影像測(cè)量?jī)x是一種"基于成像在光電耦合器件上的光學(xué)影像系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱影像系統(tǒng)),通過(guò)光電耦合器件采集,經(jīng)過(guò)軟件處理成像,顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,利用測(cè)量軟件進(jìn)行幾何運(yùn)算得出最終結(jié)果的非接觸式測(cè)量?jī)x器"。測(cè)量軟件通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)提取工件表面的坐標(biāo)點(diǎn),再利用坐標(biāo)變換和數(shù)據(jù)處理技術(shù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)測(cè)量空間中的各種幾何要素,從而得到被測(cè)工件幾何尺寸和形位公差等參數(shù)。
1、影像測(cè)量?jī)x發(fā)展概述
20世紀(jì)70年代后期,尤其是在David Marr教授建立"計(jì)算視覺(jué)(Computational Vision)"理論框架以來(lái),圖像處理技術(shù)和圖像傳感器獲得了快速發(fā)展。隨著坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的日趨發(fā)展與成熟,在以光學(xué)比較為基礎(chǔ)的光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域里,坐標(biāo) 測(cè)量方法的發(fā)展應(yīng)用有了更進(jìn)一步的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
1977年,美國(guó)View Engineering公司發(fā)明了世界上第一臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)XYZ軸的RB-1影像測(cè)量系統(tǒng)(見(jiàn)圖1),它是一臺(tái)控制終端整合了視頻檢測(cè)和軟件測(cè)量的自動(dòng)影 像測(cè)量?jī)x。此外,Mechanical Technology公司的Boice Vista系統(tǒng)則充分借鑒了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的優(yōu)勢(shì),在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭上集成了一個(gè)視頻圖像測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以將測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)先編制好的標(biāo)稱尺寸和公差進(jìn)行 比較。
這兩臺(tái)儀器通過(guò)不同途徑借鑒了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的坐標(biāo)測(cè)量原理,將被測(cè)量物體的圖像投影到坐標(biāo)系中。其測(cè)量平臺(tái)繼承了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的形式,但其測(cè)頭與光學(xué)投影儀相 似。這些儀器的出現(xiàn)開(kāi)辟了一個(gè)重要的測(cè)量?jī)x器行業(yè),即影像測(cè)量?jī)x行業(yè)。上世紀(jì)80年代初,影像測(cè)量技術(shù)有了重要的發(fā)展。1981年,ROI公司開(kāi)發(fā)出光學(xué) 影像探針(見(jiàn)圖2),可以替代坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的接觸式探針進(jìn)行非接觸式測(cè)量,從此這個(gè)光學(xué)配件就成了影像設(shè)備的基礎(chǔ)部件之一。在80年代中期,市場(chǎng)上又出現(xiàn) 了帶高放大倍率顯微鏡目鏡的影像測(cè)量?jī)x。
進(jìn)入上世紀(jì)90年代,隨著CCD技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、LED照明技術(shù)、直流/交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,影像測(cè)量?jī)x產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展。 更多的廠商進(jìn)入到影像測(cè)量?jī)x產(chǎn)品市場(chǎng),共同推進(jìn)了影像測(cè)量?jī)x產(chǎn)品的發(fā)展。2000年以后,我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)水平不斷提高,有關(guān)影像測(cè)量技術(shù)研究的文獻(xiàn)也 不斷出現(xiàn);國(guó)內(nèi)企業(yè)(如天準(zhǔn)、智泰、怡信、賽克數(shù)碼、新天等公司)所開(kāi)發(fā)的影像測(cè)量?jī)x在生產(chǎn)規(guī)模、品種和質(zhì)量上也不斷有所提升和發(fā)展。2009年我國(guó)制定 了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24762-2009:產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)影像測(cè)量?jī)x的驗(yàn)收檢測(cè)和復(fù)檢檢測(cè),它適用于XY平面直角坐標(biāo)系的影像測(cè)量?jī)x,包括在 垂直于平面直角坐標(biāo)系Z方向上具有定位或測(cè)量功能的影像測(cè)量?jī)x。
