影像测量仪在几何运算得出最终结果的非接触式测量仪器

图像测量仪是以光电耦合装置上成像为基础的“光学成像系统（简称成像系统）。它通过光电耦合装置采集数据，通过软件对图像进行处理，并显示在计算机屏幕上。利用测量软件进行几何运算，得到最终结果。“非接触式测量仪器求结果”。测量软件通过数字图像处理技术提取工件表面上的坐标点，然后利用坐标变换和数据处理技术来计算工件表面的坐标点。将它们转换成坐标测量空间中的各种几何元素，从而获得被测工件的几何尺寸、形位公差等参数。

1：影像测量仪器发展概况

20世纪70年代末，特别是David Marr教授建立“计算视觉”理论框架以来，图像处理技术和图像传感器得到了迅速发展。 随着坐标测量技术的日益发展和成熟，基于光学比较的坐标测量方法在光学测量领域的发展和应用进一步取得实质性进展。

1977年，美国View Engineering公司发明了世界上第一台由XYZ轴电机驱动的RB-1图像测量系统（见图1）。 是一款集视频检测和软件测量于一体的带有控制终端的自动影像测量仪。 。 此外，Mechanical Technology的Boice Vista系统充分借鉴了三坐标测量机的优点，在三坐标测量机的测头上集成了视频图像测量系统。 该系统可以将测量数据与预先编程的标称尺寸进行比较，并比较公差。

这两种仪器以不同的方式利用三坐标测量机的坐标测量原理，将被测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，但其探头类似于光学投影仪。 这些仪器的出现开辟了一个重要的测量仪器行业，即影像测量仪器行业。

20世纪80年代初，图像测量技术取得了重要发展。 1981年，ROI公司开发出光学成像探头（见图2），可以替代三坐标测量机上的接触式探头进行非接触式测量。 从此，这种光学配件就成为成像设备的基本部件之一。 20世纪80年代中期，市场上出现了带有高倍显微镜目镜的图像测量仪器。

第一个成像仪

光学成像镜头

20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、DC/AC伺服驱动技术的发展，图像测量仪器产品取得了巨大的发展。 更多厂商进入影像测量仪产品市场，共同推动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，图像测量技术研究的文献不断出现； 国内企业研发的影像测量仪器在生产规模、品种、质量等方面也不断完善和发展。 2009年，我国制定了国家标准GB/T24762-2009：产品几何技术规范（GPS）影像测量仪器验收检测和复验检测。 适用于XY平面直角坐标系（包括直角平面）的图像测量仪器。 具有坐标系Z方向定位或测量功能的图像测量仪。

2：影像测量仪的评价

(一)外观结构

精密测量仪器产品的外观和结构是用户选型的重要依据。 良好的产品外观和结构给人以稳定、可靠、精密的感觉，往往是决定产品在市场上成败的重要因素。

目前影像测量仪的主要结构形式有立柱结构、固定桥式结构和活动桥式结构。 立柱式结构和固定桥式结构都广泛应用于小量程影像测量仪器中，并且各有其优点。 移动桥式结构主要应用于超大范围图像测量仪器中。 立柱结构的优点是结构紧凑，占用空间小，装卸工件方便； 固定桥结构的特点是产品稳定、大气，但占用空间大，装卸工件不方便； 活动桥结构易于实现大范围测量，测量过程中工件固定。

结构1

结构2

结构3

(2)光源系统

光源系统在图像测量仪中起着至关重要的作用，它直接决定了图像测量仪的性能和功能。 良好的光源系统可以帮助图像探头获得清晰、锐利、均匀、正确的图像，保证测量的准确性和重复性。 为了给不同材质、形状、类型的工件提供有效的照明，完成复杂的测量任务，图像测量仪器通常提供三种照明光源：面光源、轮廓光源和同轴光源。

表面光源为工件上表面的测量提供照明。 一个好的面光源应该能够提供不同入射角、不同入射方向的照明，保证不同的工件获得一致的照明效果。 轮廓光源为工件的外轮廓、通孔等测量提供照明。 轮廓光源通常安装在图像测量仪的底座上。 工作时，图像被工件遮挡的部分成像为黑色，未被遮挡的部分成像为白色，帮助图像探头获得黑白清晰、对比度高、边界清晰的工件图像。 在轮廓光照明下，仪器往往能达到最高的测量精度。

同轴光源沿镜头光轴投射到工件表面，可为工件高反射率表面和深孔的测量提供照明。

光源

镜片

(3) 多探头集成

成像探头在二维尺寸测量中具有无可比拟的速度优势，但成像探头也有其缺点。 三维测量中，测量效率不够高，无法测量工件的侧面特征。

因此，需要多探头集成。 图像探头、接触式探头、激光探头和白光探头的综合使用，可以针对不同的工件和不同的测量需求选择最合适的测量方法。 提供最佳的测量精度和最佳的测量效率。 大批量二维尺寸检测时，可使用图像探头； 当对效率要求不高的复杂工件的侧壁进行测量时，可以选择接触式测量：在复杂工件的三维测量中，如果对效率要求很高，可以使用白光探头或激光探头。

