科學(xué)｜影像測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷史

圖像測(cè)量?jī)x器是一種“基于在光電耦合裝置上成像的光學(xué)成像系統(tǒng)（稱為成像系統(tǒng)），該系統(tǒng)由光電耦合裝置收集，軟件處理并成像后顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，以及用于幾何計(jì)算的二手測(cè)量軟件，“提供最終結(jié)果的非接觸式測(cè)量?jī)x器”。測(cè)量軟件通過數(shù)字圖像處理技術(shù)提取工件表面的坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用坐標(biāo)變換和數(shù)據(jù)處理技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)測(cè)量空間中的各種幾何元素，從而獲得幾何等參數(shù)。被測(cè)工件的尺寸和形狀公差。

1、圖像測(cè)量?jī)x器的發(fā)展概述

在1970年代后期，特別是自大衛(wèi)·馬爾（David Marr）教授建立“計(jì)算視覺”理論框架以來，圖像處理技術(shù)和圖像傳感器得到了飛速發(fā)展。隨著坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和成熟，在基于光學(xué)比較的光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，坐標(biāo)測(cè)量方法的開發(fā)和應(yīng)用取得了更大的進(jìn)步。

1977年，美國的View Engineering公司發(fā)明了世界上第一個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的RB-1圖像測(cè)量系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)XYZ軸（見圖1)，這是一個(gè)集成了視頻檢測(cè)和軟件測(cè)量的控制終端。自動(dòng)圖像測(cè)量?jī)x此外，Mechanical Technology的Boice Vista系統(tǒng)充分利用了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的優(yōu)勢(shì)，并將視頻圖像測(cè)量系統(tǒng)集成到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的探頭上，該系統(tǒng)可以將測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)先編程的數(shù)據(jù)相結(jié)合。標(biāo)稱尺寸和公差。

VE的RB-1圖像測(cè)量?jī)x

ROI圖像探頭

這兩種儀器通過不同的方式借用了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的坐標(biāo)測(cè)量原理，并將被測(cè)物體的圖像投影到坐標(biāo)系中。它的測(cè)量平臺(tái)繼承了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的形式，但其測(cè)量頭類似于光學(xué)投影儀。這些儀器的出現(xiàn)開辟了重要的測(cè)量?jī)x器行業(yè)，即圖像測(cè)量?jī)x器行業(yè)。在1980年代初期，圖像測(cè)量技術(shù)有了重要的發(fā)展。 1981年，ROI公司開發(fā)了一種光學(xué)成像探頭（請(qǐng)參見圖2)），該探頭可以代替坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的接觸式探頭進(jìn)行非接觸式測(cè)量。從那時(shí)起，這種光學(xué)附件已成為成像設(shè)備的基本組件之一。在1980年代中期，市場(chǎng)上出現(xiàn)了帶有高倍率顯微鏡目鏡的圖像測(cè)量?jī)x器。

1990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)，DC / AC伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品的發(fā)展，取得了巨大的發(fā)展。更多的制造商進(jìn)入了圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品市場(chǎng)，共同促進(jìn)了圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品的發(fā)展。自2000年以來，我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平不斷提高，與圖像測(cè)量技術(shù)研究有關(guān)的文件也不斷出現(xiàn)。國內(nèi)公司（如天準(zhǔn)，智泰，宜新，賽科數(shù)碼，新天等）開發(fā)的圖像。測(cè)量?jī)x器在生產(chǎn)規(guī)模，品種和質(zhì)量方面也得到了不斷改進(jìn)和發(fā)展。 2009年，我國制定了國家標(biāo)準(zhǔn)GB / T24762-2009：產(chǎn)品幾何技術(shù)指標(biāo)（GPS）圖像測(cè)量?jī)x器的驗(yàn)收測(cè)試和復(fù)檢測(cè)試。適用于XY平面直角坐標(biāo)系中的圖像測(cè)量?jī)x器，包括垂直于該平面的直角。一種在坐標(biāo)系的Z方向上具有定位或測(cè)量功能的圖像測(cè)量?jī)x。值得一提的是，天準(zhǔn)科技有限公司是由一群為振興我國的精密測(cè)量行業(yè)而自豪和雄心勃勃的學(xué)生創(chuàng)立的。它在借鑒國外優(yōu)秀產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新，形成了自己的特色和優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過多年的努力，天準(zhǔn)公司于2007年在中國首次推出了一系列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，并在國內(nèi)影像測(cè)量?jī)x技術(shù)上處于領(lǐng)先地位

