系列结构光面扫描三维测量系统产业化

（1）项目来源

黑龙江省自然科学基金重点项目、教育部科学技术重点项目、哈尔滨市科技局科研项目。

（2）项目依托单位（公司）实力概述

项目依托单位：黑龙江科技大学现代制造工程中心/“3D制造”研究院

现代制造工程中心/“3D制造”研究院与2005年成立，下设四个研究所，即：粉末先进技术及装备研究所、逆向测量技术及装备研究所、高速精密加工与检测研究所和煤矿智能结构域智能系统研究所，还拥有数控加工基地，设备资产超过5000万元。

经过多年的积累，凝练和形成了“快速制造集成技术及装备”科研体系。先后完成和承担国家重大863计划项目、国家科技重大专项、国家自然科学基金项目、黑龙江省自然科学基金重点项目、教育部重点项目、黑龙江省教育厅振兴老工业基地重大项目、哈尔滨市产业化重大项目等。受理授权国家发明专利39项，其中授权16项。中心的三维测量方向、快速成形方向和高速精密加工方向在国内处于领先水平。研发的具有完全自主知识产权的系列结构光面扫描三维测量设备已经实现产业化，累计销售105台套，并在国防、航空航天、发电、汽车、教育教学等领域的100多个单位得到应用。研发的金属“3D打印”设备和熔融沉积“3D打印”已经商品化和产业化，整体水平国内领先。先后获得教育部科技进步一等奖、黑龙江省技术发明一等奖、中国机械工业科学技术一等奖、黑龙江省科技进步二等奖和黑龙江省青年科技奖等奖项。

已形成国防、航空服务特色，是全国高校具有航空发动机关键零件叶轮批量生产能力的两所高校之一，也是全国高校唯一一家直升机批量生产合格产品供应商，曾三次获得哈尔滨飞机工业集团有限公司合格供应商质量金牌荣誉。创造直接和间接经济效益超过5.95亿元，显著提升了学校的社会声誉。

（3）基础条件及创新发展能力

1）基础条件

黑龙江科技大学利用奥地利政府贷款，花费5000余万元人民币购置了国际一流水平的高端设备。其中包括：主轴最高转速42 000转的瑞士MIKRON公司数控五轴联动超高速加工中心；英国的热场发射扫描电子显微镜；德国DMG公司数控立式加工中心和车削中心；奥地利的数控立式加工中心和车削中心；日本FANUC公司数控电火花慢走丝线切割机床；德国GOM公司ATOS精密光学三维扫描测量系统和德国Zeiss公司三坐标测量机以及数种大型、通用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件等。创新团队具有研究方向明确、领军人物研究基础好、人才梯队合理、科研平台层次高、凝聚力强、创新能力可持续等六大优势。学校在人才引进、日常工作开展、科研经费配套与使用等方面均给予特殊政策倾斜等。

通过ISO9001：2000国际质量管理体系认证和GJB9001A－2001质量管理体系认证。2008年，与哈飞合作成立“大型覆盖件逆向测量与质量评价中心”。 2010年，通过中航工业哈尔滨飞机工业（集团）有限责任公司和欧洲直升机公司的EC175/Z15型机质量审查，成为哈飞合格供应商。2010年，通过ISO9001：2008国际质量管理体系认证和GJB9001B－2009质量管理体系认证。与东安发动机（集团）公司合作成立“航空发动机零部件三维测量与叶轮叶片加工基地”；与哈尔滨汽轮机厂合作成立“涡轮发电机叶片质量检测监测与评价中心”。

2）创新发展能力

围绕测量研究方向，2011年，获得教育部科学技术进步奖一等奖1项；2012年，获得黑龙江省科学技术发明奖一等奖1项；2013年，获得中国机械工业科学技术奖一等奖1项和获得黑龙江省青年科技奖1项；近年累计获得受权国家发明专利8项，授理国家发明专利15项；出版专著2部。发表学术论文200余篇，被SCI、EI检索160余篇，获得软件著作权４项，制定企业标准2项。

（4）技术水平

1）技术路线

通过相位计算、参数标定、高速计算模式、全局误差控制等关键技术，研发了具有自主知识产权的系列面扫描三维测量系统，并在国防、航空航天、民用测量等领域得到广泛应用。

2）产品成熟性

研发了具有完全自主知识产权的系列面扫描三维测量系统，并推出了系列产品，是目前国内产品品种最全的单位。技术成果通过教育部和省科技厅鉴定，鉴定结论均达到国际先进水平。技术成果获教育部科学技术进步奖一等奖、黑龙江省科学技术发明奖一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖和黑龙江省青年科技奖各一项。

