影像测量仪的发展与点评

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影像测量仪是一种“基于成像在光电耦合器件上的光学影像系统(简称影像系统),通过光电耦合器件采集,经过软件处理成像,显示在计算机屏幕上,利用测量软 件进行几何运算得出最终结果的非接触式测量仪器”。测量软件通过数字图像处理技术提取工件表面的坐标点,再利用坐标变换和数据处理技术转换成坐标测量空间中的各种几何要素,从而得到被测工件几何尺寸和形位公差等参数。
1、影像测量仪发展概述
20世纪70年代后期,尤其是在David Marr教授建立“计算视觉(Computational Vision)”理论框架以来,图像处理技术和图像传感器获得了快速发展。随着坐标测量技术的日趋发展与成熟,在以光学比较为基础的光学测量领域里,坐标 测量方法的发展应用有了更进一步的实质性进展。
1977年,美国View Engineering公司发明了世界上第一台由电机驱动XYZ轴的RB-1影像测量系统(见图1),它是一台控制终端整合了视频检测和软件测量的自动影像测量仪。此外,Mechanical Technology公司的BoiceVista系统则充分借鉴了坐标测量机的优势,在坐标测量机的测头上集成了一个视频图像测量系统,该系统可以将测量数据与预先编制好的标称尺寸和公差进行 比较。
这两台仪器通过不同途径借鉴了坐标测量机的坐标测量原理,将被测量物体的图像投影到坐标系中。其测量平台继承了坐标测量机的形式,但其测头与光学投影仪相似。这些仪器的出现开辟了一个重要的测量仪器行业,即影像测量仪行业。上世纪80年代初,影像测量技术有了重要的发展。1981年,ROI公司开发出光学影像探针(见图2),可以替代坐标测量机上的接触式探针进行非接触式测量,从此这个光学配件就成了影像设备的基础部件之一。在80年代中期,市场上又出现了带高放大倍率显微镜目镜的影像测量仪。
进入上世纪90年代,随着CCD技术、计算机技术、数字图像处理技术、LED照明技术、直流/交流伺服驱动技术的发展,影像测量仪产品获得了巨大的发展。更多的厂商进入到影像测量仪产品市场,共同推进了影像测量仪产品的发展。2000年以后,我国在该领域的技术水平不断提高,有关影像测量技术研究的文献也不断出现;国内企业(如天准、智泰、怡信、赛克数码、新天等公司)所开发的影像测量仪在生产规模、品种和质量上也不断有所提升和发展。2009年我国制定了国家标准GB/T24762-2009:产品几何技术规范(GPS)影像测量仪的验收检测和复检检测,它适用于XY平面直角坐标系的影像测量仪,包括在垂直于平面直角坐标系Z方向上具有定位或测量功能的影像测量仪。值得一提的是天准科技股份有限公司，该公司由一批风华正茂、胸怀振兴我国精密测量行业壮志的学子们所创建，在学习借鉴国外优秀产品的基础上开发创新，形成了自身的特色和优势。经过多年不谢努力，天准公司于2007年在国内首次推出了具有完全自主知识产权的三维自动影像测量仪系列产品，填补了国内空白，在国产的影像测量仪中处于技术领先地位。
2、影像测量仪的评估
本文尝试从仪器结构、关键技术指标等方面对影像测量仪产品进行评价,由于笔者影像测头方面的资料欠缺,故未与涉及。
(1)外观与结构
精密测量仪器类产品的外观与结构是用户选择的重要依据。好的产品外观与结构,给人以稳重、可靠、精密的感觉,往往是决定一款产品在市场获得成败的重要因素。
目前影像测量仪的结构形式主要有立柱式结构、固定桥式结构与移动桥式结构。立柱式结构和固定桥式结构在小量程的影像测量仪中应用都很广泛,各有优势。移动桥式结构主要用在特大量程的影像测量仪中。立柱式结构的优势在于结构紧凑、占用场地小、装取工件方便;固定桥式结构的特点是产品稳重、大气,但占用场地较大,装取工件不太方便;移动桥式结构则容易实现大量程测量,测量过程中工件固定不动。
(2)光源系统
光源系统在影像测量仪中起着至关重要的作用,直接决定着一台影像仪性能的好坏、功能的强弱。好的光源系统可帮助影像测头获取清晰、锐利、均匀一致的正确图像,确保测量的精度与重复性。为实现对不同材质、不同形状、不同种类的工件提供有效的照明,完成复杂的测量任务,影像测量仪通常都会提供三种照明光源:表面光源、轮廓光源、同轴光源。
