影像測量儀是一種"基于成像在光電耦合器件上的光學影像系統(簡稱影像系統),通過光電耦合器件采集,經過軟件處理成像,顯示在計算機屏幕上,利用測量軟件進行幾何運算得出最終結果的非接觸式測量儀器"。測量軟件通過數字圖像處理技術提取工件表面的坐標點,再利用坐標變換和數據處理技術轉換成坐標測量空間中的各種幾何要素,從而得到被測工件幾何尺寸和形位公差等參數。
1、影像測量儀發展概述
20世紀70年代后期,尤其是在David Marr教授建立"計算視覺(Computational Vision)"理論框架以來,圖像處理技術和圖像傳感器獲得了快速發展。隨著坐標測量技術的日趨發展與成熟,在以光學比較為基礎的光學測量領域里,坐標 測量方法的發展應用有了更進一步的實質性進展。
1977年,美國View Engineering公司發明了世界上第一臺由電機驅動XYZ軸的RB-1影像測量系統(見圖1),它是一臺控制終端整合了視頻檢測和軟件測量的自動影 像測量儀。此外,Mechanical Technology公司的Boice Vista系統則充分借鑒了坐標測量機的優勢,在坐標測量機的測頭上集成了一個視頻圖像測量系統,該系統可以將測量數據與預先編制好的標稱尺寸和公差進行 比較。
這兩臺儀器通過不同途徑借鑒了坐標測量機的坐標測量原理,將被測量物體的圖像投影到坐標系中。其測量平臺繼承了坐標測量機的形式,但其測頭與光學投影儀相 似。這些儀器的出現開辟了一個重要的測量儀器行業,即影像測量儀行業。上世紀80年代初,影像測量技術有了重要的發展。1981年,ROI公司開發出光學 影像探針(見圖2),可以替代坐標測量機上的接觸式探針進行非接觸式測量,從此這個光學配件就成了影像設備的基礎部件之一。在80年代中期,市場上又出現 了帶高放大倍率顯微鏡目鏡的影像測量儀。
進入上世紀90年代,隨著CCD技術、計算機技術、數字圖像處理技術、LED照明技術、直流/交流伺服驅動技術的發展,影像測量儀產品獲得了巨大的發展。 更多的廠商進入到影像測量儀產品市場,共同推進了影像測量儀產品的發展。2000年以后,我國在該領域的技術水平不斷提高,有關影像測量技術研究的文獻也 不斷出現;國內企業(如天準、智泰、怡信、賽克數碼、新天等公司)所開發的影像測量儀在生產規模、品種和質量上也不斷有所提升和發展。2009年我國制定 了國家標準GB/T24762-2009:產品幾何技術規范(GPS)影像測量儀的驗收檢測和復檢檢測,它適用于XY平面直角坐標系的影像測量儀,包括在 垂直于平面直角坐標系Z方向上具有定位或測量功能的影像測量儀。
2、影像測量儀的評估
我們不妨從儀器結構、關鍵技術指標等方面對影像測量儀產品進行評價。
(1)外觀與結構
精密測量儀器類產品的外觀與結構是用戶選擇的重要依據。好的產品外觀與結構,給人以穩重、可靠、精密的感覺,往往是決定一款產品在市場獲得成敗的重要因素。
目前影像測量儀的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。立柱式結構和固定橋式結構在小量程的影像測量儀中應用都很廣泛,各有優勢。移動橋式結構主要用在特大量程的影像測量儀中。立柱式結構的優勢在于結構緊湊、占用場地小、裝取工件方便;固定橋式結構的特點是產品穩重、大氣,但占用場地較大,裝取工件不太方便;移動橋式結構則容易實現大量程測量,測量過程中工件固定不動。
(2)光源系統
光源系統在影像測量儀中起著至關重要的作用,直接決定著一臺影像儀性能的好壞、功能的強弱。好的光源系統可幫助影像測頭獲取清晰、銳利、均勻一致的正確圖像,確保測量的精度與重復性。為實現對不同材質、不同形狀、不同種類的工件提供有效的照明,完成復雜的測量任務,影像測量儀通常都會提供三種照明光源: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、通孔等測量提供照明。輪廓光源通常安裝在影像測量儀的底座上,在工作時,圖像上被工件阻擋部分成像為黑色,無阻擋部分為白色,幫助影像測頭獲得黑白分明、對比度高、邊界清晰的工件圖像。在輪廓光源照明下,儀器往往能達到最高的測量精度。
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量提供照明。
(3)多測頭集成