2、影像測(cè)量?jī)x的評(píng)估
我們不妨從儀器結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)等方面對(duì)影像測(cè)量?jī)x產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(1)外觀與結(jié)構(gòu)
精密測(cè)量?jī)x器類產(chǎn)品的外觀與結(jié)構(gòu)是用戶選擇的重要依據(jù)。好的產(chǎn)品外觀與結(jié)構(gòu),給人以穩(wěn)重、可靠、精密的感覺(jué),往往是決定一款產(chǎn)品在市場(chǎng)獲得成敗的重要因素。
目前影像測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)形式主要有立柱式結(jié)構(gòu)、固定橋式結(jié)構(gòu)與移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)。立柱式結(jié)構(gòu)和固定橋式結(jié)構(gòu)在小量程的影像測(cè)量?jī)x中應(yīng)用都很廣泛,各有優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)主要用在特大量程的影像測(cè)量?jī)x中。立柱式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊、占用場(chǎng)地小、裝取工件方便;固定橋式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是產(chǎn)品穩(wěn)重、大氣,但占用場(chǎng)地較大,裝取工件不太方便;移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)則容易實(shí)現(xiàn)大量程測(cè)量,測(cè)量過(guò)程中工件固定不動(dòng)。
(2)光源系統(tǒng)
光源系統(tǒng)在影像測(cè)量?jī)x中起著至關(guān)重要的作用,直接決定著一臺(tái)影像儀性能的好壞、功能的強(qiáng)弱。好的光源系統(tǒng)可幫助影像測(cè)頭獲取清晰、銳利、均勻一致的正確圖像,確保測(cè)量的精度與重復(fù)性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材質(zhì)、不同形狀、不同種類的工件提供有效的照明,完成復(fù)雜的測(cè)量任務(wù),影像測(cè)量?jī)x通常都會(huì)提供三種照明光源:表面光源、輪廓光源、同軸光源。
表面光源為工件上表面的測(cè)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,確保不同的工件獲得一致的照明效果。
輪廓光源為工件外輪廓、通孔等測(cè)量提供照明。輪廓光源通常安裝在影像測(cè)量?jī)x的底座上,在工作時(shí),圖像上被工件阻擋部分成像為黑色,無(wú)阻擋部分為白色,幫助影像測(cè)頭獲得黑白分明、對(duì)比度高、邊界清晰的工件圖像。在輪廓光源照明下,儀器往往能達(dá)到最高的測(cè)量精度。
同軸光源沿著鏡頭光軸方向投射到工件表面, 可為工件的高反射率表面和深孔部位的測(cè)量提供照明。
(3)多測(cè)頭集成
影像測(cè)頭在二維尺寸測(cè)量上具備無(wú)可比擬的速度優(yōu)勢(shì),但影像測(cè)頭也有其不擅長(zhǎng)的地方,在三維測(cè)量中,測(cè)量效率不夠高、工件側(cè)面特征無(wú)法測(cè)量等。由此就出現(xiàn)了多測(cè)頭集成的需求,綜合使用影像測(cè)頭、接觸式測(cè)頭、激光測(cè)頭和白光測(cè)頭等,可針對(duì)不同的工件及不同的測(cè)量需求,選擇最合適的測(cè)量方式,以便提供最佳的測(cè)量精度以及最好的測(cè)量效率。在二維尺寸的大批量檢測(cè)時(shí),可使用影像測(cè)頭;在測(cè)量復(fù)雜工件側(cè)壁,而對(duì)效率要求又不高的情況下,可選擇接觸式測(cè)量;在復(fù)雜工件的三維測(cè)量中,如果對(duì)效率要求很高,可使用白光測(cè)頭或激光測(cè)頭。
(4)測(cè)量性能
