光学和视频测量仪器的技术进展

在过去的几十年里,很少有其它检测仪器像光学投影比较仪那样测量快捷、使用方便。光学投影比较测量是将投射到投影屏上的工件放大轮廓与绘制有按比例放大的工件正确外形及公差带的透明胶片进行对比,以直接判定工件合格与否。虽然随着采用电子技术、精度更高的几何形貌测量技术的发展,光学比较测量这种简单的检测方式已显得有些过时,但投影比较仪仍然是生产车间最常用的视觉检测仪器。

与此同时,其它高技术测量仪器的测量能力在不断提高,如基于视频摄像机的视觉检测系统能够降低操作者的人为误差,使微小的工件形貌可见和可测。虽然并非在所有加工场合都需要使用这些仪器的全部功能,但在需要检测工件的细微结构或进行三维测量时,这些测量功能的价值就显示出来。当采用基本型投影比较仪或视觉检测系统无法对被测工件形貌进行充分照明时,仪器开发商就开始着手增加仪器的测量功能,将其检测能力升级到更高水平。

关于光学投影比较仪将被淘汰的说法不仅言过其实,而且是完全错误的。事实上,近年来出现了购买和使用投影比较仪的热潮,拥有十几台以上投影比较仪的生产厂家在不断增加。投影比较仪的流行基于一个简单而为大家所熟知的事实:使用方便,非常适合在生产车间现场使用。目前,投影比较仪的销售量并不逊于甚至超过了视觉测量系统的销售量(虽然年轻一代的工人可能更欣赏视频摄像机和监视器)。

投影比较仪的优点是经久耐用,而且属于低技术产品,结构相当简单(仅包括一个工作台、一组透镜、一个光源、一个投影屏和一面反射镜)。今后,投影比较仪在车间的作用或许会被视频摄像测量系统所取代(目前视频测量系统通常安放在计量室,主要用于终检工序)。既然视频测量系统的检测功能与投影比较仪有相似之处,为什么不能将两种仪器合而为一呢？为此,Starrett公司在它的卧式投影比较仪上重新设计了OV2光学/视频转接器,以增强其易用性。该公司自几年前首次开发出OV2系统后,现在对于在投影比较仪上使用视频测量系统的效益抱有更高的预期。为此,公司更换了系统原有的硬件联接方式,将视频图像输出与投影比较仪的读数器组合到QC300触摸显示屏上。该系统可通过切换安装在HD400投影比较仪滑轨上的两组透镜,实现光学测量方式与视频测量方式的相互转换。

在必须将工件从投影比较仪再送到其它仪器(如视频测量系统或万工显)上作进一步检测的情况下,就可以充分体现出组合测量方式的潜在价值。用户或许可以用投影比较仪的低倍放大镜完成大部分测量工作,但OV2系统却能完成用投影比较仪难以完成的检测任务。

QC300触摸显示屏的应用可使投影比较仪用途更广泛、读数更精确,它能显示X-Y读数和测量数据,同时内置的视频卡可支持视频摄像机的实时图像。此外,它还具有CNC视频系统普遍具有的视频边缘检测功能,即可通过扫描在显示器十字瞄准线周围圆形区内的图像,对工件的边缘点进行自动检测和定标,从而可消除操作者用十字线肉眼瞄准工件边缘造成的主观人为误差。

视频摄像机还能突破光学测量基本放大倍数的局限。投影比较仪透镜组的放大倍数通常为25～100倍,如果需要更高的放大倍数以测量微小零件或看清零件的微细结构,就必须采用更小的透镜组,而这意味着通过透镜的光量更少,视场更暗,以致无法看清图像。而视频摄像机具有更强的照明功能,利用视场透镜,可以达到250倍的放大倍数,且不会减弱视场亮度,因此可以检测更小的工件形貌。

与此类似,也可以在视频测量系统上配置其它测头系统,使其能测量更多不同的工件形貌,而不必移至不同的测量机上再进行检测。这种在基于视频测量的系统中加装触发式测头和其它测头的多传感器测量机前些年即已出现。目前,高端测量系统开始逐渐演变为综合了坐标测量机与激光扫描多维测量系统各自优势的“全合一”型测量机。

OGP(Optical Gaging Products)公司的专家指出,在视频测量机上加装触发式测头和/或激光测头后,可以大大增强测量机的测量能力。视频系统在边缘测量上具有优势,而触发式测头、扫描测头和激光测头能提供表面轮廓测量,采用一套测量软件对不同测头获得的测量信息进行综合处理后,就可以方便地将加工后工件的检测结果与CAD文件进行比较。

