在工业制造领域，大尺寸工件的三维测量一直是一个难点。比如汽车整车、大型模具、航空航天零部件、船舶构件等，这些工件尺寸大、重量重，搬运到固定的测量设备上很不方便，有的甚至根本搬不动。传统的测量方法，比如三坐标测量机，虽然精度高，但测量范围有限，而且工件要搬到测量机上才行，对于大工件来说很不方便。手持式三维扫描仪的出现，很好地解决了这个问题，它可以到现场去测量，工件不用动，人拿着扫描仪围着工件扫一圈，就能得到完整的三维数据，而且效率很高。本文就来聊聊手持式三维扫描仪是如何实现大工件高效测量的。
一、大工件测量的挑战
在说手持式扫描仪之前，先了解一下大工件测量到底难在哪里。
(一)传统测量方法的局限
传统的大尺寸测量方法有不少，比如用三坐标测量机、经纬仪、激光跟踪仪、摄影测量等。
三坐标测量机精度很高，但测量范围有限，而且工件必须搬到测量机的工作台上去测。对于很大很重的工件，根本搬不动，也就没法测。
经纬仪、激光跟踪仪这些可以测大尺寸，但它们一般是打点测量，只能测有限的几个点，不能得到完整的面数据，而且测量速度比较慢，效率不高。
还有一些大型的测量设备，比如龙门式的，虽然测量范围大，但设备本身就很大很贵，不是每个企业都能配备，而且工件还是要搬到设备那里去。
(二)大工件测量的难点
大工件测量有几个典型的难点。
首先是尺寸大。工件尺寸大了，测量的范围就要够大，而且要保证整个测量范围内的精度，这本身就不容易。
其次是搬运难。大工件往往很重，有的几吨甚至几十吨，移动起来很麻烦，有的甚至是固定在生产线上的，根本动不了。所以好的方式是测量设备能移动，到工件跟前去测。
第三是现场环境复杂。大工件往往在车间现场，环境条件不如实验室好，有灰尘、振动、温度变化等因素，都会影响测量的精度和稳定性。
第四是效率要求高。大工件如果测量太慢，会占用生产时间，影响生产进度。所以希望测量速度快，效率高，尽量少耽误生产。
二、手持式三维扫描仪的基本原理
手持式三维扫描仪之所以能解决大工件测量的问题，和它的工作原理是分不开的。
(一)基本工作原理
手持式三维扫描仪，顾名思义，就是可以拿在手里的三维扫描设备。它的原理有几种，比较常见的是结构光原理和激光线扫描原理。
结构光的话，就是投影仪向物体表面投射特定的光图案，然后用相机拍摄物体表面的图案变形，通过计算来得到物体表面的三维坐标。
激光线扫描的话，就是发射一条或多条激光线到物体表面，形成激光条纹，然后用相机拍摄条纹的形状，再计算出三维数据。
不管是哪种原理，扫描仪都可以实时地获取它视野范围内物体表面的三维点云数据。拿着扫描仪在物体表面移动，就可以把各个角度的数据都扫下来。
(二)为什么适合大工件测量
手持式三维扫描仪之所以适合大工件测量，主要有几个原因。
首先是便携。它体积小，重量轻，一个人就能拿着到处走，可以直接到工件跟前去测，工件不用动。这对于大工件来说太重要了，不用费劲搬运，也不用拆下来，直接在生产线上或者安装现场就能测。
其次是扫描速度快。它可以一次性获取一片区域的三维数据，比打点式的测量快很多。而且手持的方式很灵活，哪里要测就扫哪里，复杂的部位也能扫到。
第三是可以拼接。单次扫描的范围毕竟有限，但通过数据拼接，可以把很多次扫描的数据拼在一起，形成一个完整的大尺寸模型。只要拼接得好，多大的工件理论上都可以测。
三、大工件高效测量的关键技术
手持式三维扫描仪能实现大工件的高效测量，背后有几项关键的技术在支撑。
(一)标记点与全局拼接技术
要把多次扫描的数据拼到一起，形成一个完整的模型，拼接技术是关键。
