科學｜影像測量儀器的發(fā)展歷史

圖像測量儀器是一種“基于在光電耦合裝置上成像的光學成像系統(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算機屏幕上，以及用于幾何計算的二手測量軟件，“提供最終結(jié)果的非接觸式測量儀器”。測量軟件通過數(shù)字圖像處理技術(shù)提取工件表面的坐標點，然后利用坐標變換和數(shù)據(jù)處理技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為坐標測量空間中的各種幾何元素，從而獲得幾何等參數(shù)。被測工件的尺寸和形狀公差。

1、圖像測量儀器的發(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。隨著坐標測量技術(shù)的發(fā)展和成熟，在基于光學比較的光學測量領域，坐標測量方法的開發(fā)和應用取得了更大的進步。

1977年，美國的View Engineering公司發(fā)明了世界上第一個由電動機驅(qū)動的RB-1圖像測量系統(tǒng)，以驅(qū)動XYZ軸（見圖1)，這是一個集成了視頻檢測和軟件測量的控制終端。自動圖像測量儀此外，Mechanical Technology的Boice Vista系統(tǒng)充分利用了坐標測量機的優(yōu)勢，并將視頻圖像測量系統(tǒng)集成到坐標測量機的探頭上，該系統(tǒng)可以將測量數(shù)據(jù)與預先編程的數(shù)據(jù)相結(jié)合。標稱尺寸和公差。

VE的RB-1圖像測量儀

ROI圖像探頭

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

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

2、圖像測量儀的評估

本文試圖從儀器結(jié)構(gòu)和關鍵技術(shù)指標的角度評估圖像測量儀器的產(chǎn)品。由于缺乏有關作者圖像探測器的信息，因此不涉及該信息。

（[1)外觀和結(jié)構(gòu)

精密測量儀器的外觀和結(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)品在市場上成敗的重要因素。

目前，圖像測量儀的結(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量儀器中，各有其優(yōu)點?；顒訕蚪Y(jié)構(gòu)主要用于范圍很大的圖像測量儀器中。立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(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，但占用空間大，不方便裝卸工件。移動橋式結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)大范圍測量，在測量過程中工件是固定的。

（[2)光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)在圖像測量儀器中起著至關重要的作用，它直接決定著圖像儀器的性能和功能。一個好的光源系統(tǒng)可以幫助成像探頭獲得清晰，清晰，均勻和正確的圖像，從而確保測量的準確性和可重復性。為了對不同材料，不同形狀，不同類型的工件提供有效的照明并完成復雜的測量任務，圖像測量儀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量工件的上表面。一個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量儀的底座上。在工作時，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＿@有助于圖像探測器獲得清晰的黑白，高對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_到最高的測量精度。同軸光源沿著透鏡的光軸投射到工件的表面，可以為測量工件的高反射率表面和深孔提供照明。

（[3)多個探針集成

圖像探針在二維尺寸測量中具有無與倫比的速度優(yōu)勢，但圖像探針也有其缺點。在三維測量中，測量效率不夠高影像測量儀，不能測量工件的側(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，可以針對不同的工件和不同的測量要求選擇最合適的測量方法。提供最佳的測量精度和最佳的測量效率。在二維尺寸的大規(guī)模檢查中，可以使用成像探頭。在測量復雜工件的側(cè)壁，對效率要求不高的情況下，可以選擇接觸測量；在復雜工件的三維測量中，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

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

（[5)測量功能

圖像測量儀器的基本測量功能通常包括：測量各種基本幾何量，例如點，線，圓，弧等，就測量方法而言，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系建立方法；提供手動測量和自動批量測量；批量測量程序可以記錄測量原語，提取方法，機器控制，光源控制，自動聚焦等過程；可以導入和導出CAD圖紙；測量數(shù)據(jù)以指定格式輸出到報告中。除了這些基本的測量功能外，儀器制造商通常還提供擴展功能，例如SPC，圖形比較，離線編程和定制的輸出報告。一些制造商還將針對特定用戶行業(yè)的測量需求開發(fā)相應的專用軟件或硬件，并增加儀器的測量功能，例如小模數(shù)齒輪測量，測試篩校準等。

（[6)其他方面

產(chǎn)品的易用性，對環(huán)境的適應性以及用戶友好的界面也是判斷儀器性能的重要因素。它是否可以促進測量任務的建立，報告的制定和輸出，機器控制等，都會影響用戶對儀器的接受程度。

儀器的長期穩(wěn)定性，測量解決方案的提供，客戶服務的響應速度，交付周期，定制開發(fā)的能力等都是影響客戶選擇圖像測量的重要因素。樂器產(chǎn)品。

3、對國內(nèi)外典型產(chǎn)品的評論

圖像測量儀器大致可分為兩類：科學級和工業(yè)級。科學級產(chǎn)品的精度很高，對工作環(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，并且它們的市場容量很小。工業(yè)產(chǎn)品占據(jù)最大的市場份額。在工業(yè)級產(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)天準等外國公司。他們開發(fā)的具有三維圖像測量功能的品牌產(chǎn)品分別代表了當今工業(yè)級圖像測量儀器的先進水平。本文打算對這些公司相同規(guī)格的領先產(chǎn)品進行簡要介紹和比較。與其他普通進口品牌和大多數(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)測量領域的知名企業(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量儀器產(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量儀器制造商，日本的三豐擁有廣泛的圖像測量儀器和完整的型號。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