表面光源为工件上表面的测量提供照明。好的表面光源,要能提供不同入射角度和不同入射方向的照明,确保不同的工件获得一致的照明效果。
轮廓光源为工件外轮廓、通孔等测量提供照明。轮廓光源通常安装在影像测量仪的底座上,在工作时,图像上被工件阻挡部分成像为黑色,无阻挡部分为白色,帮助影像测头获得黑白分明、对比度高、边界清晰的工件图像。在轮廓光源照明下,仪器往往能达到最高的测量精度。同轴光源沿着镜头光轴方向投射到工件表面, 可为工件的高反射率表面和深孔部位的测量提供照明。
(3)多测头集成
影像测头在二维尺寸测量上具备无可比拟的速度优势,但影像测头也有其不擅长的地方,在三维测量中,测量效率不够高、工件侧面特征无法测量等。由此就出现了多测头集成的需求,综合使用影像测头、接触式测头、激光测头和白光测头等,可针对不同的工件及不同的测量需求,选择最合适的测量方式,以便提供最佳的测量精度以及最好的测量效率。在二维尺寸的大批量检测时,可使用影像测头;在测量复杂工件侧壁,而对效率要求又不高的情况下,可选择接触式测量;在复杂工件的三维测量中,如果对效率要求很高,可使用白光测头或激光测头。
(4)测量性能
精度是测量仪器的根本,精度是用户选择仪器的最重要指标之一。影像测量仪的测量精度主要取决于影像测头的质量、照明光源系统性能、仪器运动及定位精度,数据处理测量软、硬件的质量和水平也是极其重要的影响因素。 作为自动化测量仪器,影像测量仪的测量效率是客户最为看重的要素之一。高测量效率可以减少设备投入、提高生产效率、降低人工费用等。
(5)测量功能
影像测量仪的基本测量功能通常包括:点、线、圆、弧等多种基本几何量的测量,在测量方式上,提供多种提取及构建方式;提供多种形状公差和位置公差的测量;提供多种坐标系建立方式;提供手动测量与自动批量测量;批量测量程序可记录测量基元、提取方式、机台操控、光源控制、自动聚焦等过程;可导入导出CAD图纸;测量数据输出到指定格式的报表中。 除了这些基本测量功能外,仪器厂商通常还会提供SPC、图纸比对、离线编程、定制输出报表等扩展功能。部分厂商还会针对特定用户行业的测量需求,开发相应的专用软件或硬件,增加仪器测量功能,如小模数齿轮测量、试验筛校准等。
(6)其他方面
产品易用性、对环境的适应性、操作界面是否人性化等方面,也是判别仪器性能的重要因素。是否能方便建立测量任务、制定及输出报表、机台操控等，影响用户对仪器的接受程度。
仪器的长期稳定性，测量方案的提供，客户服务的响应速度，交货周期、定制化开发能力等等，都是影响客户选择影像测量仪产品的重要因素。
3、国内外典型产品的点评
影像测量仪可大致分为科学级和工业级两大类。科学级产品精度非常高,对工作环境和操作人员要求也非常高,目前世界上只有少数厂家有这类产品,其市场容量很小。 工业级产品占据了市场最大份额。在工业级产品中,精度高、性能稳定、效率高、功能丰富的一线品牌主要有国外的蔡司、三丰、尼康、OGP、海克斯康及国内的天准等公司。它们各自开发的具有三维影像测量功能的品牌产品代表了当今工业级影像测量仪的先进水平,本文拟以这些公司相同规格的一个主导产品作为对象,进行概略的介绍比较。其他常见的进口品牌及绝大部分国产品牌的产品,总体水平质量上相比来看,还存在一些差距。
(1)蔡司
德国蔡司公司是工业测量领域的著名企业,具有丰富的产品线,其CMM更曾是高端CMM的代名词。蔡司旗下最有代表性的影像测量仪产品为O-INSPECT。O-INSPECT采用固定桥式结构,产品美观、稳重,具备影像式测头和接触式测头两种检测手段。
(2)三丰
日本三丰公司作为世界著名的精密测量仪器制造商,其影像测量仪产品线广、型号齐全,图4为其代表性产品QV-ELF202PRO。该产品采用固定桥式结构,产品外观稳重、大气。
(3)天准
中国苏州的天准科技股份有限公司多年来专注于精密测量仪器的研发,是中国技术领先的影像测量仪品牌,两项国家校准规范的起草单位。其代表性产品MU322具有测量精度高、测量速度快、功能丰富等优点。
(4)尼康
日本尼康在光学测量仪器领域技术实力雄厚、产品众多。其典型产品VMR3020产品美观、精致,测量精度高,功能全面。
