科普｜影(yǐng)像測量儀的(de)發展史

影(yǐng)像測量儀是一種"基于成像在光(guāng)電耦合器件上的(de)光(guāng)學影(yǐng)像系統(簡稱影(yǐng)像系統),通(tōng)過光(guāng)電耦合器件采集,經過軟件處理(lǐ)成像,顯示在計算(suàn)機屏幕上,利用(yòng)測量軟 件進行幾何運算(suàn)得(de)出最終結果的(de)非接觸式測量儀器"。測量軟件通(tōng)過數字圖像處理(lǐ)技術提取工件表面的(de)坐(zuò)标點,再利用(yòng)坐(zuò)标變換和(hé)數據處理(lǐ)技術轉換成坐(zuò)标測量空間 中的(de)各種幾何要素,從而得(de)到被測工件幾何尺寸和(hé)形位公差等參數。

1、影(yǐng)像測量儀發展概述

20世紀70年代後期,尤其是在David Marr教授建立"計算(suàn)視覺(Computational Vision)"理(lǐ)論框架以來(lái),圖像處理(lǐ)技術和(hé)圖像傳感器獲得(de)了(le)快(kuài)速發展。随著(zhe)坐(zuò)标測量技術的(de)日趨發展與成熟,在以光(guāng)學比較爲基礎的(de)光(guāng)學測量領域裏,坐(zuò)标 測量方法的(de)發展應用(yòng)有了(le)更進一步的(de)實質性進展。

1977年,美(měi)國View Engineering公司發明(míng)了(le)世界上第一台由電機驅動XYZ軸的(de)RB-1影(yǐng)像測量系統,它是一台控制終端整合了(le)視頻(pín)檢測和(hé)軟件測量的(de)自動影(yǐng)像測量儀。此外,Mechanical Technology公司的(de)Boice Vista系統則充分(fēn)借鑒了(le)坐(zuò)标測量機的(de)優勢,在坐(zuò)标測量機的(de)測頭上集成了(le)一個(gè)視頻(pín)圖像測量系統,該系統可(kě)以将測量數據與預先編制好的(de)标稱尺寸和(hé)公差進行比較。

這(zhè)些儀器的(de)出現開辟了(le)一個(gè)重要的(de)測量儀器行業,即影(yǐng)像測量儀行業。上世紀80年代初,影(yǐng)像測量技術有了(le)重要的(de)發展。1981年,ROI公司開發出光(guāng)學影(yǐng)像探針,可(kě)以替代坐(zuò)标測量機上的(de)接觸式探針進行非接觸式測量,從此這(zhè)個(gè)光(guāng)學配件就成了(le)影(yǐng)像設備的(de)基礎部件之一。在80年代中期,市場(chǎng)上又出現了(le)帶高(gāo)放大(dà)倍率顯微鏡目鏡的(de)影(yǐng)像測量儀。

進入上世紀90年代,随著(zhe)CCD技術、計算(suàn)機技術、數字圖像處理(lǐ)技術、LED照(zhào)明(míng)技術、直流/交流伺服驅動技術的(de)發展,影(yǐng)像測量儀産品獲得(de)了(le)巨大(dà)的(de)發展。 更多(duō)的(de)廠商進入到影(yǐng)像測量儀産品市場(chǎng),共同推進了(le)影(yǐng)像測量儀産品的(de)發展。2000年以後,我國在該領域的(de)技術水(shuǐ)平不斷提高(gāo),有關影(yǐng)像測量技術研究的(de)文獻也(yě) 不斷出現;國内企業(如天準、智泰、怡信、賽克數碼、新天等公司)所開發的(de)影(yǐng)像測量儀在生産規模、品種和(hé)質量上也(yě)不斷有所提升和(hé)發展。2009年我國制定了(le)國家标準GB/T24762-2009:産品幾何技術規範(GPS)影(yǐng)像測量儀的(de)驗收檢測和(hé)複檢檢測,它适用(yòng)于XY平面直角坐(zuò)标系的(de)影(yǐng)像測量儀,包括在垂直于平面直角坐(zuò)标系Z方向上具有定位或測量功能的(de)影(yǐng)像測量儀。