2、圖像測(cè)量?jī)x的評(píng)估

本文試圖從儀器結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的角度評(píng)估圖像測(cè)量?jī)x器的產(chǎn)品。由于缺乏有關(guān)作者圖像探測(cè)器的信息，因此不涉及該信息。

（[1)外觀和結(jié)構(gòu)

精密測(cè)量?jī)x器的外觀和結(jié)構(gòu)是用戶選擇的重要依據(jù)。良好的產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)給人以穩(wěn)定，可靠和精確的感覺，而這通常是決定產(chǎn)品在市場(chǎng)上成敗的重要因素。

目前，圖像測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)主要包括圓柱結(jié)構(gòu)，固定橋結(jié)構(gòu)和移動(dòng)橋結(jié)構(gòu)。列結(jié)構(gòu)和固定橋結(jié)構(gòu)廣泛用于小范圍圖像測(cè)量?jī)x器中，各有其優(yōu)點(diǎn)。活動(dòng)橋結(jié)構(gòu)主要用于范圍很大的圖像測(cè)量?jī)x器中。立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，工件安裝拆卸方便。固定橋結(jié)構(gòu)具有產(chǎn)品穩(wěn)定，大氣的特點(diǎn)，但占用空間大，不方便裝卸工件。移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量，在測(cè)量過程中工件是固定的。

（[2)光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)在圖像測(cè)量?jī)x器中起著至關(guān)重要的作用，它直接決定著圖像儀器的性能和功能。一個(gè)好的光源系統(tǒng)可以幫助成像探頭獲得清晰，清晰，均勻和正確的圖像，從而確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。為了對(duì)不同材料，不同形狀，不同類型的工件提供有效的照明并完成復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)，圖像測(cè)量?jī)x器通常提供三種類型的照明源：面光源，輪廓光源和同軸光源。

面光源提供照明以測(cè)量工件的上表面。一個(gè)好的表面光源必須能夠提供不同入射角度和不同入射方向的照明，以確保不同的工件獲得一致的照明效果。

輪廓光源為測(cè)量工件和通孔的外輪廓提供照明。輪廓光源通常安裝在圖像測(cè)量?jī)x的底座上。在工作時(shí)，被工件阻塞的部分將成像為黑色，而未被阻塞的部分將變?yōu)榘咨?。這有助于圖像探測(cè)器獲得清晰的黑白，高對(duì)比度和清晰邊界的工件圖像。在輪廓光源照明下，儀器通?？梢赃_(dá)到最高的測(cè)量精度。同軸光源沿著透鏡的光軸投射到工件的表面，可以為測(cè)量工件的高反射率表面和深孔提供照明。

（[3)多個(gè)探針集成

圖像探針在二維尺寸測(cè)量中具有無與倫比的速度優(yōu)勢(shì)，但圖像探針也有其缺點(diǎn)。在三維測(cè)量中，測(cè)量效率不夠高影像測(cè)量?jī)x，不能測(cè)量工件的側(cè)面特征。結(jié)果，需要多探針集成。綜合使用圖像探針，接觸探針，激光探針和白光探針等，可以針對(duì)不同的工件和不同的測(cè)量要求選擇最合適的測(cè)量方法。提供最佳的測(cè)量精度和最佳的測(cè)量效率。在二維尺寸的大規(guī)模檢查中，可以使用成像探頭。在測(cè)量復(fù)雜工件的側(cè)壁，對(duì)效率要求不高的情況下，可以選擇接觸測(cè)量；在復(fù)雜工件的三維測(cè)量中，如果要求高效率，可以使用白光探頭或激光探頭。

