的聚焦位置，通过分析聚焦波长可精确计算物体高度，并实现极高的轴向分辨率。
激光三角测量法：其原理是在激光源、工件表面与探测器之间构成三角关系。当激光从物体表面反射后，系统通过三角测量原理计算出发射器与表面之间的距离。此方法非常适用于采集三维轮廓数据及测量表面粗糙的工件。
使用激光三角传感器检验车身。图/Carl Zeiss AG
结构光：该方法通过将条纹或网格等光图案投射至工件表面，并测量因表面几何形状产生的变形，特别适用于大范围区域的数字化采集、分析以及有机形状的捕获。该技术不仅广泛应用于3D扫描领域，还可见于其他测量场景。
共焦传感器：部分测量设备采用共焦光学原理。该方法是将光线聚焦于物体表面形成一个微小光点，并通过测量反射光束的强度来识别特定焦平面。在实际应用中，这种方法通过捕获最清晰的反射信号，从而实现纳米级分辨率。
3 光学坐标测量仪的类别
接触式坐标测量仪 - 通过物理探针进行测量，适用于对误差容限要求极严的检测场景。该类别主要包括桥式、悬臂式和龙门式坐标测量仪。
混合式光学坐标测量仪 - 通常依视觉技术类型而异，例如视频测量系统、共聚焦显微镜坐标测量仪和白光干涉仪等。需要指出的是，混合式光学坐标测量仪虽仍需固定安装，但它结合了接触式测量与视觉测量这两种方法。
威斯康星大学麦迪逊分校的工程师正在使用Zygo New View 9000白光相位偏移干涉仪进行测量。图/Wisconsin Centers for Nanoscale Technology
3D扫描仪 - 在技术上同样属于光学坐标测量仪范畴，其数据采集通常基于激光或结构光技术。3D扫描仪既可固定于三脚架或机械臂上使用，也可由工程师手持操作，围绕目标物体移动进行扫描测量。
4 Artec 3D扫描仪：一种光学坐标测量技术
Artec Micro II
Artec 3D扫描仪具备高精度三维测量能力，性能已达到光学坐标测量仪的技术标准。Artec Micro II可精准捕获手掌大小的物体，测量精度高达5微米，复现准度达2微米。此外，通过与Artec Studio软件中的自动处理模式集成，Micro II捕获的数据可实现全自动处理。
Micro II扫描的EGR金属连接管3D模型
在这款3D数据采集与处理软件中，只需一键点击即可开启扫描并生成3D模型。Micro II启动后，将自动旋转载物台并对台上的物体进行扫描。生成的网格数据会自动保存至指定文件夹，并自动传至后续分析环节，从而实现端到端的检验工作流程。
Artec计量套件
对于需要专用计量解决方案的用户，推荐您选用Artec计量套件。这套完整的3D光学坐标测量系统精度高达2微米，能够以极高精准度胜任逆向工程、质量检验与三维测量任务。
Artec计量套件可应用于涡轮叶片等大型构件的形变分析、汽车行业质量控制以及大规模研发项目。Artec计量套件支持六自由度操作并通过了DAkkS认证，能为对精度有严苛要求的应用场景提供可靠的解决方案。
Artec Point
接下来介绍的是便携式坐标测量仪——Artec首款激光扫描仪Artec Point。它除了具备卓越的追踪稳定性，还兼具出色的敏捷性与测量精度。这款计量级扫描仪通过了ISO和VDI/VDE认证，能够满足严格的工业数据捕获需求。
Artec Point能够测量不同尺寸和大小的物体，精度与分辨率高达20微米。它配备高清摄像头，并且采用创新的倾斜式设计，能够精准扫描难以触及的几何区域，深入深孔等部位。Point提供三种扫描模式以适应不同表面：用户可切换网格扫描大型物体，使用平行激光应对复杂表面，或采用单激光模式深入孔洞与缝隙。
使用Artec Point扫描汽车零部件
与其他 Artec 3D扫描仪不同，Artec Point需依靠标记点进行扫描。然而对于追求计量级精度的工业制造商而言，兼具高精度与便携性的解决方案极具价值——Point在这方面显然满足了多项需求。
Artec Leo
在无线三维测量领域，Artec Leo可谓市场上的佼佼者。Artec Point以多功能性见长，Leo则能带来无缆绳束缚的自由扫描体验。这款一体化便携式坐标测量仪无需线缆，最高扫描速度可达3500万点/秒，并内置显示屏，让用户能够实时查看数据，确保数据的完整采集。其0.1毫米的精度或许无法满足严苛应用场景的需求，但对大多数应用场景而言已经足够精准。
例如，在石油天然气管道维修等应用场景中，用户可用Leo扫描高温、难以触及的区域，其精度足以满足修复夹具定制需求。若需扫描更大范围，还可搭配Ray II共同作业：由Ray II负责捕获整体设施或基础设施，Leo则捕获机械设备及微小细节，实现优势互补。
无线缆牵绊、无需标记点且内置显示屏，Artec Leo无疑是一款独特的便携坐标测量仪。
使用Artec Leo捕获炼油厂管道数据。图/Team, Inc.