影像測頭在二維尺寸測量上具備無可比擬的速度優勢,但影像測頭也有其不擅長的地方,在三維測量中,測量效率不夠高、工件側面特征無法測量等。由此就出現了多測頭集成的需求,綜合使用影像測頭、接觸式測頭、激光測頭和白光測頭等,可針對不同的工件及不同的測量需求,選擇最合適的測量方式,以便提供最佳的測量精度以及最好的測量效率。在二維尺寸的大批量檢測時,可使用影像測頭;在測量復雜工件側壁,而對效率要求又不高的情況下,可選擇接觸式測量;在復雜工件的三維測量中,如果對效率要求很高,可使用白光測頭或激光測頭。
(4)測量性能
精度是測量儀器的根本,精度是用戶選擇儀器的最重要指標之一。影像測量儀的測量精度主要取決于影像測頭的質量、照明光源系統性能、儀器運動及定位精度,數據處理測量軟、硬件的質量和水平也是極其重要的影響因素。 作為自動化測量儀器,影像測量儀的測量效率是客戶最為看重的要素之一。高測量效率可以減少設備投入、提高生產效率、降低人工費用等。
(5)測量功能
影像測量儀的基本測量功能通常包括:點、線、圓、弧等多種基本幾何量的測量,在測量方式上,提供多種提取及構建方式;提供多種形狀公差和位置公差的測量;提供多種坐標系建立方式;提供手動測量與自動批量測量;批量測量程序可記錄測量基元、提取方式、機臺操控、光源控制、自動聚焦等過程;可導入導出CAD圖紙;測量數據輸出到指定格式的報表中。 除了這些基本測量功能外,儀器廠商通常還會提供SPC、圖紙比對、離線編程、定制輸出報表等擴展功能。部分廠商還會針對特定用戶行業的測量需求,開發相應的專用軟件或硬件,增加儀器測量功能,如小模數齒輪測量、試驗篩校準等。
(6)其他方面
產品易用性、對環境的適應性、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。是否能方便建立測量任務、制定及輸出報表、機臺操控等，影響用戶對儀器的接受程度。
儀器的長期穩定性，測量方案的提供，客戶服務的響應速度，交貨周期、定制化開發能力等等，都是影響客戶選擇影像測量儀產品的重要因素。
三坐標測量儀是指在一個六面體的空間范圍內，能夠表現幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱為三坐標測量機或三坐標量床。三坐標測量儀又可定義“一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的導軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳遞訊號，三個軸的位移測量系統（如光柵尺）經數據處理器或計算機等計算出工件的各點（x，y，z）及各項功能測量的儀器”。三坐標測量儀的測量功能應包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。
三坐標測量儀三軸均有氣源制動開關及微動裝置，可實現單軸的精密傳動，采用高性能數據采集系統。應用于產品設計、模具裝備、齒輪測量、葉片測量機械制造、工裝夾具、汽模配件、電子電器等精密測量。
三坐標測量儀的基本構成
1、 X向橫梁：采用精密斜梁技術。
2、Y向導軌：采用獨特的直接加工在工作臺上的整體下燕尾槽定位結構。
3、導軌方式：采用自潔式預載荷高精度空氣軸承組成的四面環抱式靜壓氣浮導軌。
4、驅動系統：采用本產高性能DC直流伺服電機、柔性同步齒形帶傳動裝置，各軸均有限位和電子控制，傳動更快捷、運動性能更佳。
5、Z向主軸：可調節的氣動平衡裝置，提高了Z軸的定位精度。
6、控制系統：采用進口的雙計算機三座標專用控制系統。
7、機器系統：采用計算機輔助3D誤差修正技術（CAA），保證系統的長期的穩定性和高精度。
8、測量軟件：采用功能強大的3D-DMIS測量軟件包，具有完善的測量功能和聯機功能。
三坐標測試儀的功能原理
簡單地說，三坐標測量機就是在三個相互垂直的方向上有導向機構、測長元件、數顯裝置，有一個能夠放置工件的工作臺(大型和巨型不一定有)，測頭可以以手動或機動方式輕快地移動到被測點上，由讀數設備和數顯裝置把被測點的坐標值顯示出來的一種測量設備。顯然這是最簡單、最原始的測量機。有了這種測量機后，在測量容積里任意一點的坐標值都可通過讀數裝置和數顯裝置顯示出來。測量機的采點發訊裝置是測頭，在沿X，Y，Z三個軸的方向裝有光柵尺和讀數頭。其測量過程就是當測頭接觸工件并發出采點信號時，由控制系統去采集當前機床三軸坐標相對于機床原點的坐標值，再由計算機系統對數據進行處理。
