影像測(cè)量技術(shù)及其設(shè)備的研究進(jìn)展
作者:袁 武 許春雷時(shí)間:2015-11-27 14:23:22 來(lái)源:www.vortexsignal.com 閱讀次數(shù):1606次 ]
【文章摘要】
對(duì)影像測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x的發(fā)展做了簡(jiǎn)要的點(diǎn)評(píng)，總結(jié)了影像測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)的分類和特點(diǎn)，并展望影像測(cè)量?jī)x的發(fā)展前景和應(yīng)用領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】
影像測(cè)量技術(shù)；測(cè)量?jī)x；研究進(jìn)展
0 引言
影像測(cè)量?jī)x是繼三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）之后基于現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)，集合了光電子學(xué)、圖形圖像學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、信息處理、模式識(shí)別等學(xué)科于一體的新型精密測(cè)量?jī)x器，其利用影像處理技術(shù)檢測(cè)工件的外形輪廓和長(zhǎng)度尺寸以及角度位置等數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)需要以機(jī)械探頭為基準(zhǔn)獲取空間點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過(guò)計(jì)算得到被測(cè)物體的幾何參數(shù)的測(cè)量方式， 并很快融入并適應(yīng)了先進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域?qū)τ诟咝噬a(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品的需求，滿足了高速、便捷、精準(zhǔn)的測(cè)量要求，帶來(lái)制造檢測(cè)生產(chǎn)水平的飛躍。
1 基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的影像測(cè)量技術(shù)的發(fā)展
影像測(cè)量技術(shù)始于上世紀(jì)60-70 年代，1977 年，美國(guó)View Engineering 公司發(fā)明了世界首臺(tái)影像測(cè)量?jī)x[1]。該型號(hào)為RB-1 的影像測(cè)量?jī)x通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)XYZ 軸，并結(jié)合了圖像檢測(cè)和測(cè)量分析功能。隨后，Mechanical Technology 公司研發(fā)了在CMM 的測(cè)頭上集成圖像識(shí)別和測(cè)量功能的Boice Vista 系統(tǒng)，可以將測(cè)量的反饋數(shù)據(jù)與預(yù)置的標(biāo)尺尺寸和公差進(jìn)行對(duì)比， 提高了測(cè)量精度。此后，影像測(cè)量技術(shù)有了新的突破。1980 年，Jones & Lamson 公司開(kāi)發(fā)出光學(xué)投影儀VIVIC，在測(cè)量標(biāo)尺中應(yīng)用自動(dòng)光學(xué)千分尺。1981 年，ROI 公司開(kāi)發(fā)出了可以取代CMM 上的接觸式測(cè)頭的光學(xué)影像探針，可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量，后被廣泛應(yīng)用在影像測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中。90 年代后，硬件的發(fā)展使影像測(cè)量?jī)x有了更大的改進(jìn)。比如圖像傳感器性能加強(qiáng)，計(jì)算機(jī)處理速度加快等。同時(shí)，測(cè)量軟件也增加了很多功能，如CAD 文件輸入、SPC 分析測(cè)量結(jié)果等。
現(xiàn)今各行業(yè)領(lǐng)域?qū)軠y(cè)量的需求推動(dòng)著各公司和機(jī)構(gòu)提高了對(duì)影像測(cè)量技術(shù)的重視，影像測(cè)量?jī)x的品種和規(guī)模也不斷擴(kuò)大[2-4]。國(guó)外影像測(cè)量?jī)x技術(shù)的由于起步早，技術(shù)發(fā)展比較成熟，因此市場(chǎng)占有比例高，產(chǎn)品知名度和普及度也較高。
美國(guó)OGP 公司設(shè)計(jì)的Vidicom Qualifier 863，是首個(gè)使用固態(tài)CID 相機(jī)和灰度圖像處理技術(shù)的現(xiàn)代影像檢測(cè)系統(tǒng)。該公司在影像測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域擁有著多項(xiàng)核心技術(shù)和專利。
德國(guó)蔡司(ZEISS) 公司旗下的高端三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)處于行業(yè)先進(jìn)水平，代表性產(chǎn)品為光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)O-INSPECT 系列。其他生產(chǎn)影像測(cè)量?jī)x公司如日本MITUTOYO、NIKON，瑞典HEXAGON 等也有著雄厚的技術(shù)力量。