（[4)衡量效果

精度是測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，精度是用戶選擇儀器的最重要指標(biāo)之一。圖像測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度主要取決于圖像探頭的質(zhì)量，光源系統(tǒng)的性能，儀器的移動(dòng)和定位精度。數(shù)據(jù)處理和測(cè)量軟件及硬件的質(zhì)量和水平也是極為重要的因素。作為一種自動(dòng)測(cè)量?jī)x器，圖像測(cè)量?jī)x器的測(cè)量效率是客戶最重要的要素之一。高測(cè)量效率可以減少設(shè)備投資，提高生產(chǎn)效率，并減少人工成本。

（[5)測(cè)量功能

圖像測(cè)量?jī)x器的基本測(cè)量功能通常包括：測(cè)量各種基本幾何量，例如點(diǎn)，線，圓，弧等，就測(cè)量方法而言，提供了多種提取和構(gòu)造方法；提供各種形狀公差和位置公差提供各種坐標(biāo)系建立方法；提供手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)批量測(cè)量；批量測(cè)量程序可以記錄測(cè)量原語，提取方法，機(jī)器控制，光源控制，自動(dòng)聚焦等過程；可以導(dǎo)入和導(dǎo)出CAD圖紙；測(cè)量數(shù)據(jù)以指定格式輸出到報(bào)告中。除了這些基本的測(cè)量功能外，儀器制造商通常還提供擴(kuò)展功能，例如SPC，圖形比較，離線編程和定制的輸出報(bào)告。一些制造商還將針對(duì)特定用戶行業(yè)的測(cè)量需求開發(fā)相應(yīng)的專用軟件或硬件，并增加儀器的測(cè)量功能，例如小模數(shù)齒輪測(cè)量，測(cè)試篩校準(zhǔn)等。

（[6)其他方面

產(chǎn)品的易用性，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性以及用戶友好的界面也是判斷儀器性能的重要因素。它是否可以促進(jìn)測(cè)量任務(wù)的建立，報(bào)告的制定和輸出，機(jī)器控制等，都會(huì)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)量解決方案的提供，客戶服務(wù)的響應(yīng)速度，交付周期，定制開發(fā)的能力等都是影響客戶選擇圖像測(cè)量的重要因素。樂器產(chǎn)品。

3、對(duì)國內(nèi)外典型產(chǎn)品的評(píng)論

圖像測(cè)量?jī)x器大致可分為兩類：科學(xué)級(jí)和工業(yè)級(jí)?？茖W(xué)級(jí)產(chǎn)品的精度很高，對(duì)工作環(huán)境和操作人員的要求也很高。目前，世界上只有少數(shù)制造商擁有這種產(chǎn)品，并且它們的市場(chǎng)容量很小。工業(yè)產(chǎn)品占據(jù)最大的市場(chǎng)份額。在工業(yè)級(jí)產(chǎn)品中，精度高，性能穩(wěn)定，效率高和功能豐富的一線品牌主要是蔡司，三豐，尼康，OGP，六角，國內(nèi)天準(zhǔn)等外國公司。他們開發(fā)的具有三維圖像測(cè)量功能的品牌產(chǎn)品分別代表了當(dāng)今工業(yè)級(jí)圖像測(cè)量?jī)x器的先進(jìn)水平。本文打算對(duì)這些公司相同規(guī)格的領(lǐng)先產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹和比較。與其他普通進(jìn)口品牌和大多數(shù)國產(chǎn)品牌的產(chǎn)品相比，總體質(zhì)量上仍存在一些差距。

（[1) Zeiss

德國蔡司公司是工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的知名企業(yè)，擁有豐富的產(chǎn)品線。它的CMM曾經(jīng)是高端CMM的代名詞。蔡司最具代表性的圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品是O-INSPECT（見圖3)。O-INSPECT采用固定橋結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品美觀穩(wěn)定，并具有兩種探測(cè)方法：圖像探針和接觸探針）。

