影像測量技術及其設備的研究進展
作者:袁 武 許春雷時間:2015-11-27 14:23:22 來源:www.6scc.cn 閱讀次數:1592次 ]
【文章摘要】
對影像測量技術和測量儀的發展做了簡要的點評，總結了影像測量儀結構的分類和特點，并展望影像測量儀的發展前景和應用領域。
【關鍵詞】
影像測量技術；測量儀；研究進展
0 引言
影像測量儀是繼三坐標測量機（CMM）之后基于現代光學技術，集合了光電子學、圖形圖像學、計算機視覺、信息處理、模式識別等學科于一體的新型精密測量儀器，其利用影像處理技術檢測工件的外形輪廓和長度尺寸以及角度位置等數據，改變了傳統三坐標測量機需要以機械探頭為基準獲取空間點坐標，然后通過計算得到被測物體的幾何參數的測量方式， 并很快融入并適應了先進機械制造領域對于高效率生產高品質產品的需求，滿足了高速、便捷、精準的測量要求，帶來制造檢測生產水平的飛躍。
1 基于三坐標測量機的影像測量技術的發展
影像測量技術始于上世紀60-70 年代，1977 年，美國View Engineering 公司發明了世界首臺影像測量儀[1]。該型號為RB-1 的影像測量儀通過電機驅動XYZ 軸，并結合了圖像檢測和測量分析功能。隨后，Mechanical Technology 公司研發了在CMM 的測頭上集成圖像識別和測量功能的Boice Vista 系統，可以將測量的反饋數據與預置的標尺尺寸和公差進行對比， 提高了測量精度。此后，影像測量技術有了新的突破。1980 年，Jones & Lamson 公司開發出光學投影儀VIVIC，在測量標尺中應用自動光學千分尺。1981 年，ROI 公司開發出了可以取代CMM 上的接觸式測頭的光學影像探針，可以進行非接觸式測量，后被廣泛應用在影像測量儀器的設計和生產中。90 年代后，硬件的發展使影像測量儀有了更大的改進。比如圖像傳感器性能加強，計算機處理速度加快等。同時，測量軟件也增加了很多功能，如CAD 文件輸入、SPC 分析測量結果等。
現今各行業領域對精密測量的需求推動著各公司和機構提高了對影像測量技術的重視，影像測量儀的品種和規模也不斷擴大[2-4]。國外影像測量儀技術的由于起步早，技術發展比較成熟，因此市場占有比例高，產品知名度和普及度也較高。
美國OGP 公司設計的Vidicom Qualifier 863，是首個使用固態CID 相機和灰度圖像處理技術的現代影像檢測系統。該公司在影像測量技術領域擁有著多項核心技術和專利。
德國蔡司(ZEISS) 公司旗下的高端三坐標測量機處于行業先進水平，代表性產品為光學三坐標測量機O-INSPECT 系列。其他生產影像測量儀公司如日本MITUTOYO、NIKON，瑞典HEXAGON 等也有著雄厚的技術力量。
國內的影像測量技術由于起步晚， 技術力量薄弱，但隨著國家的重視和科研經費投入的加大，相關技術水平持續提高，研究成果也不斷涌現。智泰集團(3D FAMILY) 代表性的VMC250S 型影像儀使用XYZ 全閉環伺服控制系統；采用了自主研發的OVM Pro 全自動光學測量系統， 并具有SPC 報表分析功能，提高了批量檢測的效率，但難以測量高度尺寸。天準公司于2007 年自主開發了一款二維自動影像測量儀，打破了國外廠家的技術壟斷。其他新興企業如冶信、新天等生產的影像測量儀器和設備也逐漸在國內市場上嶄露頭角，占據著一席之地。
2 影像測量儀的結構分類與特點
影像測量儀主要由機械主體、標尺系統、影像探測系統、驅動控制系統以及測量軟件等組成。
影像測量儀的結構型式主要有柱式、固定橋式和移動橋式。柱式一般用于小量程的機器，橋式一般用于中大量程的機器。
2.1 柱式影像測量儀
柱式結構底部為基座，二維工作臺分別沿X 和Y 向移動，影像探測系統可在固定立柱上沿Z 向運動，結構牢固、精度高， 不過工件的重量對工作臺運動有影響，不能承載過重工件，適合于中小行程影像測量儀。
2.2 固定橋式影像測量儀