國(guó)內(nèi)的影像測(cè)量技術(shù)由于起步晚， 技術(shù)力量薄弱，但隨著國(guó)家的重視和科研經(jīng)費(fèi)投入的加大，相關(guān)技術(shù)水平持續(xù)提高，研究成果也不斷涌現(xiàn)。智泰集團(tuán)(3D FAMILY) 代表性的VMC250S 型影像儀使用XYZ 全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)；采用了自主研發(fā)的OVM Pro 全自動(dòng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)， 并具有SPC 報(bào)表分析功能，提高了批量檢測(cè)的效率，但難以測(cè)量高度尺寸。天準(zhǔn)公司于2007 年自主開(kāi)發(fā)了一款二維自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x，打破了國(guó)外廠家的技術(shù)壟斷。其他新興企業(yè)如冶信、新天等生產(chǎn)的影像測(cè)量?jī)x器和設(shè)備也逐漸在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上嶄露頭角，占據(jù)著一席之地。
2 影像測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)分類與特點(diǎn)
影像測(cè)量?jī)x主要由機(jī)械主體、標(biāo)尺系統(tǒng)、影像探測(cè)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以及測(cè)量軟件等組成。
影像測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)型式主要有柱式、固定橋式和移動(dòng)橋式。柱式一般用于小量程的機(jī)器，橋式一般用于中大量程的機(jī)器。
2.1 柱式影像測(cè)量?jī)x
柱式結(jié)構(gòu)底部為基座，二維工作臺(tái)分別沿X 和Y 向移動(dòng)，影像探測(cè)系統(tǒng)可在固定立柱上沿Z 向運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)牢固、精度高， 不過(guò)工件的重量對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)有影響，不能承載過(guò)重工件，適合于中小行程影像測(cè)量?jī)x。
2.2 固定橋式影像測(cè)量?jī)x
固定橋式測(cè)量?jī)x的X、Y、Z 軸相互正交并沿著各自導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，其中Z 軸上安裝有影像探頭并可以相對(duì)Y 軸做垂直運(yùn)動(dòng)，而Y 軸則安裝在基座上。Z 軸部分和Y 軸部分的總成牢固裝在機(jī)座兩側(cè)的橋架上端。每軸都由電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，可確保位置精度，但不適合手動(dòng)操作，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整機(jī)剛性好。
2.3 移動(dòng)橋式影像測(cè)量?jī)x
移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)是目前大量程影像測(cè)量?jī)x中應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。其中，工作臺(tái)固定，其中一個(gè)橋框由導(dǎo)軌帶動(dòng)在工作臺(tái)上沿X 軸移動(dòng)，同時(shí)由另一個(gè)導(dǎo)軌帶動(dòng)滑板在橋框上沿Y 軸移動(dòng)，主軸則沿Z 軸移動(dòng)。被測(cè)工件安放在工作臺(tái)上， 影像探測(cè)部件安裝在主軸上。這種形式的影像測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，剛度好，具有較開(kāi)闊的空間。
3 展望
相較于傳統(tǒng)的接觸式CMM 每次測(cè)量只能通過(guò)觸碰待測(cè)物體獲取單個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)而言，影像測(cè)量?jī)x可以同時(shí)獲取待測(cè)物體的部分測(cè)量圖像，且有著非接觸性、高可靠性和高準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)，可以靈活地適用于現(xiàn)代工業(yè)各種場(chǎng)合的測(cè)量中，如汽車零件的表面質(zhì)量與缺陷的檢測(cè)、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別與分揀以及幾何量的測(cè)量、微電子部件自動(dòng)檢測(cè)、生產(chǎn)線中機(jī)械手的定位與瞄準(zhǔn)等等，在機(jī)械制造、航天航空、汽車生產(chǎn)、手機(jī)模具、電子信息等不同領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 謝華錕. 影像測(cè)量?jī)x的發(fā)展與點(diǎn)評(píng)[J]. 工具技術(shù)，2011,45:3-8.
[2] Carl Zeiss. O-INSPECT:The best of optical and contact measuring technology for true 3D measurements[EB/OL]. [2012-02-10].
[3] 智泰集團(tuán). 三軸全自動(dòng)光學(xué)影像測(cè)量?jī)xVMC250S[EB/OL]. [2012- 02-10].