蔡司O-INSPECT

三豐QV-ELF202PRO

（[2) Mitutoyo

作為世界知名的精密測(cè)量?jī)x器制造商，日本的三豐擁有廣泛的圖像測(cè)量?jī)x器和完整的型號(hào)。圖4是其代表產(chǎn)品QV-ELF202PRO。該產(chǎn)品采用固定橋結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品外觀穩(wěn)定大氣。

（[3)天準(zhǔn)

位于中國蘇州的天準(zhǔn)科技有限公司多年來一直致力于精密測(cè)量?jī)x器的研究與開發(fā)。它是中國圖像測(cè)量?jī)x器的領(lǐng)先品牌，是兩項(xiàng)國家校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的起草單位。其代表性產(chǎn)品MU322具有測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，功能豐富的優(yōu)點(diǎn)（見圖5)。

天準(zhǔn)VMU322

Nikon VMR3020

（[4)尼康

日本尼康在光學(xué)測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和眾多產(chǎn)品。其典型產(chǎn)品VMR3020美觀精致，具有很高的測(cè)量精度和功能全面，如圖6所示。

（[5) OGP美國

OGP公司一直致力于圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品的開發(fā)，生產(chǎn)和銷售，并擁有許多圖像測(cè)量?jī)x器的核心技術(shù)。其典型產(chǎn)品ZIP250如圖7所示。它采用具有高水平儀器技術(shù)的固定柱結(jié)構(gòu)。

OGP公司ZIP250

Hexagon Performance222

（[6)六角形

瑞典的Hexagon是世界知名的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器制造商。在2010年初，它推出了Optive系列圖像測(cè)量?jī)x器，其中Performance222是其代表產(chǎn)品（見圖8)。該產(chǎn)品是從Mahr技術(shù)衍生而來的，它采用具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和高精度的圓柱結(jié)構(gòu)）。這是一種出色的圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品。

4、視頻測(cè)量?jī)x器評(píng)論

（[1)外觀和結(jié)構(gòu)

從表1中可以看出，使用列結(jié)構(gòu)和固定橋結(jié)構(gòu)更為普遍，每個(gè)制造商都有自己的考慮。

在小范圍產(chǎn)品中，通常使用線性導(dǎo)軌，大范圍產(chǎn)品中通常使用氣浮結(jié)構(gòu)。在傳動(dòng)方面，滾珠絲杠和無齒螺絲被廣泛使用。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，剛性好，壽命長(zhǎng)。無螺紋螺絲具有傳動(dòng)穩(wěn)定，振動(dòng)小，過載保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

（[2)測(cè)量性能（準(zhǔn)確性和速度）

L的單位為mm時(shí)，各種制造商的產(chǎn)品的測(cè)量性能的比較請(qǐng)參見表2。

主要從兩個(gè)方面研究測(cè)量性能：測(cè)量精度和測(cè)量效率。在測(cè)量精度方面，這些產(chǎn)品已達(dá)到極高的測(cè)量精度。測(cè)量速度對(duì)于質(zhì)量檢查非常重要。測(cè)量速度很大程度上取決于機(jī)器的移動(dòng)速度。天準(zhǔn)的產(chǎn)品在保證高測(cè)量精度的同時(shí)，還提供了很高的測(cè)量速度，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

（[3)光源系統(tǒng)

在精密測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，LED光源正日益成為照明的最佳選擇。 LED光源具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如壽命長(zhǎng)，發(fā)熱量低，可以組合成任何形狀以及光源波長(zhǎng)范圍廣。它們已在許多領(lǐng)域被替換。傳統(tǒng)的鹵素?zé)艄庠?。有關(guān)各種制造商產(chǎn)品的光源系統(tǒng)的比較，請(qǐng)參見表3。

