科普｜影像测量仪的发展史

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,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Boice Vista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,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。

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、影像测量仪点评

(1)外观与结构

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)

测量性能主要从测量精度和测量效率两个方面来考察。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。

(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。

(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。