[ 4 ] O G P . S m a r t s c o p e Z i p 2 5 0 Datasheet[EB/OL].[2012-02-10].
[5] 王為農(nóng)，徐一華. 影像測(cè)量?jī)x技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 中國(guó)商業(yè)出版社， 2010:11.
[6] 付琰. 三維影像儀中影像測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2012:4.
[7] 王為農(nóng). 影像測(cè)量?jī)x性能評(píng)價(jià)研究[J]. 中國(guó)計(jì)量,2009,02:75-78.
對(duì)影像測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x的發(fā)展做了簡(jiǎn)要的點(diǎn)評(píng)，總結(jié)了影像測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)的分類和特點(diǎn)，并展望影像測(cè)量?jī)x的發(fā)展前景和應(yīng)用領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】
影像測(cè)量技術(shù)；測(cè)量?jī)x；研究進(jìn)展
0 引言
影像測(cè)量?jī)x是繼三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）之后基于現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)，集合了光電子學(xué)、圖形圖像學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、信息處理、模式識(shí)別等學(xué)科于一體的新型精密測(cè)量?jī)x器，其利用影像處理技術(shù)檢測(cè)工件的外形輪廓和長(zhǎng)度尺寸以及角度位置等數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)需要以機(jī)械探頭為基準(zhǔn)獲取空間點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過(guò)計(jì)算得到被測(cè)物體的幾何參數(shù)的測(cè)量方式， 并很快融入并適應(yīng)了先進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域?qū)τ诟咝噬a(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品的需求，滿足了高速、便捷、精準(zhǔn)的測(cè)量要求，帶來(lái)制造檢測(cè)生產(chǎn)水平的飛躍。
1 基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的影像測(cè)量技術(shù)的發(fā)展
影像測(cè)量技術(shù)始于上世紀(jì)60-70 年代，1977 年，美國(guó)View Engineering 公司發(fā)明了世界首臺(tái)影像測(cè)量?jī)x[1]。該型號(hào)為RB-1 的影像測(cè)量?jī)x通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)XYZ 軸，并結(jié)合了圖像檢測(cè)和測(cè)量分析功能。隨后，Mechanical Technology 公司研發(fā)了在CMM 的測(cè)頭上集成圖像識(shí)別和測(cè)量功能的Boice Vista 系統(tǒng)，可以將測(cè)量的反饋數(shù)據(jù)與預(yù)置的標(biāo)尺尺寸和公差進(jìn)行對(duì)比， 提高了測(cè)量精度。此后，影像測(cè)量技術(shù)有了新的突破。1980 年，Jones & Lamson 公司開(kāi)發(fā)出光學(xué)投影儀VIVIC，在測(cè)量標(biāo)尺中應(yīng)用自動(dòng)光學(xué)千分尺。1981 年，ROI 公司開(kāi)發(fā)出了可以取代CMM 上的接觸式測(cè)頭的光學(xué)影像探針，可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量，后被廣泛應(yīng)用在影像測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中。90 年代后，硬件的發(fā)展使影像測(cè)量?jī)x有了更大的改進(jìn)。比如圖像傳感器性能加強(qiáng)，計(jì)算機(jī)處理速度加快等。同時(shí)，測(cè)量軟件也增加了很多功能，如CAD 文件輸入、SPC 分析測(cè)量結(jié)果等。
現(xiàn)今各行業(yè)領(lǐng)域?qū)軠y(cè)量的需求推動(dòng)著各公司和機(jī)構(gòu)提高了對(duì)影像測(cè)量技術(shù)的重視，影像測(cè)量?jī)x的品種和規(guī)模也不斷擴(kuò)大[2-4]。國(guó)外影像測(cè)量?jī)x技術(shù)的由于起步早，技術(shù)發(fā)展比較成熟，因此市場(chǎng)占有比例高，產(chǎn)品知名度和普及度也較高。
美國(guó)OGP 公司設(shè)計(jì)的Vidicom Qualifier 863，是首個(gè)使用固態(tài)CID 相機(jī)和灰度圖像處理技術(shù)的現(xiàn)代影像檢測(cè)系統(tǒng)。該公司在影像測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域擁有著多項(xiàng)核心技術(shù)和專利。