常用的拼接方式有好几种，其中用标记点拼接是比较常见的一种。就是在工件表面或者工件周围贴一些标记点，这些标记点就像一个个坐标参考点。扫描仪每次扫描的时候，都会识别到这些标记点，然后根据共同的标记点，把不同位置扫描的数据对齐拼接到一起。
对于特别大的工件，还可以先通过摄影测量或者其他方式，建立一个全局的标记点坐标系统，然后扫描的时候就以这个全局坐标为基准来拼接，这样可以减少累积误差，保证大尺寸测量的精度。
有了标记点和拼接技术，不管工件多大，只要一步步扫过去，把数据一块块拼起来，就能得到完整的三维模型。
(二)跟踪定位技术
除了标记点拼接，还有的手持式扫描仪带有跟踪定位的功能。
比如用光学跟踪的方式，有一个跟踪设备可以实时追踪扫描仪的位置和姿态，这样扫描仪在空间中的位置是已知的，扫描的数据就可以直接放到统一的坐标系里，不需要完全靠标记点来拼接。
这种跟踪的方式，对于大工件测量来说也很方便，尤其是在标记点不好贴的情况下，或者需要快速扫描的时候，跟踪定位可以让扫描更灵活，效率更高。
(三)点云数据处理能力
扫描得到的是大量的点云数据，这些数据需要处理才能用。
好的扫描仪配套的软件，数据处理能力也很强。可以实时地显示扫描的结果，扫到哪里，模型就实时长出来，操作人员可以直观地看到哪里已经扫到了，哪里还没扫到，有没有漏扫的地方，这样可以及时补扫，不用等全部扫完了才发现缺了一块。
还有自动拼接、自动去噪、点云精简等功能，可以快速地把原始的点云数据处理成干净、完整的三维模型，大大提高后处理的效率。
(四)环境适应性
大工件的测量往往是在车间现场，环境条件不如实验室好。
手持式三维扫描仪一般都有不错的环境适应性。比如对环境光不那么敏感，车间里的普通光照下也能正常工作；有的还能在一定的温度变化范围内保持精度；还有的抗振动能力比较强，手持的时候手有点抖也不影响。
环境适应性好，才能在复杂的现场环境下稳定工作，保证测量的效率和精度。
四、大工件测量的一般操作流程
了解了关键技术，我们再看看用手持式扫描仪测大工件，一般是怎么操作的。
(一)前期准备
扫描之前，先做好准备工作。
首先要了解工件的情况，比如尺寸大小、形状复杂程度、需要测量的部位等，然后规划一下扫描的方案，比如怎么站位、怎么走位、标记点怎么贴等。
然后准备好设备，检查扫描仪、电池、配件等是否齐全，设备状态是否正常。
现场也要适当清理一下，确保扫描的路径通畅，没有太多障碍物。
(二)布置标记点或参考系统
如果是用标记点拼接的方式，那就要先在工件上或者工件周围贴标记点。
标记点的布置有讲究，不能太密也不能太疏。太密了浪费，太疏了拼接不上或者误差大。一般每次扫描的视野里要有足够数量的标记点，而且相邻的扫描区域要有重叠的标记点，这样才能拼起来。
对于特别大的工件，可能需要先做一个全局的标记点测量，建立全局坐标系，这样整体的精度更有保障。
如果是用跟踪系统的，就要先把跟踪设备架好，调整好位置，确保扫描的范围都在跟踪的范围内。
(三)扫描过程
准备工作做好后，就可以开始扫描了。
操作人员拿着扫描仪，对着工件的表面，按照规划好的路径慢慢移动。扫描仪会实时获取三维数据，同时在电脑上实时显示扫描出来的模型。
扫描的时候要注意，相邻的扫描区域要有足够的重叠，这样拼接才准确。还要注意扫描的角度和距离，不要离得太远或太近，也不要太倾斜，不然数据质量会受影响。
对于复杂的部位，比如凹槽、孔洞、边角等，要多换几个角度扫，确保这些地方都能扫到，没有死角。
扫描的过程中，可以实时看着屏幕，发现哪里没扫到或者扫得不好，及时补扫。
(四)数据拼接与后处理
扫描完成后，就要对数据进行后处理。
首先是把所有的扫描数据拼接到一起，形成一个完整的点云模型。现在很多软件都可以自动拼接，只要标记点识别没问题，拼接起来还是很快的。
