测量坐标仪

雷尼绍的创新REVO® 五轴测量系统又添新品 &mdash SFP1，它首次将表面粗糙度检测完全整合到坐标测量机的测量程序中。 SFP1表面粗糙度检测测头的测量能力从6.3至0.05 Ra，其采用独特的&ldquo 单一平台&rdquo 设计，无需安装手持式传感器，也不需要将工件搬到价格昂贵的表面粗糙度专用测量仪上进行测量，既降低了人工成本又缩短了检测辅助时间。坐标测量机用户现在能够在工件扫描与表面粗糙度测量之间自动切换，一份测量报告即可呈现全部分析数据。 高质量表面粗糙度数据 SFP1表面粗糙度检测测头作为REVO五轴测量系统的一个完全集成选件，提供一系列强大功能，可显著提升检测速度和灵活性，令用户受益。 测头包括一个C轴，结合REVO测座的无级定位能力和特定测针，该轴允许自动调整测头端部的任意角度来适应工件，确保获得最高质量的表面粗糙度数据。SFP1配有两种专用测针：SFS-1直测针和SFS-2曲柄式测针，它们在测量程序的完全控制下由REVO系统的模块交换架系统 (MRS) 选择。这不仅有助于灵活测触工件特征，还兼具全自动数控方法的一致性。 SFP1表面粗糙度检测测头为平滑式测尖，含钻石成份的测尖半径为2 &mu m，它按照I++ DME协议，通过雷尼绍的UCCServer软件将Ra、RMS和原始数据输出到测量应用客户端软件上。原始数据随后可提供给专业的表面分析软件包，用于创建更详细的报告。 表面粗糙度检测测头自动标定 传感器校准也通过坐标测量机软件程序自动执行。新的表面粗糙度校准块 (SFA) 安装在MRS交换架上，通过SFP1检测测头进行测量。软件然后根据校准块的校准值调整测头内的参数。 更多信息 详细了解雷尼绍的坐标测量机测头系统与软件，包括全新的坐标测量机改造服务。

日前，国家科学技术部发布了《科技部关于2013年度国家重大科学仪器设备开发专项项目立项的通知》，天准公司承担的&ldquo 复合式高精度坐标测量仪器开发和应用&rdquo 项目入选&ldquo 2013年国家重大科学仪器设备开发专项项目&rdquo 。 　　国家重大科学仪器设备开发专项由科技部、财政部于2011年设立，旨在支持重大科学仪器设备开发，提高我国科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平，形成能够在世界上有特色、有影响的科学仪器设备，服务经济和社会发展。专项在前两年共支持项目119项，国家拨款经费高到18亿元。 　　&ldquo 复合式高精度坐标测量仪器开发和应用&rdquo 项目针对我国航空航天、国防军工、材料工程、工具制造、精密计量等领域对先进测量及分析手段的迫切需求，通过突破全面测量不确定度评价及精度保障技术、全面误差补偿技术、多测头统一标定技术、多测头数据融合方法等核心技术，研制集成接触式测头、影像测头和激光测头的复合式高精度坐标测量仪。仪器测量精度高达0.3&mu m，全面达到国际先进水平。 　　该项目总经费4417万元。天准作为项目牵头单位，联合中国计量科学研究院、天津大学、北京工业大学、中国航空工业集团公司北京航空材料研究院、中国科学院光电研究院、成都工具研究所有限公司等高校及科研机构，搭建产学研用一体的协同创新平台，开展仪器研制、工程化、产业化等工作。 　　近年来，天准高度重视创新工作，承担着多个省部级以上科技项目，荣获多项省部级以上科技奖励，在专利申请、新产品研发工作、论文发表等方面都取得了优异的成绩。从影像测量仪、三坐标测量机到自动化，天准一直致力于推动精密测量技术的发展，已成为我国精密测量领域的领先品牌。通过此项目的实施，天准将进一步推进中国精密制造业质量提升，迎接当前全球制造业升级变迁的新一轮的挑战，为国家装备制造业的快速转型贡献自己的力量!