德國(guó)蔡司(ZEISS) 公司旗下的高端三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)處于行業(yè)先進(jìn)水平，代表性產(chǎn)品為光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)O-INSPECT 系列。其他生產(chǎn)影像測(cè)量?jī)x公司如日本MITUTOYO、NIKON，瑞典HEXAGON 等也有著雄厚的技術(shù)力量。
國(guó)內(nèi)的影像測(cè)量技術(shù)由于起步晚， 技術(shù)力量薄弱，但隨著國(guó)家的重視和科研經(jīng)費(fèi)投入的加大，相關(guān)技術(shù)水平持續(xù)提高，研究成果也不斷涌現(xiàn)。智泰集團(tuán)(3D FAMILY) 代表性的VMC250S 型影像儀使用XYZ 全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)；采用了自主研發(fā)的OVM Pro 全自動(dòng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)， 并具有SPC 報(bào)表分析功能，提高了批量檢測(cè)的效率，但難以測(cè)量高度尺寸。天準(zhǔn)公司于2007 年自主開(kāi)發(fā)了一款二維自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x，打破了國(guó)外廠家的技術(shù)壟斷。其他新興企業(yè)如冶信、新天等生產(chǎn)的影像測(cè)量?jī)x器和設(shè)備也逐漸在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上嶄露頭角，占據(jù)著一席之地。
2 影像測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)分類與特點(diǎn)
影像測(cè)量?jī)x主要由機(jī)械主體、標(biāo)尺系統(tǒng)、影像探測(cè)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以及測(cè)量軟件等組成。
影像測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)型式主要有柱式、固定橋式和移動(dòng)橋式。柱式一般用于小量程的機(jī)器，橋式一般用于中大量程的機(jī)器。
2.1 柱式影像測(cè)量?jī)x
柱式結(jié)構(gòu)底部為基座，二維工作臺(tái)分別沿X 和Y 向移動(dòng)，影像探測(cè)系統(tǒng)可在固定立柱上沿Z 向運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)牢固、精度高， 不過(guò)工件的重量對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)有影響，不能承載過(guò)重工件，適合于中小行程影像測(cè)量?jī)x。
2.2 固定橋式影像測(cè)量?jī)x
固定橋式測(cè)量?jī)x的X、Y、Z 軸相互正交并沿著各自導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，其中Z 軸上安裝有影像探頭并可以相對(duì)Y 軸做垂直運(yùn)動(dòng)，而Y 軸則安裝在基座上。Z 軸部分和Y 軸部分的總成牢固裝在機(jī)座兩側(cè)的橋架上端。每軸都由電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，可確保位置精度，但不適合手動(dòng)操作，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整機(jī)剛性好。
2.3 移動(dòng)橋式影像測(cè)量?jī)x
移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)是目前大量程影像測(cè)量?jī)x中應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。其中，工作臺(tái)固定，其中一個(gè)橋框由導(dǎo)軌帶動(dòng)在工作臺(tái)上沿X 軸移動(dòng)，同時(shí)由另一個(gè)導(dǎo)軌帶動(dòng)滑板在橋框上沿Y 軸移動(dòng)，主軸則沿Z 軸移動(dòng)。被測(cè)工件安放在工作臺(tái)上， 影像探測(cè)部件安裝在主軸上。這種形式的影像測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，剛度好，具有較開(kāi)闊的空間。
3 展望
相較于傳統(tǒng)的接觸式CMM 每次測(cè)量只能通過(guò)觸碰待測(cè)物體獲取單個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)而言，影像測(cè)量?jī)x可以同時(shí)獲取待測(cè)物體的部分測(cè)量圖像，且有著非接觸性、高可靠性和高準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)，可以靈活地適用于現(xiàn)代工業(yè)各種場(chǎng)合的測(cè)量中，如汽車零件的表面質(zhì)量與缺陷的檢測(cè)、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別與分揀以及幾何量的測(cè)量、微電子部件自動(dòng)檢測(cè)、生產(chǎn)線中機(jī)械手的定位與瞄準(zhǔn)等等，在機(jī)械制造、航天航空、汽車生產(chǎn)、手機(jī)模具、電子信息等不同領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 謝華錕. 影像測(cè)量?jī)x的發(fā)展與點(diǎn)評(píng)[J]. 工具技術(shù)，2011,45:3-8.
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