OGP公司的SmartScope系列视频测量机就集成了多种传感测头系统。例如,SmartScope Flash 500是一种小型多测头测量系统,可以配备用于非接触轮廓测量的TTL激光测头。该系统的测量范围为500mm×450mm×200mm(Z轴可扩展至300mm)。SmartScope Quest 600的可选测头还包括一个触测力为毫克级的微测头,可用于测量易碎或敏感工件的微小形貌,该系统X、Y、Z工作台的移动范围为450mm×610mm×200mm。

软件升级是管理多传感测头测量能力的关键。事实上,基于工件的CAD文件来编制测头的测量路径是可以实现的。目前已开发出了用于OGP测量系统的CAD软件,利用该软件可高效、简便地创建和处理测头路径。OGP公司的SmartCAD 3-D软件使用户能按照工件的CAD文件选择被测形貌,并在此基础上编制测头路径。测量程序的编制既可在测量机上进行,也可以脱机方式在PC机上完成。

为了实现视觉测量系统的编程能力与CAD功能的集成化,海克斯康测量集团(Hexagon Metrology)旗下的Wilcox Associates公司开发了一种“Vision”软件模块。作为该公司发布的PC-DMIS 4.0软件的一部分,该模块设计的用户界面采用了坐标测量机用户所熟悉的方式,同时还在模块中集成了视觉特效工具。为了使脱机编程操作更为逼真,这些特效工具能够对视觉测量系统真实的照明状况、放大倍数和聚焦控制进行仿真模拟,并可对其进行补偿。此外,该模块用于多传感测头测量机时,允许用户在触发式测头和视频测头之间进行切换而无需重新标定。这种软件有助于将工件的CAD模型拟合到视觉测量的视频环境之中。通过将CAD模型引入测量编程,使视觉测量成为了真正意义上的三维测量。该软件的另一个特点是具有“AutoShutter(自动快门)”功能,它就像一个自动向导,可以帮助手动测量机用户沿着给定的视场进行检测程序操作,它能以箭头、至目标的距离、可自动更新的移动方向、自动获取目标特征等方式为操作者指示跟随测量的目标,操作者无需使用操作手柄来控制测量过程。

视觉/多测头测量系统的另一个发展趋势可以用“越来越大”来形容。在过去二十年里,测量系统的体积在不断增大。较大的测量工作台加上自动检测程序,使测量机能够检测大型零件或在一台测量机上同时检测许多个小零件。Micro-Vu公司的Excel多测头测量机最初的测量区域为600mm×600mm×150mm,而现在的机型工作台长度达到2500mm。制造商用这种Excel测量机来检测50″(1300mm)LCD电视机屏幕和外壳,这些电视屏工件的尺寸公差要求十分严格。该测量系统的另一项大尺寸测量应用——仪表面板的孔位测量也同样如此。

这种大型测量机并不仅仅只能用于检测大型工件,用户还能用它在一次自动测量中同时检测多个不同的小型工件,如操作者能在仪器上同时安装20个6英寸大的工件。当仪器对这些工件进行自动测量时,操作者可以去测量其它工件或干别的事情。这种允许操作者从事多项工作的检测方式可以提高生产率和削减人工成本。一个比较极端的例子是易拉罐盖的测量。Excel测量机一次可以同时测量48个罐盖,为了保证罐盖与罐体的正确配合和拉环开启功能的良好,在每个罐盖上都要选取大量的检测点。罐盖制造商可以不断从生产线上抽取工件样品进行检测,而操作人员的费用投入却很低。

这种大批量自动检测方式直到不久以前才获得了广泛应用。大约5年前,测量机操作方式开始从手动测量向自动测量转换。在现在的自动测量方式下,操作者除了安装工件和启动测量程序外,几乎不需要再干任何事情。因此,正如易于使用的光学投影比较仪一样,视觉检测对操作者专业技术知识和主观判断能力的依赖正变得越来越小。

一个可替代传统视觉测量工具的选择是基于近年来的一个发明——数码相机。用一个配备高清晰度数码相机的测量系统能够获取大量测量数据。这些测量数据可用于产品检测、逆向工程或“二维”工件的厚度和平面度测量。

PMST Group公司的Planar 2D测量系统能够在约1/8秒内获取置于其玻璃测量表面的工件图像,然后在接下来的25秒钟内,测量软件可将图像转换为数百万个测量点,精度达0.025～0.1mm(如果需要还可更高)。此外,这种测量机对环境条件要求不高,可以放置在生产车间的加工设备旁使用,据说即使其玻璃测量表面有很深的划痕和裂纹(在生产环境中出现一些损伤是难以避免的),仪器照样能正常工作。

作为一种用于测量平面型工件的二维测量系统,Planar系统可以替代更为常规的光学或基于相机的测量系统。此外,该系统还能够完成其它一些工作,例如将打印的CAD图纸转换为DXF电子文档、测量弯管、利用激光创建工件的三维模型等。系统采用激光三角法测量位置点的误差,从而能够测量物体任意部位的高度,包括那些用量规和卡尺无法测量的部位。

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