(5)OGP美国
OGP公司一直致力于影像测量仪产品的开发、生产、与销售，拥有影像测量仪的多项核心技术，其典型产品ZIP250。它采用了固定柱式结构，仪器技术水平较高。
(6)海克斯康
瑞典的海克斯康是全球知名的长度测量仪器厂商,2010年初推出了Optive系列影像测量仪,其中的Performance222。该产品源自Mahr技术,采用立柱式结构,结构稳定、精度高,是一款优秀的影像测量仪产品。
4、影像测量仪点评
(1)外观与结构
立柱式结构和固定桥式结构使用都较为普遍,各个厂家各有考虑。
在小量程产品中,普遍采用了直线导轨的方式,气浮结构一般应用在大量程产品中。在传动方面,滚珠丝杠和无牙螺杆应用都比较广泛,滚珠丝杠具有传动效率高、刚性好、寿命长等优势,无牙螺杆则具有传动稳定、振动小、有过载保护等优点。
(2)测量性能(精度与速度)
各厂家产品测量性能,其中L的单位均为mm。
测量性能主要从测量精度和测量效率两个方面来考察。在测量精度方面,这几款产品都达到了极高的测量精度。测量速度对与大批量检测来说是至关重要的,测量速度很大程度上取决于机台的移动速度。天准公司产品在保证高测量精度的同时,还提供了高的测量速度,具有一定的优势。
(3)光源系统
在精密测量仪器领域,LED光源日益成为照明的最佳选择,LED光源具有寿命长、发热低、可组合成任意形状、光源波长选择范围宽等诸多优点,已经在多个领域取代了传统的卤素灯光源。各厂家产品光源系统的比较见表3。
表面光源的功能强弱至关重要,天准和OGP公司产品配备了6环8区表面光源,可提供48个分段独立控制功能,以更多的分环提供更多的光源照射角度,以更多的分区提供更多的光源照射方位,可灵活地为各种类型的工件提供良好的视觉照明,解决了常规光源无法对多种工件都提供一致照明的难题。
(4)多测头
点评的仪器大多配备了影像式测头、接触式测头和激光测头三种方式，只有个别品牌产品的测头配备不够全面。

由此可以看到,多测头集成是影像测量仪发展的必然趋势,除了在硬件上配备这三种测头外,参评仪器的测量软件也对三种测头提供支持,并对三种测头的测量数据进行同一坐标空间的数据融合。白光测头的配置近年开始出现并有增加趋势。
(5)测量功能
上述点评的仪器都具备常规的几何量测量、自动批量测量、报表输出等功能。而对于SPC、图纸比对等高级功能,大部分厂家以附加功能包的选配形式提供,用户需要支付一定的额外费用才能享受到这些功能带来的便利。 天准产品在提供了如表5所示全套测量功能,还为用户定制开发并提供独有的专用测量软件模块,如小模数齿轮测量、全景扫描测量、试验筛校准、半径样板校准、喷丝板测量等专用软件,解决或部分解决了这些行业中长期存在的一些关键测量难题,得到了用户好评。
(6)其他方面
表6所示为各厂家产品在其他方面性能的比较。
各品牌产品都提供了操作手柄和软件共同控制机台的功能,天准的VUM322提供了多达8种软件操控机台手段,极大地增加了仪器的可操作性。除此之外,仪器的长期稳定性、测量方案的提供能力、客户服务的响应速度、交货周期、定制化开发能力等,也都是影响客户选择影像测量仪产品的重要因素。用户需要根据自己的需求和实际状况来进行最佳选择。
5 结语
本文选取6个国内外知名品牌的影像测量仪产品进行了点评。这些产品测量精度高、测量速度快、测量功能完备,代表了当今工业级影像测量仪行业的先进水平。我们可喜地看到,天准科技股份有限公司作为国产影像测量仪产品的领先品牌,其主导产品在测量精度、测量速度、软件功能等多个方面都具备了和国际一流品牌相当的指标,在国外品牌具有主导和优势的高端工业级图像测量仪领域中占据了一席之地;而在为用户提供优质快速服务、开发定制专用软件等方面,天准公司占有明显优势,具备很强的竞争力。 随着技术的进步以及客户测量需求的不断提高,影像测量技术正朝着多测头进一步集成、测量数据共享、在线测量、信息网络化等方向发展,测量精度更高、测量速度更快、测量功能更强的多坐标影像测量仪、行业性专用图像测量仪将得到进一步的发展。

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