一、CMM简介CMM是坐标测量机（Coordinate Measuring Machine）的简称，俗称“三坐标”,最早于50年代由欧洲人发明，知名厂商包括海克斯康和蔡司等，起初用于军工领域，随后广泛应用于各类制造型企业。国内生产三坐标的厂家包括思瑞、雷顿、爱德华等。 图1 坐标测量机（CMM）示例初代CMM由花岗岩平台、精密光栅尺、运动控制系统等部件组成，精度可达到1~3um级别，但是它对环境温度的要求较高，且特别笨重。人们为了测量更加便捷，之后又发明了关节臂CMM、激光CMM、视觉CMM三个品类的坐标测量机。关节臂CMM是由六轴或七轴关节组成，在关节处有高精度旋转编码器可测量关节的角度，精度可达到20~50um级别，重量较轻，对环境温度的要求不像三坐标那么高。但它的测量范围受限于机械臂的臂长，臂越长精度越低。图2 关节臂CMM示例激光CMM是指激光跟踪仪，由激光干涉测距模块、高精度旋转编码器、运动控制模块、全反射靶球等组成，高端设备甚至还集成了视觉定姿模块，精度可达到15um+6um/m，测量范围可达100m左右。 图3 激光跟踪仪示例（中间是激光反射靶球）视觉CMM主要由高分辨率相机和光笔组成，其中相机用于跟踪定位，而光笔又由标志点、探针组成。这类设备的重量最轻，使用时最为灵活省力，精度通常能达到20~50um级别。视觉CMM的分类、发展和应用，将在下文中详述。 图4 视觉CMM示例（跟踪器和光笔）二、视觉CMM的发展视觉CMM是基于数字摄影测量和计算机视觉原理的坐标测量仪器，该领域的学者把相机抽象成一个小孔成像设备，利用“共线方程”这一基本原理，推导出了相机标定、前方交会、后方交会、相对定向、绝对定向、极线对应等解析法理论，表述的是“物-像”几何关系。在视觉CMM中，被观测的目标（光笔）通常是一组标志点，可以是玻璃微珠反光材料的，也可以是LED自发光的，从原理上标志点的数量至少应为3个，但为了更好的精度和可靠性，厂家通常会设计10个左右的标志点。标志点的三维坐标是事先测定过的已知值，相机对标志点进行拍照，得到标志点的成像，利用“物-像”几何关系求解被观测目标（光笔）的位置和姿态。视觉CMM根据相机的数量和使用方式的不同，可以分为单目跟踪CMM、双目跟踪CMM、单目反向定位CMM、单目主动跟踪CMM四种类型，下文逐一介绍。 图5 不同位置下光笔的成像图6 单目跟踪和双目跟踪原理示意图2.1 单目跟踪CMM单目CMM是利用单个相机对被观测目标（光笔）进行跟踪定位，其原理在摄影测量中称为单片空间后方交会，测量精度与相机分辨率、拍摄距离远近、目标的尺寸大小等因素有关。为了保证足够的测量精度，如图6所示，被跟踪的目标张角需要足够大，因此其配套使用的光笔的尺寸一般都很大（图7）。 图7 单目跟踪视觉CMM示例2.2 双目跟踪CMM双目CMM是利用两个相机对被观测目标（光笔）进行跟踪定位，其原理在摄影测量中称为前方交会和绝对定向。虽然市面上也有三个相机以上的跟踪系统，但其原理等同于两个相机。如图6所示，双目CMM不需要大的张角，它只需要较大的夹角，因此其配套的光笔尺寸可以比较小，更加有利于手持使用。 图8 双目跟踪视觉CMM示例2.3 单目反向定位CMM单目反向定位CMM的跟踪原理与单目跟踪CMM类似，但是其探针的安装位置是在相机上，而不是在被测目标（标志点载体）上。这样做的优势是，标志点载体不需要移动，可以把它做的非常大，并且可以把标志点的数量做的非常多，来提升跟踪定位的精度。标志点数量增多对软件的计算能力要求也更高，这是一种新颖的CMM设备。在国内由中观最早提出了这一独创性的产品设计，并诞生了代表性产品——MarvelProbe便携式反向定位CMM，它可以借助固定墙体或便携支架上的标志点，灵活进行反向定位，实现接触式测量功能，同时还兼具独立的摄影测量功能。图9 单目反向定位CMM示例2.4 单目主动跟踪CMM单目主动跟踪CMM，是指相机是活动的，它的相机视场角非常小，且相机会在电机的带动下主动跟踪目标的位置。它不同于激光跟踪仪的特征是没有激光反射靶球。 图10 单目主动跟踪CMM示例三、视觉CMM的应用视觉CMM的特点是轻便灵活，测量范围较大，精度可满足亚毫米级别的需求，在诸如汽车制造、骨科手术等领域有较为广泛的应用。另外，视觉CMM单点测量的精度较高，结合三维扫描仪配套使用，可以提升三维扫描的基准对齐精度，这种做法在三维检测中也较为常见。3.1 汽车制造在汽车制造的装配环节之前，对孔、槽、形面以及缝隙等特征进行检测，是保证顺利装配的前提。图11 视觉CMM对汽车白车身、汽车零部件进行检测3.2 骨科手术传统的骨科手术靠医生的主观判断来确定操刀的位置，而现代手术机器人依靠双目跟踪CMM来实现对骨骼、手术器械的精准定位，降低手术风险。图12 视觉CMM用于骨科手术的引导3.3 结合三维扫描使用三维扫描可以获得形面特征的高密度连续的三维数据，但是对一些边界特征（如孔槽）难以实现完整、精确的测量。而视觉CMM恰好适合对关键特征进行高精度测量。图13 视觉CMM结合三维扫描使用四、结语视觉CMM的优缺点是较为明显的，其优点是手持端的重量较轻，操作更为灵活，测量范围也较大，不受机械运动范围的限制，对环境的要求也较低，另外，视觉CMM的价格通常也较低。其缺点是测量精度不如三坐标和激光跟踪仪，在未来随着相机分辨率的不断提升，视觉CMM的精度还有一定的改进空间。（武汉中观自动化科技有限公司王晓南供稿）