面光源的功能非常重要。天準(zhǔn)和OGP的產(chǎn)品配備了6環(huán)8區(qū)面光源，可以提供48個(gè)分段的獨(dú)立控制功能，并提供更多的光源照明和更多的子環(huán)角度，更多的分區(qū)提供更多的光源照明方向，可以靈活地為各種類型的工件提供良好的視覺照明，并解決了傳統(tǒng)光源無法為多個(gè)工件提供一致的照明的問題。

（[4)多個(gè)探針

評(píng)論中的大多數(shù)儀器都配備了三種方法：圖像探針，接觸探針和激光探針。僅某些品牌產(chǎn)品的探頭未配備齊全（請(qǐng)參閱表4）。

可以看出，多種探頭的集成是圖像測(cè)量?jī)x器發(fā)展的必然趨勢(shì)。除了硬件上的三種探頭外，參與儀器的測(cè)量軟件還支持這三種探頭，并且將三種探頭的測(cè)量數(shù)據(jù)融合在同一坐標(biāo)空間中。近年來，白光探針的配置開始出現(xiàn)并呈上升趨勢(shì)。

（[5)測(cè)量功能

以上介紹的所有儀器均具有常規(guī)幾何測(cè)量，自動(dòng)批量測(cè)量和報(bào)告輸出等功能。對(duì)于SPC和工程圖比較之類的高級(jí)功能，大多數(shù)制造商以可選附加功能包的形式提供它們。用戶需要支付一定的額外費(fèi)用才能享受這些功能的便利。天準(zhǔn)產(chǎn)品提供如表5所示的全套測(cè)量功能，并且還為用戶開發(fā)并提供獨(dú)特的專用測(cè)量軟件模塊，例如小模數(shù)齒輪測(cè)量，全景掃描測(cè)量，測(cè)試篩校準(zhǔn)，半徑模板校準(zhǔn)，噴涂專用軟件諸如線路板測(cè)量之類的產(chǎn)品已經(jīng)解決或部分解決了這些行業(yè)中一些長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵測(cè)量問題，并受到了用戶的好評(píng)。

（[6)其他方面

表6顯示了各個(gè)廠商產(chǎn)品在其他方面的性能比較。

所有品牌產(chǎn)品均提供操作手柄和軟件功能，以一起控制機(jī)器。天準(zhǔn)的VUM322提供多達(dá)8種軟件控制方法，從而大大提高了儀器的可操作性。此外，儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，提供測(cè)量解決方案的能力，客戶服務(wù)的響應(yīng)速度影像測(cè)量?jī)x，交付周期以及定制開發(fā)的能力也是影響客戶選擇圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品的重要因素。 。用戶需要根據(jù)自己的需求和實(shí)際情況做出最佳選擇。

5結(jié)論

本文選擇了6個(gè)國內(nèi)外知名品牌的圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)論。這些產(chǎn)品具有很高的測(cè)量精度，快速的測(cè)量速度和完善的測(cè)量功能，代表了當(dāng)今工業(yè)級(jí)圖像測(cè)量?jī)x器行業(yè)的先進(jìn)水平。我們很高興地看到，天準(zhǔn)科技有限公司作為國內(nèi)圖像測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品的領(lǐng)先品牌，其領(lǐng)先產(chǎn)品在測(cè)量精度，測(cè)量速度和軟件功能方面均具有與世界一流品牌相當(dāng)?shù)闹笜?biāo)。 。外國品牌在高端工業(yè)級(jí)圖像測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。在為用戶提供高質(zhì)量，快速的服務(wù)以及開發(fā)定制的專用軟件方面，天準(zhǔn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著技術(shù)的進(jìn)步和客戶對(duì)測(cè)量要求的不斷提高，圖像測(cè)量技術(shù)正朝著多探頭進(jìn)一步集成，測(cè)量數(shù)據(jù)共享，在線測(cè)量，信息聯(lián)網(wǎng)等方向發(fā)展，具有更高的測(cè)量精度，更快的測(cè)量速度和測(cè)量。將會(huì)進(jìn)一步開發(fā)功能更強(qiáng)大的多坐標(biāo)圖像測(cè)量?jī)x器和特定于行業(yè)的圖像測(cè)量?jī)x器。