位于中國蘇州的天準科技有限公司多年來一直致力于精密測量儀器的研究與開發(fā)。它是中國圖像測量儀器的領先品牌，是兩項國家校準標準的起草單位。其代表性產(chǎn)品MU322具有測量精度高，測量速度快，功能豐富的優(yōu)點（見圖5)。

天準VMU322

Nikon VMR3020

（[4)尼康

日本尼康在光學測量儀器領域擁有強大的技術(shù)實力和眾多產(chǎn)品。其典型產(chǎn)品VMR3020美觀精致，具有很高的測量精度和功能全面，如圖6所示。

（[5) OGP美國

OGP公司一直致力于圖像測量儀器產(chǎn)品的開發(fā)，生產(chǎn)和銷售，并擁有許多圖像測量儀器的核心技術(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是世界知名的長度測量儀器制造商。在2010年初，它推出了Optive系列圖像測量儀器，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量儀器產(chǎn)品。

4、視頻測量儀器評論

（[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，通常使用線性導軌，大范圍產(chǎn)品中通常使用氣浮結(jié)構(gòu)。在傳動方面，滾珠絲杠和無齒螺絲被廣泛使用。滾珠絲杠的傳動效率高，剛性好，壽命長。無螺紋螺絲具有傳動穩(wěn)定，振動小，過載保護的優(yōu)點。

（[2)測量性能（準確性和速度）

L的單位為mm時，各種制造商的產(chǎn)品的測量性能的比較請參見表2。

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

（[3)光源系統(tǒng)

在精密測量儀器領域，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，例如壽命長，發(fā)熱量低，可以組合成任何形狀以及光源波長范圍廣。它們已在許多領域被替換。傳統(tǒng)的鹵素燈光源。有關各種制造商產(chǎn)品的光源系統(tǒng)的比較，請參見表3。

面光源的功能非常重要。天準和OGP的產(chǎn)品配備了6環(huán)8區(qū)面光源，可以提供48個分段的獨立控制功能，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)光源無法為多個工件提供一致的照明的問題。

（[4)多個探針

評論中的大多數(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（請參閱表4）。

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

（[5)測量功能

以上介紹的所有儀器均具有常規(guī)幾何測量，自動批量測量和報告輸出等功能。對于SPC和工程圖比較之類的高級功能，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用才能享受這些功能的便利。天準產(chǎn)品提供如表5所示的全套測量功能，并且還為用戶開發(fā)并提供獨特的專用測量軟件模塊，例如小模數(shù)齒輪測量，全景掃描測量，測試篩校準，半徑模板校準，噴涂專用軟件諸如線路板測量之類的產(chǎn)品已經(jīng)解決或部分解決了這些行業(yè)中一些長期存在的關鍵測量問題，并受到了用戶的好評。

（[6)其他方面

表6顯示了各個廠商產(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，以一起控制機器。天準的VUM322提供多達8種軟件控制方法，從而大大提高了儀器的可操作性。此外，儀器的長期穩(wěn)定性，提供測量解決方案的能力，客戶服務的響應速度影像測量儀，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量儀器產(chǎn)品的重要因素。 。用戶需要根據(jù)自己的需求和實際情況做出最佳選擇。

5結(jié)論

本文選擇了6個國內(nèi)外知名品牌的圖像測量儀器產(chǎn)品進行評論。這些產(chǎn)品具有很高的測量精度，快速的測量速度和完善的測量功能，代表了當今工業(yè)級圖像測量儀器行業(yè)的先進水平。我們很高興地看到，天準科技有限公司作為國內(nèi)圖像測量儀器產(chǎn)品的領先品牌，其領先產(chǎn)品在測量精度，測量速度和軟件功能方面均具有與世界一流品牌相當?shù)闹笜恕?。外國品牌在高端工業(yè)級圖像測量儀器領域占據(jù)主導地位。在為用戶提供高質(zhì)量，快速的服務以及開發(fā)定制的專用軟件方面，天準具有明顯的優(yōu)勢和強大的競爭力。隨著技術(shù)的進步和客戶對測量要求的不斷提高，圖像測量技術(shù)正朝著多探頭進一步集成，測量數(shù)據(jù)共享，在線測量，信息聯(lián)網(wǎng)等方向發(fā)展，具有更高的測量精度，更快的測量速度和測量。將會進一步開發(fā)功能更強大的多坐標圖像測量儀器和特定于行業(yè)的圖像測量儀器。