固定橋式測量儀的X、Y、Z 軸相互正交并沿著各自導軌運動，其中Z 軸上安裝有影像探頭并可以相對Y 軸做垂直運動，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座兩側的橋架上端。每軸都由電機來驅動，可確保位置精度，但不適合手動操作，該結構穩定、整機剛性好。
2.3 移動橋式影像測量儀
移動橋式結構是目前大量程影像測量儀中應用最廣泛的一種結構形式。其中，工作臺固定，其中一個橋框由導軌帶動在工作臺上沿X 軸移動，同時由另一個導軌帶動滑板在橋框上沿Y 軸移動，主軸則沿Z 軸移動。被測工件安放在工作臺上， 影像探測部件安裝在主軸上。這種形式的影像測量儀結構簡單、緊湊，剛度好，具有較開闊的空間。
3 展望
相較于傳統的接觸式CMM 每次測量只能通過觸碰待測物體獲取單個測量數據而言，影像測量儀可以同時獲取待測物體的部分測量圖像，且有著非接觸性、高可靠性和高準確性的優點，可以靈活地適用于現代工業各種場合的測量中，如汽車零件的表面質量與缺陷的檢測、機械零件的自動識別與分揀以及幾何量的測量、微電子部件自動檢測、生產線中機械手的定位與瞄準等等，在機械制造、航天航空、汽車生產、手機模具、電子信息等不同領域具有廣泛的應用前景。
【參考文獻】
[1] 謝華錕. 影像測量儀的發展與點評[J]. 工具技術，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. 三軸全自動光學影像測量儀VMC250S[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，徐一華. 影像測量儀技術基礎[M]. 北京: 中國商業出版社， 2010:11.
[6] 付琰. 三維影像儀中影像測量關鍵技術研究[D]. 合肥：合肥工業大學,2012:4.
[7] 王為農. 影像測量儀性能評價研究[J]. 中國計量,2009,02:75-78.
對影像測量技術和測量儀的發展做了簡要的點評，總結了影像測量儀結構的分類和特點，并展望影像測量儀的發展前景和應用領域。
【關鍵詞】
影像測量技術；測量儀；研究進展
0 引言
影像測量儀是繼三坐標測量機（CMM）之后基于現代光學技術，集合了光電子學、圖形圖像學、計算機視覺、信息處理、模式識別等學科于一體的新型精密測量儀器，其利用影像處理技術檢測工件的外形輪廓和長度尺寸以及角度位置等數據，改變了傳統三坐標測量機需要以機械探頭為基準獲取空間點坐標，然后通過計算得到被測物體的幾何參數的測量方式， 并很快融入并適應了先進機械制造領域對于高效率生產高品質產品的需求，滿足了高速、便捷、精準的測量要求，帶來制造檢測生產水平的飛躍。
1 基于三坐標測量機的影像測量技術的發展
影像測量技術始于上世紀60-70 年代，1977 年，美國View Engineering 公司發明了世界首臺影像測量儀[1]。該型號為RB-1 的影像測量儀通過電機驅動XYZ 軸，并結合了圖像檢測和測量分析功能。隨后，Mechanical Technology 公司研發了在CMM 的測頭上集成圖像識別和測量功能的Boice Vista 系統，可以將測量的反饋數據與預置的標尺尺寸和公差進行對比， 提高了測量精度。此后，影像測量技術有了新的突破。1980 年，Jones & Lamson 公司開發出光學投影儀VIVIC，在測量標尺中應用自動光學千分尺。1981 年，ROI 公司開發出了可以取代CMM 上的接觸式測頭的光學影像探針，可以進行非接觸式測量，后被廣泛應用在影像測量儀器的設計和生產中。90 年代后，硬件的發展使影像測量儀有了更大的改進。比如圖像傳感器性能加強，計算機處理速度加快等。同時，測量軟件也增加了很多功能，如CAD 文件輸入、SPC 分析測量結果等。