2、影(yǐng)像測量儀的(de)評估

本文嘗試從儀器結構、關鍵技術指标等方面對(duì)影(yǐng)像測量儀産品進行評價,由于筆者影(yǐng)像測頭方面的(de)資料欠缺,故未與涉及。

(1)外觀與結構

精密測量儀器類産品的(de)外觀與結構是用(yòng)戶選擇的(de)重要依據。好的(de)産品外觀與結構,給人(rén)以穩重、可(kě)靠、精密的(de)感覺,往往是決定一款産品在市場(chǎng)獲得(de)成敗的(de)重要因素。

目前影(yǐng)像測量儀的(de)結構形式主要有立柱式結構、固定橋式結構與移動橋式結構。立柱式結構和(hé)固定橋式結構在小量程的(de)影(yǐng)像測量儀中應用(yòng)都很廣泛,各有優勢。移動橋式結構主要用(yòng)在特大(dà)量程的(de)影(yǐng)像測量儀中。立柱式結構的(de)優勢在于結構緊湊、占用(yòng)場(chǎng)地小、裝取工件方便;固定橋式結構的(de)特點是産品穩重、大(dà)氣,但占用(yòng)場(chǎng)地較大(dà),裝取工件不太方便;移動橋式結構則容易實現大(dà)量程測量,測量過程中工件固定不動。

(2)光(guāng)源系統

光(guāng)源系統在影(yǐng)像測量儀中起著(zhe)至關重要的(de)作用(yòng),直接決定著(zhe)一台影(yǐng)像儀性能的(de)好壞、功能的(de)強弱。好的(de)光(guāng)源系統可(kě)幫助影(yǐng)像測頭獲取清晰、銳利、均勻一緻的(de)正确圖像,确保測量的(de)精度與重複性。爲實現對(duì)不同材質、不同形狀、不同種類的(de)工件提供有效的(de)照(zhào)明(míng),完成複雜(zá)的(de)測量任務,影(yǐng)像測量儀通(tōng)常都會提供三種照(zhào)明(míng)光(guāng)源:表面光(guāng)源、輪廓光(guāng)源、同軸光(guāng)源。

表面光(guāng)源爲工件上表面的(de)測量提供照(zhào)明(míng)。好的(de)表面光(guāng)源,要能提供不同入射角度和(hé)不同入射方向的(de)照(zhào)明(míng),确保不同的(de)工件獲得(de)一緻的(de)照(zhào)明(míng)效果。

輪廓光(guāng)源爲工件外輪廓、通(tōng)孔等測量提供照(zhào)明(míng)。輪廓光(guāng)源通(tōng)常安裝在影(yǐng)像測量儀的(de)底座上,在工作時(shí),圖像上被工件阻擋部分(fēn)成像爲黑(hēi)色,無阻擋部分(fēn)爲白色,幫助影(yǐng)像測頭獲得(de)黑(hēi)白分(fēn)明(míng)、對(duì)比度高(gāo)、邊界清晰的(de)工件圖像。在輪廓光(guāng)源照(zhào)明(míng)下(xià),儀器往往能達到最高(gāo)的(de)測量精度。 同軸光(guāng)源沿著(zhe)鏡頭光(guāng)軸方向投射到工件表面, 可(kě)爲工件的(de)高(gāo)反射率表面和(hé)深孔部位的(de)測量提供照(zhào)明(míng)。

(3)多(duō)測頭集成

影(yǐng)像測頭在二維尺寸測量上具備無可(kě)比拟的(de)速度優勢,但影(yǐng)像測頭也(yě)有其不擅長(cháng)的(de)地方,在三維測量中,測量效率不夠高(gāo)、工件側面特征無法測量等。由此就出現了(le)多(duō)測頭集成的(de)需求,綜合使用(yòng)影(yǐng)像測頭、接觸式測頭、激光(guāng)測頭和(hé)白光(guāng)測頭等,可(kě)針對(duì)不同的(de)工件及不同的(de)測量需求,選擇最合适的(de)測量方式,以便提供最佳的(de)測量精度以及最好的(de)測量效率。在二維尺寸的(de)大(dà)批量檢測時(shí),可(kě)使用(yòng)影(yǐng)像測頭;在測量複雜(zá)工件側壁,而對(duì)效率要求又不高(gāo)的(de)情況下(xià),可(kě)選擇接觸式測量;在複雜(zá)工件的(de)三維測量中,如果對(duì)效率要求很高(gāo),可(kě)使用(yòng)白光(guāng)測頭或激光(guāng)測頭。