三坐標測試儀的知名品牌
1.ZEISS蔡司
始于1846年德國，是全球領先的光學、精密工程及電子觀測制造商，在光學及光電子學領域處于領先地位的全球性國際化公司。1973年蔡司就已經成功制造世界上第一臺CNC三坐標測量機-UMM500。同時蔡司不斷開發新技術與推出新產品，到現在為止已擁有多個國際專利。蔡司測量機在航空、航天、汽車、電子、機械與塑料等多個行業中得到廣泛的使用。
2.HEXAGON海克斯康
創建于1975年瑞士，其測頭技術在機床工具行業享有盛名。海克斯康測量技術主要包括兩個部分：“大尺寸計量”，主要包括山體測量、城市測繪、道路干線、隧道橋梁、以及其它建筑工程的的測量。“小尺寸計量”，關注更加精密的尺寸測量任務，面向制造業提供的各種產品，包括汽車、航空航天、機床、軍工、加工制造以及日用消費品。
3.Mitutoyo三豐
日本著名測量儀品牌，全球測量方案和測量設備專業提供商，專注于測量方案和測量設備的全球性公司，在整個量具行業獨占鰲頭。主要產品包括：量具行業的各個項目，包括：千分尺、卡尺、深度尺、內徑千分尺、千分表、杠桿千分表、高度尺、微分頭、量塊、線性測微器、光柵尺、粗糙度儀、輪廓測量儀、顯微鏡、硬度計、三坐標測量機等。
4.Wenzel溫澤
德國溫澤集團是計量領域創新的先驅。溫澤多樣化的產品提供了三維測量、計算機斷層掃描、光學高速掃描等多個行業的獨特解決方案。溫澤集團的技術解決方案在汽車、航空航天、發電及醫療等眾多行業中有大量應用。溫澤在全球范圍內已交付安裝超過10,000臺測量設備。其子公司和業務伙伴在超過50個國家銷售產品，并提供售后服務以滿足客戶需求。
5.Nikon尼康
尼康旗下儀器事業部，始于1917年日本，全球知名的光學儀器品牌，較早采用工業陶瓷技術的測量機品牌，歷史悠久/全球著名的光學產品設計和制造商，尼康已成為全球最為知名的品牌，在光學儀器市場牢牢占據了領先地位，作為唯一一家生產自用玻璃的顯微鏡企業，整個生產活動為其提供了細致入微的品質保證。憑借在光學儀器領域 90 多年持續不斷的專家知識積累，加之將提高創新能力和誠信作為公司全球使命，尼康自始至終都站在光學和技術創新的最前沿。
6.COORD3伯賽
創于1973年意大利，美國Perceptron旗下，全球激光在線測量技術領先者，致力于三坐標測量機設計、制造及銷售的大型跨國公司，Perceptron Inc. (NASDAQ:PRCP)1981年成立于美國汽車之都底特律，有超過30年的測量經驗，是全球激光在線測量技術的領導者。在全球，有超過900套系統，12,000臺Perceptron測量傳感器，超過3,000臺Coord3三坐標機正在被使用。Perceptron總部位于美國密歇根州普利茅斯，業務遍及全球，在巴西、中國、捷克共和國、法國、德國、印度、意大利、日本、新加坡、西班牙和英國擁有子公司。
7.Accretech東京精密
東精精密設備(上海)有限公司作為日本東京精密在中國的業務紐帶，負責東京精密生產的所有產品在中國的銷售及服務工作。公司產品主要有兩部分構成：計量測試設備及半導體制造設備。計量測試設備產品主要用于汽車備件，航空航天等精密機械加工行業。半導體制造設備應用于芯片制造，測試，封裝行業。
8.法如FARO
始于美國，測量儀十大品牌，FARO是全球最值得信賴的三維測量、成像和實現技術供應商。主要從事計算機輔助測量設備和軟件的開發和銷售。公司開發和提供前沿的三維數據獲取、三維測量和分析解決方案，面向制造、建造、工程和公共安全等廣泛行業。
9.AEH愛德華
愛德華是總部位于德國，在中國、德國和法國均設有研發與生產基地，橫跨歐亞大陸的大型測量產業集團。西安愛德華測量設備股份有限公司，是中國較早從事坐標測量設備研發、生產與銷售的、持續推進科技創新與成長的智慧型企業之一。自1997年成立，技術研發和創新就被愛德華看作是企業賴以生存的根本和成長的源動力。憑借雄厚的科技創新實力，愛德華將先進的設計理念、科學的產品制造模式、強大的軟件功能和網絡技術進行了很好的結合，致力于向用戶提供專業、高效、智能的測量解決方案。