精度是測(cè)量?jī)x器的根本,精度是用戶選擇儀器的最重要指標(biāo)之一。影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度主要取決于影像測(cè)頭的質(zhì)量、照明光源系統(tǒng)性能、儀器運(yùn)動(dòng)及定位精度,數(shù)據(jù)處理測(cè)量軟、硬件的質(zhì)量和水平也是極其重要的影響因素。 作為自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器,影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量效率是客戶最為看重的要素之一。高測(cè)量效率可以減少設(shè)備投入、提高生產(chǎn)效率、降低人工費(fèi)用等。
(5)測(cè)量功能
影像測(cè)量?jī)x的基本測(cè)量功能通常包括:點(diǎn)、線、圓、弧等多種基本幾何量的測(cè)量,在測(cè)量方式上,提供多種提取及構(gòu)建方式;提供多種形狀公差和位置公差的測(cè)量;提供多種坐標(biāo)系建立方式;提供手動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)批量測(cè)量;批量測(cè)量程序可記錄測(cè)量基元、提取方式、機(jī)臺(tái)操控、光源控制、自動(dòng)聚焦等過(guò)程;可導(dǎo)入導(dǎo)出CAD圖紙;測(cè)量數(shù)據(jù)輸出到指定格式的報(bào)表中。 除了這些基本測(cè)量功能外,儀器廠商通常還會(huì)提供SPC、圖紙比對(duì)、離線編程、定制輸出報(bào)表等擴(kuò)展功能。部分廠商還會(huì)針對(duì)特定用戶行業(yè)的測(cè)量需求,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的專用軟件或硬件,增加儀器測(cè)量功能,如小模數(shù)齒輪測(cè)量、試驗(yàn)篩校準(zhǔn)等。
(6)其他方面
產(chǎn)品易用性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、操作界面是否人性化等方面,也是判別儀器性能的重要因素。是否能方便建立測(cè)量任務(wù)、制定及輸出報(bào)表、機(jī)臺(tái)操控等，影響用戶對(duì)儀器的接受程度。
儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，測(cè)量方案的提供，客戶服務(wù)的響應(yīng)速度，交貨周期、定制化開(kāi)發(fā)能力等等，都是影響客戶選擇影像測(cè)量?jī)x產(chǎn)品的重要因素。
三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是指在一個(gè)六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長(zhǎng)度及圓周分度等測(cè)量能力的儀器，又稱為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或三坐標(biāo)量床。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x又可定義“一種具有可作三個(gè)方向移動(dòng)的探測(cè)器，可在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測(cè)器以接觸或非接觸等方式傳遞訊號(hào)，三個(gè)軸的位移測(cè)量系統(tǒng)（如光柵尺）經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)（x，y，z）及各項(xiàng)功能測(cè)量的儀器”。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量功能應(yīng)包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。
三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x三軸均有氣源制動(dòng)開(kāi)關(guān)及微動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)單軸的精密傳動(dòng)，采用高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具裝備、齒輪測(cè)量、葉片測(cè)量機(jī)械制造、工裝夾具、汽模配件、電子電器等精密測(cè)量。
三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的基本構(gòu)成
1、 X向橫梁：采用精密斜梁技術(shù)。
2、Y向?qū)к墸翰捎锚?dú)特的直接加工在工作臺(tái)上的整體下燕尾槽定位結(jié)構(gòu)。
3、導(dǎo)軌方式：采用自潔式預(yù)載荷高精度空氣軸承組成的四面環(huán)抱式靜壓氣浮導(dǎo)軌。
4、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：采用本產(chǎn)高性能DC直流伺服電機(jī)、柔性同步齒形帶傳動(dòng)裝置，各軸均有限位和電子控制，傳動(dòng)更快捷、運(yùn)動(dòng)性能更佳。