(4)測量性能

精度是測量儀器的(de)根本,精度是用(yòng)戶選擇儀器的(de)最重要指标之一。影(yǐng)像測量儀的(de)測量精度主要取決于影(yǐng)像測頭的(de)質量、照(zhào)明(míng)光(guāng)源系統性能、儀器運動及定位精度,數據處理(lǐ)測量軟、硬件的(de)質量和(hé)水(shuǐ)平也(yě)是極其重要的(de)影(yǐng)響因素。 作爲自動化(huà)測量儀器,影(yǐng)像測量儀的(de)測量效率是客戶最爲看重的(de)要素之一。高(gāo)測量效率可(kě)以減少設備投入、提高(gāo)生産效率、降低人(rén)工費用(yòng)等。

(5)測量功能

影(yǐng)像測量儀的(de)基本測量功能通(tōng)常包括:點、線、圓、弧等多(duō)種基本幾何量的(de)測量,在測量方式上,提供多(duō)種提取及構建方式;提供多(duō)種形狀公差和(hé)位置公差的(de)測量;提供多(duō)種坐(zuò)标系建立方式;提供手動測量與自動批量測量;批量測量程序可(kě)記錄測量基元、提取方式、機台操控、光(guāng)源控制、自動聚焦等過程;可(kě)導入導出CAD圖紙;測量數據輸出到指定格式的(de)報表中。 除了(le)這(zhè)些基本測量功能外,儀器廠商通(tōng)常還(hái)會提供SPC、圖紙比對(duì)、離線編程、定制輸出報表等擴展功能。部分(fēn)廠商還(hái)會針對(duì)特定用(yòng)戶行業的(de)測量需求,開發相應的(de)專用(yòng)軟件或硬件,增加儀器測量功能,如小模數齒輪測量、試驗篩校準等。

(6)其他(tā)方面

産品易用(yòng)性、對(duì)環境的(de)适應性、操作界面是否人(rén)性化(huà)等方面,也(yě)是判别儀器性能的(de)重要因素。是否能方便建立測量任務、制定及輸出報表、機台操控等，影(yǐng)響用(yòng)戶對(duì)儀器的(de)接受程度。

儀器的(de)長(cháng)期穩定性，測量方案的(de)提供，客戶服務的(de)響應速度，交貨周期、定制化(huà)開發能力等等，都是影(yǐng)響客戶選擇影(yǐng)像測量儀産品的(de)重要因素。

3、影(yǐng)像測量儀點評

(1)外觀與結構

在小量程産品中,普遍采用(yòng)了(le)直線導軌的(de)方式,氣浮結構一般應用(yòng)在大(dà)量程産品中。在傳動方面,滾珠絲杠和(hé)無牙螺杆應用(yòng)都比較廣泛,滾珠絲杠具有傳動效率高(gāo)、剛性好、壽命長(cháng)等優勢,無牙螺杆則具有傳動穩定、振動小、有過載保護等優點。

(2)測量性能(精度與速度)

測量性能主要從測量精度和(hé)測量效率兩個(gè)方面來(lái)考察。測量速度對(duì)與大(dà)批量檢測來(lái)說是至關重要的(de),測量速度很大(dà)程度上取決于機台的(de)移動速度。

(3)光(guāng)源系統

在精密測量儀器領域,LED光(guāng)源日益成爲照(zhào)明(míng)的(de)最佳選擇,LED光(guāng)源具有壽命長(cháng)、發熱(rè)低、可(kě)組合成任意形狀、光(guāng)源波長(cháng)選擇範圍寬等諸多(duō)優點,已經在多(duō)個(gè)領域取代了(le)傳統的(de)鹵素燈光(guāng)源。

(4)多(duō)測頭

點評的(de)儀器大(dà)多(duō)配備了(le)影(yǐng)像式測頭、接觸式測頭和(hé)激光(guāng)測頭三種方式，隻有個(gè)别品牌産品的(de)測頭配備不夠全面

由此可(kě)以看到,多(duō)測頭集成是影(yǐng)像測量儀發展的(de)必然趨勢,除了(le)在硬件上配備這(zhè)三種測頭外,參評儀器的(de)測量軟件也(yě)對(duì)三種測頭提供支持,并對(duì)三種測頭的(de)測量數據進行同一坐(zuò)标空間的(de)數據融合。白光(guāng)測頭的(de)配置近年開始出現并有增加趨勢。