研发的三维扫描测量系统已经产业化（见下图），累计销售105台套。以著名仪器仪表专家叶声华院士为主任委员和著名机器人专家蔡鹤皋院士为副主任委员的教育部鉴定委员会一致认为：创新新强，所研发的产品在总体性能指标上达到同类设备的国际先进水平，推动了我国面结构光三维测量技术和设备的发展，以及在高端制造业、国防工业和其它新兴领域的应用。

系列产品在航空航天、能源电力等领域的国内外著名公司（波音、欧洲直升机公司、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司、沈阳发动机设计研究所、中航工业哈尔滨东安发动机有限公司、哈尔滨飞机工业集团有限责任公司等）得到长期稳定的应用。

3）主要创新点

a.提出了基于多频外差原理的绝对相位计算方法，建立了完善的系统非线性模型，并在此基础上提出了精确的加码参数标定算法，显著提高了面结构光三维测量计算中相位计算的稳定性和精度，保证了所开发的设备能够稳定精确地测量任意复杂形状的物体。

b.提出了一种高精度的面结构三维测量系统参数标定算法，并针对其中涉及的圆心坐标提取与校正技术进行了研究，为保证设备三维测量的精度提供了重要的基础。

c.实现了标志点自动拼合技术和转台自动拼合计算，测量时可根据物体特点选择合适的自动拼合方法；提出基于光束平差的算法误差控制方法；建立了完善的检测标准，以科学的衡量面结构光三维测量设备的测量精度。

d.提出了基于大规模，细粒度并行计算的高速计算模式，在面结构光三维测量系统的整体软件流程上采用基于GPU+CPU的混合构架来提高计算速度。采用上述混合构架后，计算时间由原来的5秒减低到先在的1秒，计算效率达到了国际领先水平。

e.在上述多项关键技术的基础上，建立了整套面结构光三维测量技术体系，并根据不同领域被测物体在空间尺度上具有较大差异的特点，开发了系列面结构光三维测量设备，以满足不同领域的应用需求。

（5）经济效益和市场前景分析

三维扫描测量系统是我校科技成果转化的标志性成果。2010年，以知识产权入股的方式，与北京智名天下文化传媒有限公司合作成立智启维恩（北京）科技开发有限公司。2012年，三维扫描测量系统已经走向市场，取得了一次销售34台的良好业绩。

利用此三维测量系统测量飞机发动机机匣和减速器壳体面形与孔系，受到了哈尔滨东安发动机公司、沈阳发动机设计研究所（沈阳606所）等高端用户的好评。对中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司的飞机生产实现了运输机零部件的数字化改造，创造了很好的经济效益。针对航空发动机叶片全尺寸检测问题，黑龙江科技大学与华中科技大学、哈尔滨量具刃具集团有限责任公司、沈阳黎明发动机集团有限责任公司和哈尔滨东安发动机（集团）有限公司合作，已经研制出航空发动机叶片测量专机样机，可以在60s左右的时间里对叶片全尺寸进行快速测量，并对叶片现状进行评价。而且，该款软件与加工软件可以结合起来，用以提高叶片成品率和加工效率。争取早日突破叶轮叶片测量技术瓶颈，占领国内乃至国际学术技术制高点，为国防建设做贡献。

目前该设备已经实现系列化，研制的系列三维扫描测量设备通过市场化手段运用，并广泛把其技术应用于装备制造企业，预计5年内产生的直接经济效益将达到5000万元，实现利税1000万元，推动黑龙江省相关产业集群达到数亿产值。

（6）社会效益

三维扫描测量系统是数控加工和3D打印获得数据的两个重要来源之一，它的成功研制与应用，将显著提升我省装备制造业水平和我校在该领域内的影响力。该系统符合国家和黑龙江省的装备制造业发展需求，可以直接为企业服务，很受企业欢迎。

（7）产品产业化能力

“三维扫描测量系统”是我校科技成果转化的标志性成果。研发了具有自主知识产权的系列面扫描三维测量系统（包括测量设备、配套软件、精度检测装置和检测方法以及企业标准等）；并以此为核心技术单元，建立复杂零部件三维测量技术体系和不同功能的测量平台。2010年，以知识产权入股的方式，与北京智名天下文化传媒有限公司合作成立智启维恩（北京）科技开发有限公司。2011年，智启维恩科技开发有限公司哈尔滨分公司成立，落户我校。2012年，三维扫描测量系统已经走向市场，目前该设备已经实现系列化，包括Win3D雕刻扫描系统、模拟光栅面扫描系统、Win3DS系列四目扫描系统、Win3DS系列双目扫描系统、Win3D-Dental牙科扫描系统、Win3DD系列单目扫描系统、Win3D-Metric摄影测量系统以及Win3D脚形扫描系统。目前，取得了一次销售34台的良好业绩，累计销售100多台套，并在国防、航空航天航海、模具、工业设计、教育系统得到应用。