海克斯康OPTIV复合测量仪

(4) 测量性能

精度是测量仪器的基础，精度是用户选择仪器最重要的指标之一。 影像测量仪的测量精度主要取决于影像测量探头的质量、光源系统的性能、仪器的运动和定位精度。 数据处理和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看重的因素之一。 测量效率高，可以减少设备投资、提高生产效率、降低人工成本等。

(5) 测量软件功能

影像测量仪的基本测量功能通常包括：点、线、圆、弧等各种基本几何量的测量。在测量方法方面，提供了多种提取和构造方法； 提供各种形状公差和位置公差的测量； 提供多种坐标系建立方法； 提供手动测量和自动批量测量； 批量测量程序可记录测量基元、提取方法、机器控制、光源控制、自动调焦等过程； CAD图纸可以导入和导出：测量数据可以以指定的格式输出到报告。

除了这些基本的测量功能外，仪器制造商通常还提供SPC、图纸比较、离线编程、定制输出报告等扩展功能。 有些厂家还会开发相应的专用软件或硬件，以满足特定用户行业的测量需求，并增加仪器测量功能，如小模数齿轮测量、试验筛标定等。

（六）其他方面

产品的易用性、对环境的适应性以及操作界面是否人性化也是判断仪器性能的重要因素。 是否方便建立测量任务、制定输出报告、控制机器等，影响用户对仪器的接受程度。

仪器的长期稳定性、测量解决方案的提供、客户服务的响应速度、交付周期、定制开发能力和价格等，都是影响客户选择影像测量仪器产品的重要因素。

(7)影像测量仪新趋势——一键式影像测量仪

一键式影像测量仪又称影像测量尺、闪光影像测量仪，是新型影像测量技术的代表。 该技术首先由一些国外公司引入中国，并于2013年左右实现国产化。

一键式成像仪结构包括：

一键式影像测量仪的核心硬件由上下光源、高像素CCD相机、大角度深视场远心镜头、固定载物台组成。 结构比较简单。

一键式影像测量仪原理

一键式影像测量仪是一种新型的影像测量技术。 它与传统二维图像测量仪器的不同之处在于，它不再需要光栅尺位移传感器作为精度标准，也不再使用大焦距镜头放大产品图像来保证测量精度。 一键式影像测量仪采用大视角、大景深的远心镜头，将产品轮廓图像缩小数倍或数十倍，然后传输至数百万像素高分辨率CCD相机进行数字化处理。 强大的背景绘图和测量软件可以根据预先编程的指令快速捕捉产品轮廓，最后与高像素摄像头微小像素形成的尺子进行比较，计算出产品尺寸，同时完成尺寸公差的评估。 一键式图像测量仪机身结构简单，不需要位移传感器光栅尺。 只需要一个大视角、大景深的远心放大镜头、一个高像素的CCD摄像头以及具有强大计算能力的后台软件。

一键式影像测量仪功能：

简单的结构特点决定了一键式影像测量仪测量功能有限。 其功能如下：

1.绘图，按照预先编程的轮廓画出产品轮廓的鸟瞰图，

2、基于舞台测量二维平面几何元素的尺寸：点、线、圆、圆弧、R角等基本元素及其几何尺寸关系，并自动评估这些尺寸的公差。

3. 将绘制的鸟瞰图另存为 CAD 格式的图纸。

4. 自动保存并输出测量尺寸和公差评估的报告。

一键式影像测量仪的优缺点

一键影像测量仪的优点

(1). 测量速度极快。 可在2至5秒内完成100个以内尺寸的绘图、测量和公差评估。 效率是传统二维影像测量仪器的数十倍。

（2）。 避免因测量行程增加而影响阿贝误差。 重复测量精度高，解决了同一产品重复测量数据一致性差的问题。

（3）。 该仪器结构简单，不需要位移刻度光栅，测量过程中不需要移动工作台，因此仪器的稳定性非常好。

（4）。 由于精度尺是CCD相机的像素点，而像素点不会随时间变化，也不会受温度、湿度的影响，所以仪器的精度比较稳定，测量精度可以自动校准通过软件。

一键式影像测量仪的缺点

(1). 测量范围小，在保证高精度的同时，其测量范围不超过130mm。

（2）。 测量功能较窄，仅适用于平面基本几何尺寸的测量和公差的评定。

（3）。 对产品的要求比较高，对于轮廓不光滑、不精细的产品测量误差比较大。 （4）。 价格比较贵。

应用领域

一键式影像测量仪广泛应用于精密螺丝、精密弹簧、齿轮、手机外壳、手机玻璃、精密五金配件等较小产品和零件的快速批量测量。

Keyence 一键式测量仪

下表为影像测量仪器对比：

3：国内外成像仪主要品牌

图像测量仪器大致可分为两类：科学级和工业级。 科学级产品精度非常高，对工作环境和操作人员的要求非常高。 目前全球仅有少数厂家拥有此类产品，市场容量很小。

工业级产品占据最大的市场份额。 工业级产品中，精度高、性能稳定、效率高、功能丰富的一线品牌主要有蔡司、三丰、尼康、OGP、Hexagon等国外公司以及国内的TZN。 其研发的具有三维图像测量功能的品牌产品分别代表了当今工业级图像测量仪器的先进水平。 本文拟以这些公司同规格的主导产品为对象进行简单介绍和比较。 与其他常见进口品牌和大多数国产品牌相比，整体品质还存在一定差距。

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