4.1.1 接触式测量的介绍
（1）接触式测量
1）测量种类
①按接触方式分类
根据3D扫描仪进行扫描测量时和被测物体接触与否，3D扫描仪可分为接触式扫描仪和非接触式扫描仪两类。接触式3D扫描仪的代表是三坐标测量机——通过三坐标测量机的测头与实物模型进行的直接接触得到被接触点的三维坐标，主要用于精密的机械产品。虽然其精度可达到微米量级，但是由于体积大、造价高、不能测量柔软物体以及测量效率低，并且难以测量曲面特征为流线型的零部件，因此针对3D打印目的反求设计基本不采用这种方式，而采用非接触式的3D扫描。非接触式3D扫描仪扫描后得到的测量数据包含几百到几百万个不等的数据点，这些大量的三维数据点称为点云（Point Cloud），每一个三维数据点不仅包含该点的三维坐标信息，还包含色彩信息。
从三维数据点的采集方式上来看，利用光学原理的非接触式扫描待测量物体的方式兴起于20世纪90年代。早期的三维扫描设备多为基于激光光源的三角测量法，随着技术的不断进步，三维扫描又出现了以白光或蓝光等LED光源为基础的结构光三维扫描术。该技术凭借扫描精度高、速度快、扫描范围大等显著优势，逐渐成为工业扫描测量领域的主导产品。
非接触式3D扫描仪又分为拍照式3D扫描仪（也称光栅三维扫描仪）和激光扫描仪。近年来拍照式3D扫描仪呈现出了很好的市场应用前景。按光源类型的不同，拍照式3D扫描仪又可分为白光扫描和蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。
②按光照条件分类
按光照条件分类，3D扫描技术可分为主动（Active）扫描与被动（Passive）扫描两种。
主动扫描是指对被测物体附加投射光，包括激光、可见白光、超声波与X射线等。其中激光线式的扫描可以扫描大型的物体，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。而目前最新的基于结构光的扫描设备能同时测量物体的一个面，其点云密度大、精度高，在快速采集物体表面的三维信息方面具有独特优势。此外还有基于光照编码的扫描设备，如微软公司的Kinect，具有实时性的特点。被动式扫描对被测物体不发射任何光，而是通过采集被测物体表面对环境光线的反射光来进行的。被动式扫描往往精度较低，噪声误差较大。因其不需要规格特殊的硬件，所以价格非常便宜。被动式扫描重建技术，如Autodesk公司开发的123D Catch技术，基于计算机三维视觉的理论获取表面数据，其图像质量会受环境光照条件的影响。
2）接触式测量方法
①三坐标测量机
坐标测量机是一种大型的、精密的三坐标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐标测量机一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。20世纪90年代初，英国Renishaw公司研制出了一种三维力—位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，以连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8 m/s，数字化速度最高可达500点/s，精度约为0.03 mm。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛应用。坐标测量机的主要优点是测量精度高、适应性强，但一般接触式测头的测量效率低，而且一些软质物体的表面无法进行逆向工程测量。
②层析法
层析法是近年来发展起来的一种逆向工程技术，那将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置和截面的内、外轮数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于可对任意形状、任意结构的零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。
3）接触式测量的简介
接触式三维数据测量设备是指利用测量探头在与被测量物体进行接触时触发一个记录信号，并通过相应的设备记录下当时的标定传感器数值，从而获取被测量物体的三维数据信息。在接触式测量方法中，三坐标测量机是应用较广泛的一种测量设备。三坐标测量原理是：将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，对这些点的空间坐标值进行计算，可得到被测对象的几何尺寸、位置和形状。
接触式测头是三坐标测量机上常见的一种测头，其结构稳定、刚性和重复性较好，常见的材质如钢、人造红宝石等，因为价格低廉而广受欢迎。接触式测头常见的是力触发式和连续扫描式两种，而触发方式则分为手动触发和自动触发两种。手动触发式测头是当测头与被测零件接触后以按钮来确认采点的方式，而力触发和连续扫描式测头通常都为自动触发测头，不过前者主要是测头与被测零件表面接触达到一定力之后传感器自动触发记录点位置的，而后者则是在被测量零件表面连续采点。
接触式测量的优缺点如表4.1所示。
表4.1 接触式测量的优缺点
4）天远三维光学触笔的工作原理
光学触笔采用的是接触式的测量方式。其应用了电子开关，触发信号由电子开关控制，得到点的坐标测量输出。其重复性和准确性均较高，不受人为因素的影响。
5）光学触笔的技术参数（表4.2）
表4.2 光学触笔的技术参数
（2）天远三维光学触笔
1）硬件介绍
天远三维光学触笔硬件结构如图4.1—图4.3所示。
图4.1 光学触笔
①—笔尖：直接接触被测物体表面；②—笔尖紧固螺栓；③—光笔框架点，用于确定笔尖的位置；④—电源开关；⑤—Next：标定时的“下一步”；⑥—Undo：撤销上一步；⑦—扳机：用于“光笔标定”“测量”时选点；⑧—笔身：测量人员手持部位
图4.2 光学触笔背部
①—电源指示灯；②—蓝牙指示灯；③—蜂鸣器；④—确认指示灯；⑤—错误报警指示灯
图4.3 标定器图解
2）设备应用（表4.3）
表4.3 光学触笔的应用范围
3）设备连接
首先打开光笔的电源开关，电源指示灯亮起，此时在计算机的“设备管理器”中找到“人体学输入设备”，在下拉菜单中找到“USB输入设备”，选择后点击鼠标右键，选择“属性”命令，如图4.4所示。
图4.4 USB输入设备属性
连接流程：
①能够读取“0471”，即为蓝牙和电脑连接成功。
②光笔Link灯亮起。
③再次打开天远三维扫描系统3D Scan.exe。
④切换到光笔测量模式。
⑤点击“开启蓝牙”命令。
⑥扣动光笔扳机，蜂鸣器会发出“滴滴”的报警声。