5、Z向主軸：可調(diào)節(jié)的氣動(dòng)平衡裝置，提高了Z軸的定位精度。
6、控制系統(tǒng)：采用進(jìn)口的雙計(jì)算機(jī)三座標(biāo)專用控制系統(tǒng)。
7、機(jī)器系統(tǒng)：采用計(jì)算機(jī)輔助3D誤差修正技術(shù)（CAA），保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和高精度。
8、測(cè)量軟件：采用功能強(qiáng)大的3D-DMIS測(cè)量軟件包，具有完善的測(cè)量功能和聯(lián)機(jī)功能。
三坐標(biāo)測(cè)試儀的功能原理
簡(jiǎn)單地說(shuō)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是在三個(gè)相互垂直的方向上有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測(cè)長(zhǎng)元件、數(shù)顯裝置，有一個(gè)能夠放置工件的工作臺(tái)(大型和巨型不一定有)，測(cè)頭可以以手動(dòng)或機(jī)動(dòng)方式輕快地移動(dòng)到被測(cè)點(diǎn)上，由讀數(shù)設(shè)備和數(shù)顯裝置把被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值顯示出來(lái)的一種測(cè)量設(shè)備。顯然這是最簡(jiǎn)單、最原始的測(cè)量機(jī)。有了這種測(cè)量機(jī)后，在測(cè)量容積里任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值都可通過(guò)讀數(shù)裝置和數(shù)顯裝置顯示出來(lái)。測(cè)量機(jī)的采點(diǎn)發(fā)訊裝置是測(cè)頭，在沿X，Y，Z三個(gè)軸的方向裝有光柵尺和讀數(shù)頭。其測(cè)量過(guò)程就是當(dāng)測(cè)頭接觸工件并發(fā)出采點(diǎn)信號(hào)時(shí)，由控制系統(tǒng)去采集當(dāng)前機(jī)床三軸坐標(biāo)相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)值，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
三坐標(biāo)測(cè)試儀的知名品牌
1.ZEISS蔡司
始于1846年德國(guó)，是全球領(lǐng)先的光學(xué)、精密工程及電子觀測(cè)制造商，在光學(xué)及光電子學(xué)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的全球性國(guó)際化公司。1973年蔡司就已經(jīng)成功制造世界上第一臺(tái)CNC三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)-UMM500。同時(shí)蔡司不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)與推出新產(chǎn)品，到現(xiàn)在為止已擁有多個(gè)國(guó)際專利。蔡司測(cè)量機(jī)在航空、航天、汽車(chē)、電子、機(jī)械與塑料等多個(gè)行業(yè)中得到廣泛的使用。
2.HEXAGON?？怂箍?/span>
創(chuàng)建于1975年瑞士，其測(cè)頭技術(shù)在機(jī)床工具行業(yè)享有盛名。?？怂箍禍y(cè)量技術(shù)主要包括兩個(gè)部分：“大尺寸計(jì)量”，主要包括山體測(cè)量、城市測(cè)繪、道路干線、隧道橋梁、以及其它建筑工程的的測(cè)量?！靶〕叽缬?jì)量”，關(guān)注更加精密的尺寸測(cè)量任務(wù)，面向制造業(yè)提供的各種產(chǎn)品，包括汽車(chē)、航空航天、機(jī)床、軍工、加工制造以及日用消費(fèi)品。
3.Mitutoyo三豐
日本著名測(cè)量?jī)x品牌，全球測(cè)量方案和測(cè)量設(shè)備專業(yè)提供商，專注于測(cè)量方案和測(cè)量設(shè)備的全球性公司，在整個(gè)量具行業(yè)獨(dú)占鰲頭。主要產(chǎn)品包括：量具行業(yè)的各個(gè)項(xiàng)目，包括：千分尺、卡尺、深度尺、內(nèi)徑千分尺、千分表、杠桿千分表、高度尺、微分頭、量塊、線性測(cè)微器、光柵尺、粗糙度儀、輪廓測(cè)量?jī)x、顯微鏡、硬度計(jì)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。
4.Wenzel溫澤
德國(guó)溫澤集團(tuán)是計(jì)量領(lǐng)域創(chuàng)新的先驅(qū)。溫澤多樣化的產(chǎn)品提供了三維測(cè)量、計(jì)算機(jī)斷層掃描、光學(xué)高速掃描等多個(gè)行業(yè)的獨(dú)特解決方案。溫澤集團(tuán)的技術(shù)解決方案在汽車(chē)、航空航天、發(fā)電及醫(yī)療等眾多行業(yè)中有大量應(yīng)用。溫澤在全球范圍內(nèi)已交付安裝超過(guò)10,000臺(tái)測(cè)量設(shè)備。其子公司和業(yè)務(wù)伙伴在超過(guò)50個(gè)國(guó)家銷(xiāo)售產(chǎn)品，并提供售后服務(wù)以滿足客戶需求。