然后是对点云进行清理，去掉多余的噪点、杂点，把不需要的背景数据删掉。
还有点云的精简，因为原始点云的数据量很大，太密了处理起来慢，可以根据需要适当精简，保留必要的细节。
处理好的点云，还可以根据需要生成三角网格模型，或者进行三维检测、逆向建模等后续工作。
五、提升大工件测量效率的技巧
要让大工件的测量更高效，还有一些实用的技巧。
(一)合理规划扫描路径
扫描之前先规划好路径，可以少走很多冤枉路。
根据工件的形状和大小，规划一个优的扫描路线，从一头开始，一步步扫到另一头，尽量不要来回重复走。
对于复杂的部位，提前想好从哪些角度扫，怎么才能把所有需要的地方都覆盖到。
规划得好，可以大大节省扫描的时间，提高效率。
(二)标记点的合理布置
标记点贴得好不好，也会影响效率和精度。
标记点不要随便乱贴，要有规律地布置，保证每次扫描都能扫到足够的标记点，而且相邻的扫描区域有足够的公共标记点。
对于大工件，标记点的数量要合适。太少了拼接误差大，太多了贴起来费时间，也浪费。
如果是经常测同一种工件，可以把标记点的位置固定下来，形成标准的贴点方案，这样每次都按同一个方案来，效率更高。
(三)多人协同扫描
如果工件特别大，一个人扫太慢的话，可以考虑多人协同扫描。
几个人同时从不同的部位开始扫，最后把所有人的数据拼到一起。这样可以大大缩短扫描的时间，提高效率。
当然，多人扫描需要统一的坐标基准，确保大家的数据能准确拼到一起。
(四)实时查看，及时补扫
扫描的时候一定要实时看着屏幕上的结果，不要闷头扫。
发现哪个地方没扫到，或者数据质量不好，当场就补扫一下，这样比全部扫完了再回来补要高效得多。
尤其是一些死角、复杂的部位，当场确认扫到了再往下走，避免后期返工。
六、应用场景与价值
手持式三维扫描仪在大工件测量中的应用很广泛，给很多行业带来了效率的提升。
(一)主要应用行业
汽车行业，比如整车的扫描、大型冲压件的检测、工装夹具的测量等，以前可能要花很长时间，现在用手持式扫描仪很快就能完成。
航空航天行业，大型的飞机零部件、机身部件等，尺寸大，精度要求高，手持式扫描仪可以到现场测量，不用搬运，很方便。
船舶行业，大型的船体构件、螺旋桨等，尺寸非常大，传统测量很麻烦，手持式扫描仪可以灵活地进行测量。
还有重型机械、模具、风电等行业，大工件很多，都可以用手持式扫描仪来提高测量效率。
(二)主要应用方向
质量检测是最常见的应用。把扫描得到的三维模型和设计的数模进行对比，可以得到各个部位的偏差，直观地看到哪里超差了，超了多少，比传统的打点检测全面得多，也快得多。
逆向工程也是一个重要的应用。对于没有图纸的实物工件，通过扫描得到三维数据，然后进行逆向建模，生成数字模型，用于改型设计或者生产加工。
还有虚拟装配、尺寸校核、工装调整等，都可以用到三维扫描的数据。
(三)带来的效率提升
和传统的测量方法相比，手持式三维扫描仪的效率提升是很明显的。
以前测一个大工件，可能需要几个人花好几天的时间，现在用手持式扫描仪，可能几个小时甚至更短的时间就能完成。
而且得到的是完整的面数据，不是有限的几个点，信息更全面，检测的结果也更可靠。
另外，不用搬运工件，直接在现场测，也节省了大量的搬运和准备时间，对生产的影响更小。
结语
手持式三维扫描仪凭借其便携性、灵活性和高效的特点，很好地解决了大工件测量的难题。通过标记点拼接、跟踪定位、实时数据处理等技术，它可以在现场快速完成大尺寸工件的三维测量，得到完整、准确的三维数据。
对于有大工件测量需求的企业来说，选择一台合适的手持式三维扫描仪，再掌握正确的操作方法和技巧，可以大大提高测量的效率，缩短检测周期，为产品质量控制和研发生产提供有力的支持。