Artec Ray II
LiDAR（激光雷达）通常不被视为计量级解决方案，但像Artec Ray II这样的扫描仪确实能够实现大范围的高精度测量。许多传统坐标测量仪因体积过大而受限，而Ray II可携带至现场架设，在远处（最远可达130米）以高精度扫描整个建筑及基础设施，这使其成为桥梁监测或创建工厂数字孪生的理想工具。
得益于其广阔的扫描视野，Ray II还能应用于常规坐标测量仪无法胜任的领域，无论是刑案现场的取证、铁路轨道的测绘，还是整个文化遗产遗址的数字化保存。
3D扫描仪的类型和尺寸多样，您可根据行业需求选择相匹配的计量解决方案：
准确度与精度：光学坐标测量仪虽可能无法达到接触式测量设备的最高精度水平，但测量结果可达亚毫米级（甚至微米级），足以满足绝大多数三维测量应用的需求。
在计量学中，高精度意味着能够实现高度重复性的测量。因此，精度对于制造业至关重要，微小的尺寸偏差都可能导致产品缺陷。诸如Micro II等光学坐标测量仪具有卓越的复现准度，用户能够借此进行可靠测量，并确保结果符合严格的规格与标准。
Micro II体型小巧且精度达0.005毫米，是检验小型零件、替代传统光学坐标测量仪的理想之选
扫描速度：与接触式探针测量相比，光学坐标测量仪通常速度更快。例如，采用结构光技术的Artec Leo数分钟内可完成小型物体的扫描。具体速度虽因技术方案而异，但非接触式测量设备（无论是激光或光学技术）通常能提供比传统接触式测量更高效的数据采集结果。
多功能性：传统坐标测量仪通常需固定安装以避免外部振动干扰测量，这一特性限制了其只能在原位采集数据。相比之下，便携式坐标测量仪可安装于机械臂或独立部署使用。这种便携性打破了空间限制，制造商可随时随地进行产品质量分析。
数据处理：使用探针的坐标测量仪将捕获到的点数据转换为坐标系，进而重构出工件特征；而3D扫描仪等光学坐标测量仪则将点云转化为网格模型。专用坐标测量仪软件通常更擅长几何尺寸与公差（GD&T）分析，但诸如Geomagic Control X和Zeiss Inspect Optical 3D等软件正推动3D扫描技术在此领域迅速迎头赶上。
集成性：光学便携式坐标测量仪相较于传统坐标测量仪限制更少，既能与机械臂等硬件集成，也可兼容第三方分析软件。捕获的3D扫描数据可在Geomagic Control X、Zeiss Inspect Optical 3D及PolyWorks等主流软件中进行分析处理。
5 应用领域
制造与质控
光学坐标测量仪可直接集成到生产流程中，用于批量测量零件，也可部署于生产线旁，在生产间歇进行快速抽检。该技术同样适用于确保外协件符合既定标准，越野制动器制造商Ausco Products便是典型案例：该公司采用Artec 3D扫描技术检验外包铸件。除公差检测外，该技术还能帮助公司检查制动器是否能适配车轮等狭窄空间，从而加速产品定制流程。
在Artec Studio中使用距离映射检验活塞铸件。图/Ausco Products Inc.
总而言之，光学坐标测量仪的应用贯穿整个制造流程，涵盖首件检验、过程分析、质量控制到设计迭代中的逆向工程等诸多环节。
航空航天
在航空航天领域，光学坐标测量仪对于保障制造精度、安全性及符合严格标准至关重要。应用涵盖制造环节，例如涡轮发动机生产中的测量、机身装配以及飞机的维护、维修与检查。虽然该行业对精度要求严苛，但实际所需的测量精度可能比许多人想象的要低。
即便在航空航天领域，亚毫米级的精度也常可满足检测需求，非关键飞行部件更是如此。Artec金牌认证合作伙伴3DMakerWorld的实践即是明证：他们使用Artec Leo完成了Sadler Vampire小型飞机的逆向工程，并为客户心爱的飞机创建了备件数字库，为后续可能出现的备件替换需求提供了先进的数字化解决方案。
汽车
与航空航天领域类似，光学坐标测量仪也广泛应用于汽车行业。不同主机厂将其用于不同环节：检测喷涂前的焊装结构，测量内饰件，检查动力总成或悬架部件是否符合标准。
这些应用不仅可用于整车制造，还可拓展至车辆改装，无论是加装尾翼、进气口还是性能升级。美国的BD Engineering公司将此发挥到了全新高度，利用Artec Leo成功定制丰田Supra漂移改装件。
知名运动品牌ASICS将Artec 3D扫描与摄影测量技术的应用，从产品质检延伸至营销领域，用以制作高度逼真、富有感染力的素材。通过3D扫描创建栩栩如生的跑鞋模型，不仅有助于企业严格把控产品质量，也能有效传递产品设计理念并吸引客户。
借助Artec 3D扫描与摄影测量技术生成的超逼真跑鞋3D模型。图/亚瑟士株式会社
6 光学坐标测量仪初探
那么，该如何选择一台光学坐标测量仪呢？ 正如前文提到的，大多数设备都基于光学捕获技术，比如结构光、激光，或是一组摄像头传感器。同时，它们也离不开控制单元和专用软件来处理数据，有时还得配上像参考标记点这样的校准工具来保证精度。
为特定应用场景选择光学坐标测量仪时，需综合评估多项因素。 物体尺寸是关键考量之一：若部件过于庞大，则固定式测量仪既无法容纳，也无法实现高效测量。此外，测量精度与分辨率亦是初始阶段就须重点考量的参数。
亚毫米级的公差要求，意味着您需要一台精度足以匹配的测量系统。 有时，工作环境（如嘈杂或多振动的场所）也会成为不容忽视的变量。最后，能够应对复杂几何也是重要考虑因素，应优先选择捕获自由曲面和孔洞表现优异的技术方案！
