影像测量技术及其设备的研究进展

袁 武 许春雷 合肥工业大学仪器学院 安徽合肥 230009

【文章摘要】

对影像测量技术和测量仪的发展做了简要的点评，总结了影像测量仪结构的分类和特点，并展望影像测量仪的发展前景和应用领域。

【关键词】

影像测量技术；测量仪；研究进展

0 引言

影像测量仪是继三坐标测量机（CMM）之后基于现代光学技术，集合了光电子学、图形图像学、计算机视觉、信息处理、模式识别等学科于一体的新型精密测量仪器，其利用影像处理技术检测工件的外形轮廓和长度尺寸以及角度位置等数据，改变了传统三坐标测量机需要以机械探头为基准获取空间点坐标，然后通过计算得到被测物体的几何参数的测量方式，并很快融入并适应了先进机械制造领域对于高效率生产高品质产品的需求，满足了高速、便捷、精准的测量要求，带来制造检测生产水平的飞跃。

1 基于三坐标测量机的影像测量技术的发展

影像测量技术始于上世纪60-70 年代，1977 年，美国View Engineering 公司发明了世界首台影像测量仪[1]。该型号为RB-1 的影像测量仪通过电机驱动XYZ 轴，并结合了图像检测和测量分析功能。随后，Mechanical Technology 公司研发了在CMM 的测头上集成图像识别和测量功能的Boice Vista 系统，可以将测量的反馈数据与预置的标尺尺寸和公差进行对比， 提高了测量精度。此后，影像测量技术有了新的突破。1980 年，Jones & Lamson 公司开发出光学投影仪VIVIC，在测量标尺中应用自动光学千分尺。1981 年，ROI 公司开发出了可以取代CMM 上的接触式测头的光学影像探针，可以进行非接触式测量，后被广泛应用在影像测量仪器的设计和生产中。90 年代后，硬件的发展使影像测量仪有了更大的改进。比如图像传感器性能加强，计算机处理速度加快等。同时，测量软件也增加了很多功能，如CAD 文件输入、SPC 分析测量结果等。

现今各行业领域对精密测量的需求推动着各公司和机构提高了对影像测量技术的重视，影像测量仪的品种和规模也不断扩大[2-4]。国外影像测量仪技术的由于起步早，技术发展比较成熟，因此市场占有比例高，产品知名度和普及度也较高。

美国OGP 公司设计的Vidicom Qualifier 863，是首个使用固态CID 相机和灰度图像处理技术的现代影像检测系统。该公司在影像测量技术领域拥有着多项核心技术和专利。

德国蔡司(ZEISS) 公司旗下的高端三坐标测量机处于行业先进水平，代表性产品为光学三坐标测量机O-INSPECT 系列。其他生产影像测量仪公司如日本MITUTOYO、NIKON，瑞典HEXAGON 等也有着雄厚的技术力量。

国内的影像测量技术由于起步晚，技术力量薄弱，但随着国家的重视和科研经费投入的加大，相关技术水平持续提高，研究成果也不断涌现。智泰集团(3D FAMILY) 代表性的VMC250S 型影像仪使用XYZ 全闭环伺服控制系统；采用了自主研发的OVM Pro 全自动光学测量系统， 并具有SPC 报表分析功能，提高了批量检测的效率，但难以测量高度尺寸。天准公司于2007 年自主开发了一款二维自动影像测量仪，打破了国外厂家的技术垄断。其他新兴企业如冶信、新天等生产的影像测量仪器和设备也逐渐在国内市场上崭露头角，占据着一席之地。

2 影像测量仪的结构分类与特点

影像测量仪主要由机械主体、标尺系统、影像探测系统、驱动控制系统以及测量软件等组成。

影像测量仪的结构型式主要有柱式、固定桥式和移动桥式。柱式一般用于小量程的机器，桥式一般用于中大量程的机器。

2.1 柱式影像测量仪

柱式结构底部为基座，二维工作台分别沿X 和Y 向移动，影像探测系统可在固定立柱上沿Z 向运动，结构牢固、精度高， 不过工件的重量对工作台运动有影响，不能承载过重工件，适合于中小行程影像测量仪。

2.2 固定桥式影像测量仪

固定桥式测量仪的X、Y、Z 轴相互正交并沿着各自导轨运动，其中Z 轴上安装有影像探头并可以相对Y 轴做垂直运动，而Y 轴则安装在基座上。Z 轴部分和Y 轴部分的总成牢固装在机座两侧的桥架上端。每轴都由电机来驱动，可确保位置精度，但不适合手动操作，该结构稳定、整机刚性好。

2.3 移动桥式影像测量仪

移动桥式结构是目前大量程影像测量仪中应用最广泛的一种结构形式。其中，工作台固定，其中一个桥框由导轨带动在工作台上沿X 轴移动，同时由另一个导轨带动滑板在桥框上沿Y 轴移动，主轴则沿Z 轴移动。被测工件安放在工作台上， 影像探测部件安装在主轴上。这种形式的影像测量仪结构简单、紧凑，刚度好，具有较开阔的空间。

3 展望

相较于传统的接触式CMM 每次测量只能通过触碰待测物体获取单个测量数据而言，影像测量仪可以同时获取待测物体的部分测量图像，且有着非接触性、高可靠性和高准确性的优点，可以灵活地适用于现代工业各种场合的测量中，如汽车零件的表面质量与缺陷的检测、机械零件的自动识别与分拣以及几何量的测量、微电子部件自动检测、生产线中机械手的定位与瞄准等等，在机械制造、航天航空、汽车生产、手机模具、电子信息等不同领域具有广泛的应用前景。

【参考文献】

[1] 谢华锟. 影像测量仪的发展与点评[J]. 工具技术，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] 智泰集团. 三轴全自动光学影像测量仪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] 王为农，徐一华. 影像测量仪技术基础[M]. 北京: 中国商业出版社， 2010:11.

[6] 付琰. 三维影像仪中影像测量关键技术研究[D]. 合肥：合肥工业大学,2012:4.

[7] 王为农. 影像测量仪性能评价研究[J]. 中国计量,2009,02:75-78.

图1 影像测量仪基本组成部件103

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