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齿轮精密测量之影像测量仪与三坐标测量仪
影像测量仪是一种”基于成像在光电耦合器件上的光学影像系统(简称影像系统),通过光电耦合器件采集,经过软件处理成像,显示在计算机屏幕上,利用测量软件进行几何运算得出最终结果的非接触式测量仪器”。测量软件通过数字图像处理技术提取工件表面的坐标点,再利用坐标变换和数据处理技术转换成坐标测量空间中的各种几何要素,从而得到被测工件几何尺寸和形位公差等参数。
1、影像测量仪发展概述
20世纪70年代后期,尤其是在David Marr教授建立”计算视觉(Computational Vision)”理论框架以来,图像处理技术和图像传感器获得了快速发展。随着坐标测量技术的日趋发展与成熟,在以光学比较为基础的光学测量领域里,坐标 测量方法的发展应用有了更进一步的实质性进展。
1977年,美国View Engineering公司发明了世界上第一台由电机驱动XYZ轴的RB-1影像测量系统(见图1),它是一台控制终端整合了视频检测和软件测量的自动影 像测量仪。此外,Mechanical Technology公司的Boice Vista系统则充分借鉴了坐标测量机的优势,在坐标测量机的测头上集成了一个视频图像测量系统,该系统可以将测量数据与预先编制好的标称尺寸和公差进行比较。
这两台仪器通过不同途径借鉴了坐标测量机的坐标测量原理,将被测量物体的图像投影到坐标系中。其测量平台继承了坐标测量机的形式,但其测头与光学投影仪相 似。这些仪器的出现开辟了一个重要的测量仪器行业,即影像测量仪行业。上世纪80年代初,影像测量技术有了重要的发展。1981年,ROI公司开发出光学 影像探针(见图2),可以替代坐标测量机上的接触式探针进行非接触式测量,从此这个光学配件就成了影像设备的基础部件之一。在80年代中期,市场上又出现 了带高放大倍率显微镜目镜的影像测量仪。
进入上世纪90年代,随着CCD技术、计算机技术、数字图像处理技术、LED照明技术、直流/交流伺服驱动技术的发展,影像测量仪产品获得了巨大的发展。 更多的厂商进入到影像测量仪产品市场,共同推进了影像测量仪产品的发展。2000年以后,我国在该领域的技术水平不断提高,有关影像测量技术研究的文献也 不断出现;国内企业(如天准、智泰、怡信、赛克数码、新天等公司)所开发的影像测量仪在生产规模、品种和质量上也不断有所提升和发展。2009年我国制定 了国家标准GB/T24762-2009:产品几何技术规范(GPS)影像测量仪的验收检测和复检检测,它适用于XY平面直角坐标系的影像测量仪,包括在 垂直于平面直角坐标系Z方向上具有定位或测量功能的影像测量仪。
2、影像测量仪的评估
我们不妨从仪器结构、关键技术指标等方面对影像测量仪产品进行评价。
(1)外观与结构
精密测量仪器类产品的外观与结构是用户选择的重要依据。好的产品外观与结构,给人以稳重、可靠、精密的感觉,往往是决定一款产品在市场获得成败的重要因素。
目前影像测量仪的结构形式主要有立柱式结构、固定桥式结构与移动桥式结构。立柱式结构和固定桥式结构在小量程的影像测量仪中应用都很广泛,各有优势。移动桥式结构主要用在特大量程的影像测量仪中。立柱式结构的优势在于结构紧凑、占用场地小、装取工件方便;固定桥式结构的特点是产品稳重、大气,但占用场地较大,装取工件不太方便;移动桥式结构则容易实现大量程测量,测量过程中工件固定不动。
(2)光源系统
光源系统在影像测量仪中起着至关重要的作用,直接决定着一台影像仪性能的好坏、功能的强弱。好的光源系统可帮助影像测头获取清晰、锐利、均匀一致的正确图像,确保测量的精度与重复性。为实现对不同材质、不同形状、不同种类的工件提供有效的照明,完成复杂的测量任务,影像测量仪通常都会提供三种照明光源:表面光源、轮廓光源、同轴光源。
表面光源为工件上表面的测量提供照明。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,确保不同的工件获得一致的照明效果。
轮廓光源为工件外轮廓、通孔等测量提供照明。轮廓光源通常安装在影像测量仪的底座上,在工作时,图像上被工件阻挡部分成像为黑色,无阻挡部分为白色,帮助影像测头获得黑白分明、对比度高、边界清晰的工件图像。在轮廓光源照明下,仪器往往能达到最高的测量精度。