現今各行業領域對精密測量的需求推動著各公司和機構提高了對影像測量技術的重視，影像測量儀的品種和規模也不斷擴大[2-4]。國外影像測量儀技術的由于起步早，技術發展比較成熟，因此市場占有比例高，產品知名度和普及度也較高。
美國OGP 公司設計的Vidicom Qualifier 863，是首個使用固態CID 相機和灰度圖像處理技術的現代影像檢測系統。該公司在影像測量技術領域擁有著多項核心技術和專利。
德國蔡司(ZEISS) 公司旗下的高端三坐標測量機處于行業先進水平，代表性產品為光學三坐標測量機O-INSPECT 系列。其他生產影像測量儀公司如日本MITUTOYO、NIKON，瑞典HEXAGON 等也有著雄厚的技術力量。
國內的影像測量技術由于起步晚， 技術力量薄弱，但隨著國家的重視和科研經費投入的加大，相關技術水平持續提高，研究成果也不斷涌現。智泰集團(3D FAMILY) 代表性的VMC250S 型影像儀使用XYZ 全閉環伺服控制系統；采用了自主研發的OVM Pro 全自動光學測量系統， 并具有SPC 報表分析功能，提高了批量檢測的效率，但難以測量高度尺寸。天準公司于2007 年自主開發了一款二維自動影像測量儀，打破了國外廠家的技術壟斷。其他新興企業如冶信、新天等生產的影像測量儀器和設備也逐漸在國內市場上嶄露頭角，占據著一席之地。
2 影像測量儀的結構分類與特點
影像測量儀主要由機械主體、標尺系統、影像探測系統、驅動控制系統以及測量軟件等組成。
影像測量儀的結構型式主要有柱式、固定橋式和移動橋式。柱式一般用于小量程的機器，橋式一般用于中大量程的機器。
2.1 柱式影像測量儀
柱式結構底部為基座，二維工作臺分別沿X 和Y 向移動，影像探測系統可在固定立柱上沿Z 向運動，結構牢固、精度高， 不過工件的重量對工作臺運動有影響，不能承載過重工件，適合于中小行程影像測量儀。
2.2 固定橋式影像測量儀
固定橋式測量儀的X、Y、Z 軸相互正交并沿著各自導軌運動，其中Z 軸上安裝有影像探頭并可以相對Y 軸做垂直運動，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座兩側的橋架上端。每軸都由電機來驅動，可確保位置精度，但不適合手動操作，該結構穩定、整機剛性好。
2.3 移動橋式影像測量儀
移動橋式結構是目前大量程影像測量儀中應用最廣泛的一種結構形式。其中，工作臺固定，其中一個橋框由導軌帶動在工作臺上沿X 軸移動，同時由另一個導軌帶動滑板在橋框上沿Y 軸移動，主軸則沿Z 軸移動。被測工件安放在工作臺上， 影像探測部件安裝在主軸上。這種形式的影像測量儀結構簡單、緊湊，剛度好，具有較開闊的空間。
3 展望
相較于傳統的接觸式CMM 每次測量只能通過觸碰待測物體獲取單個測量數據而言，影像測量儀可以同時獲取待測物體的部分測量圖像，且有著非接觸性、高可靠性和高準確性的優點，可以靈活地適用于現代工業各種場合的測量中，如汽車零件的表面質量與缺陷的檢測、機械零件的自動識別與分揀以及幾何量的測量、微電子部件自動檢測、生產線中機械手的定位與瞄準等等，在機械制造、航天航空、汽車生產、手機模具、電子信息等不同領域具有廣泛的應用前景。
【參考文獻】
[1] 謝華錕. 影像測量儀的發展與點評[J]. 工具技術，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. 三軸全自動光學影像測量儀VMC250S[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，徐一華. 影像測量儀技術基礎[M]. 北京: 中國商業出版社， 2010:11.
[6] 付琰. 三維影像儀中影像測量關鍵技術研究[D]. 合肥：合肥工業大學,2012:4.
[7] 王為農. 影像測量儀性能評價研究[J]. 中國計量,2009,02:75-78.
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