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三坐标测量机及机器视觉应用

三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining,CMM),测头可沿三个相互垂直的导轨移动,以接触/非接触方式传递信号,位移测量系统(如光栅尺)经处理计算可得到工件各点坐标及各项参数,是20世纪60年代发展起来的一种超精密测量仪器。
一、结构分类

三坐标测量机通常可按结构分为以下三类,其价格、精度、环境要求均逐渐递增。

悬臂式:开敞性较好,精度较低,一般用于小型测量机;

桥式:承载力较大,开敞性较好,精度较高,是目前中小型测量机的主要结构型式;

龙门式:一般为大中型测量机,地基要求较高,测量精度极高。

二、系统组成

三坐标测量机系统组成可主要分为机械框架结构、导轨、测头、计算机和电气系统等,具体内部结构暂不做展开。

机械框架结构:广义上包含工作台、立柱、桥框等机械结构,材料以花岗石为主,温度稳定性好(通常在20±2℃工作);

导轨:主要分为滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨三种。以气浮静压导轨为主,主要由导轨体和气垫组成;

测头:分为接触式/非接触式两种,通常是唯一与工件接触的部件。包括传感器、红宝石测针和测头座。测针触碰物体时发生偏置,内部产生脉冲信号,即可使测量机锁存当前坐标位置;

计算机和电气系统:控制和数据处理部件。

三、关键参数

三坐标测量机主要参考行程范围、误差、测量空间及被测工件z大重量,结合现场实际情况进行选型(海克斯康思瑞Croma系列为例,误差(2.6+L/300)um)。

四、视觉相关应用
由于三坐标测量机的高精度和高稳定性,业界通常将其默认为真值使用;常用于数据标定、精度测试等场景。

1、相机标定
相较于常用的2D平面靶标标定(张正友)、3D立体靶标标定(Tsai),利用三坐标测量机进行标定可以同时克服平面靶标测量精度低和立体靶标加工困难等缺点,整体步骤如下:

(1)通过三坐标测量机建立世界坐标系;悬臂式三坐标测量机
(2)将LED特征点固定在三坐标测量机测头上,作为世界坐标系中的待测点;
(3)在世界坐标系上选取五个平面,考虑到相机视场、景深、测量机量程等因素,y轴坐标依次为50mm,450mm,950mm,1450mm,1950mm;前两个平面各81个待测点,其余平面均100个待测点,共计462个位置,空间分布如图。测头依次经过,并记录各点在世界坐标系下的坐标;
(4)通过相机采集LED特征点,每个位置连续采集十次,计算光点质心并记录;
(5)求出每个位置的光点质心均值,通过线性求解方法确定相机参数作初始值后,非线性优化算法获得镜头畸变情况,进而得到相应参数;
(6)将像素坐标系下的质心坐标通过矩阵逆变换,求得该点在世界坐标系下的理论坐标值,计算获得理论坐标值与实际坐标值间的距离作反投误差,验证标定结果的准确性。
2、精度测试
以PnP单目位姿解算算法为例,可将标志物固定在测头上,每次移动固定距离,解算每个位置对应点坐标,计算其欧式距离与坐标机预设值对比进行精度分析。

注:此方式存在误差补偿(前后做差消去部分系统误差),也可结合激光跟踪仪等设备获取并转换,得到标志物在相机坐标系下绝对坐标,完成精度验证。

总结
以上便是针对三坐标测量机的概述,实际原理、用途及方法远不止于此,但由于工业视觉检测中使用较少(成本、运行条件要求较高,且很少需要如此高精度设备),本文不做过多展开。但CMM被广泛用于航空航天工业和国防工业等各部门,是不可缺少的“万能”测量设备。

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