同轴光源沿着镜头光轴方向投射到工件表面, 可为工件的高反射率表面和深孔部位的测量提供照明。
(3)多测头集成
影像测头在二维尺寸测量上具备无可比拟的速度优势,但影像测头也有其不擅长的地方,在三维测量中,测量效率不够高、工件侧面特征无法测量等。由此就出现了多测头集成的需求,综合使用影像测头、接触式测头、激光测头和白光测头等,可针对不同的工件及不同的测量需求,选择最合适的测量方式,以便提供最佳的测量精度以及最好的测量效率。在二维尺寸的大批量检测时,可使用影像测头;在测量复杂工件侧壁,而对效率要求又不高的情况下,可选择接触式测量;在复杂工件的三维测量中,如果对效率要求很高,可使用白光测头或激光测头。
(4)测量性能
精度是测量仪器的根本,精度是用户选择仪器的最重要指标之一。影像测量仪的测量精度主要取决于影像测头的质量、照明光源系统性能、仪器运动及定位精度,数据处理测量软、硬件的质量和水平也是极其重要的影响因素。 作为自动化测量仪器,影像测量仪的测量效率是客户最为看重的要素之一。高测量效率可以减少设备投入、提高生产效率、降低人工费用等。
(5)测量功能
影像测量仪的基本测量功能通常包括:点、线、圆、弧等多种基本几何量的测量,在测量方式上,提供多种提取及构建方式;提供多种形状公差和位置公差的测量;提供多种坐标系建立方式;提供手动测量与自动批量测量;批量测量程序可记录测量基元、提取方式、机台操控、光源控制、自动聚焦等过程;可导入导出CAD图纸;测量数据输出到指定格式的报表中。 除了这些基本测量功能外,仪器厂商通常还会提供SPC、图纸比对、离线编程、定制输出报表等扩展功能。部分厂商还会针对特定用户行业的测量需求,开发相应的专用软件或硬件,增加仪器测量功能,如小模数齿轮测量、试验筛校准等。
(6)其他方面
产品易用性、对环境的适应性、操作界面是否人性化等方面,也是判别仪器性能的重要因素。是否能方便建立测量任务、制定及输出报表、机台操控等，影响用户对仪器的接受程度。
仪器的长期稳定性，测量方案的提供，客户服务的响应速度，交货周期、定制化开发能力等等，都是影响客户选择影像测量仪产品的重要因素。
三坐标测量仪是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量机或三坐标量床。三坐标测量仪又可定义“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传递讯号，三个轴的位移测量系统（如光栅尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的各点（x，y，z）及各项功能测量的仪器”。三坐标测量仪的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。
三坐标测量仪三轴均有气源制动开关及微动装置，可实现单轴的精密传动，采用高性能数据采集系统。应用于产品设计、模具装备、齿轮测量、叶片测量机械制造、工装夹具、汽模配件、电子电器等精密测量。
三坐标测量仪的基本构成
1、 X向横梁：采用精密斜梁技术。
2、Y向导轨：采用独特的直接加工在工作台上的整体下燕尾槽定位结构。
3、导轨方式：采用自洁式预载荷高精度空气轴承组成的四面环抱式静压气浮导轨。
4、驱动系统：采用本产高性能DC直流伺服电机、柔性同步齿形带传动装置，各轴均有限位和电子控制，传动更快捷、运动性能更佳。
5、Z向主轴：可调节的气动平衡装置，提高了Z轴的定位精度。
6、控制系统：采用进口的双计算机三座标专用控制系统。
7、机器系统：采用计算机辅助3D误差修正技术（CAA），保证系统的长期的稳定性和高精度。
8、测量软件：采用功能强大的3D-DMIS测量软件包，具有完善的测量功能和联机功能。
三坐标测试仪的功能原理
简单地说，三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量容积里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的采点发讯装置是测头，在沿X，Y，Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理。