5.Nikon尼康
尼康旗下儀器事業(yè)部，始于1917年日本，全球知名的光學(xué)儀器品牌，較早采用工業(yè)陶瓷技術(shù)的測(cè)量機(jī)品牌，歷史悠久/全球著名的光學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造商，尼康已成為全球最為知名的品牌，在光學(xué)儀器市場(chǎng)牢牢占據(jù)了領(lǐng)先地位，作為唯一一家生產(chǎn)自用玻璃的顯微鏡企業(yè)，整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)為其提供了細(xì)致入微的品質(zhì)保證。憑借在光學(xué)儀器領(lǐng)域 90 多年持續(xù)不斷的專家知識(shí)積累，加之將提高創(chuàng)新能力和誠(chéng)信作為公司全球使命，尼康自始至終都站在光學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新的最前沿。
6.COORD3伯賽
創(chuàng)于1973年意大利，美國(guó)Perceptron旗下，全球激光在線測(cè)量技術(shù)領(lǐng)先者，致力于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)、制造及銷(xiāo)售的大型跨國(guó)公司，Perceptron Inc. (NASDAQ:PRCP)1981年成立于美國(guó)汽車(chē)之都底特律，有超過(guò)30年的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，是全球激光在線測(cè)量技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。在全球，有超過(guò)900套系統(tǒng)，12,000臺(tái)Perceptron測(cè)量傳感器，超過(guò)3,000臺(tái)Coord3三坐標(biāo)機(jī)正在被使用。Perceptron總部位于美國(guó)密歇根州普利茅斯，業(yè)務(wù)遍及全球，在巴西、中國(guó)、捷克共和國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、印度、意大利、日本、新加坡、西班牙和英國(guó)擁有子公司。
7.Accretech東京精密
東精精密設(shè)備(上海)有限公司作為日本東京精密在中國(guó)的業(yè)務(wù)紐帶，負(fù)責(zé)東京精密生產(chǎn)的所有產(chǎn)品在中國(guó)的銷(xiāo)售及服務(wù)工作。公司產(chǎn)品主要有兩部分構(gòu)成：計(jì)量測(cè)試設(shè)備及半導(dǎo)體制造設(shè)備。計(jì)量測(cè)試設(shè)備產(chǎn)品主要用于汽車(chē)備件，航空航天等精密機(jī)械加工行業(yè)。半導(dǎo)體制造設(shè)備應(yīng)用于芯片制造，測(cè)試，封裝行業(yè)。
8.法如FARO
始于美國(guó)，測(cè)量?jī)x十大品牌，F(xiàn)ARO是全球最值得信賴的三維測(cè)量、成像和實(shí)現(xiàn)技術(shù)供應(yīng)商。主要從事計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量設(shè)備和軟件的開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售。公司開(kāi)發(fā)和提供前沿的三維數(shù)據(jù)獲取、三維測(cè)量和分析解決方案，面向制造、建造、工程和公共安全等廣泛行業(yè)。
9.AEH愛(ài)德華
愛(ài)德華是總部位于德國(guó)，在中國(guó)、德國(guó)和法國(guó)均設(shè)有研發(fā)與生產(chǎn)基地，橫跨歐亞大陸的大型測(cè)量產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。西安愛(ài)德華測(cè)量設(shè)備股份有限公司，是中國(guó)較早從事坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售的、持續(xù)推進(jìn)科技創(chuàng)新與成長(zhǎng)的智慧型企業(yè)之一。自1997年成立，技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新就被愛(ài)德華看作是企業(yè)賴以生存的根本和成長(zhǎng)的源動(dòng)力。憑借雄厚的科技創(chuàng)新實(shí)力，愛(ài)德華將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、科學(xué)的產(chǎn)品制造模式、強(qiáng)大的軟件功能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了很好的結(jié)合，致力于向用戶提供專業(yè)、高效、智能的測(cè)量解決方案。