三坐标测试仪的知名品牌
1.ZEISS蔡司
始于1846年德国，是全球领先的光学、精密工程及电子观测制造商，在光学及光电子学领域处于领先地位的全球性国际化公司。1973年蔡司就已经成功制造世界上第一台CNC三坐标测量机-UMM500。同时蔡司不断开发新技术与推出新产品，到现在为止已拥有多个国际专利。蔡司测量机在航空、航天、汽车、电子、机械与塑料等多个行业中得到广泛的使用。
2.HEXAGON海克斯康
创建于1975年瑞士，其测头技术在机床工具行业享有盛名。海克斯康测量技术主要包括两个部分：“大尺寸计量”，主要包括山体测量、城市测绘、道路干线、隧道桥梁、以及其它建筑工程的的测量。“小尺寸计量”，关注更加精密的尺寸测量任务，面向制造业提供的各种产品，包括汽车、航空航天、机床、军工、加工制造以及日用消费品。
3.Mitutoyo三丰
日本著名测量仪品牌，全球测量方案和测量设备专业提供商，专注于测量方案和测量设备的全球性公司，在整个量具行业独占鳌头。主要产品包括：量具行业的各个项目，包括：千分尺、卡尺、深度尺、内径千分尺、千分表、杠杆千分表、高度尺、微分头、量块、线性测微器、光栅尺、粗糙度仪、轮廓测量仪、显微镜、硬度计、三坐标测量机等。
4.Wenzel温泽
德国温泽集团是计量领域创新的先驱。温泽多样化的产品提供了三维测量、计算机断层扫描、光学高速扫描等多个行业的独特解决方案。温泽集团的技术解决方案在汽车、航空航天、发电及医疗等众多行业中有大量应用。温泽在全球范围内已交付安装超过10,000台测量设备。其子公司和业务伙伴在超过50个国家销售产品，并提供售后服务以满足客户需求。
5.Nikon尼康
尼康旗下仪器事业部，始于1917年日本，全球知名的光学仪器品牌，较早采用工业陶瓷技术的测量机品牌，历史悠久/全球著名的光学产品设计和制造商，尼康已成为全球最为知名的品牌，在光学仪器市场牢牢占据了领先地位，作为唯一一家生产自用玻璃的显微镜企业，整个生产活动为其提供了细致入微的品质保证。凭借在光学仪器领域 90 多年持续不断的专家知识积累，加之将提高创新能力和诚信作为公司全球使命，尼康自始至终都站在光学和技术创新的最前沿。
6.COORD3伯赛
创于1973年意大利，美国Perceptron旗下，全球激光在线测量技术领先者，致力于三坐标测量机设计、制造及销售的大型跨国公司，Perceptron Inc. (NASDAQ:PRCP)1981年成立于美国汽车之都底特律，有超过30年的测量经验，是全球激光在线测量技术的领导者。在全球，有超过900套系统，12,000台Perceptron测量传感器，超过3,000台Coord3三坐标机正在被使用。Perceptron总部位于美国密歇根州普利茅斯，业务遍及全球，在巴西、中国、捷克共和国、法国、德国、印度、意大利、日本、新加坡、西班牙和英国拥有子公司。
7.Accretech东京精密
东精精密设备(上海)有限公司作为日本东京精密在中国的业务纽带，负责东京精密生产的所有产品在中国的销售及服务工作。公司产品主要有两部分构成：计量测试设备及半导体制造设备。计量测试设备产品主要用于汽车备件，航空航天等精密机械加工行业。半导体制造设备应用于芯片制造，测试，封装行业。
8.法如FARO
始于美国，测量仪十大品牌，FARO是全球最值得信赖的三维测量、成像和实现技术供应商。主要从事计算机辅助测量设备和软件的开发和销售。公司开发和提供前沿的三维数据获取、三维测量和分析解决方案，面向制造、建造、工程和公共安全等广泛行业。
9.AEH爱德华
爱德华是总部位于德国，在中国、德国和法国均设有研发与生产基地，横跨欧亚大陆的大型测量产业集团。西安爱德华测量设备股份有限公司，是中国较早从事坐标测量设备研发、生产与销售的、持续推进科技创新与成长的智慧型企业之一。自1997年成立，技术研发和创新就被爱德华看作是企业赖以生存的根本和成长的源动力。凭借雄厚的科技创新实力，爱德华将先进的设计理念、科学的产品制造模式、强大的软件功能和网络技术进行了很好的结合，致力于向用户提供专业、高效、智能的测量解决方案。
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