便携式三坐标仪

2022年10月，基恩士推出全新WM-3500大范围三坐标测量仪，测量范围长达15米，适合于大型阀门、焊接夹具、搬运装置、桥梁部件等各类大型产品的测量。 WM-3500采用新原理实现更大的测量范围，且操作简单，只需通过无线探头接触测量目标物；由此，单人即可对超大型产品、装置进行三坐标测量。支撑高精度大范围测量的 3 相机结构WM-3500配备可动相机、探头搜索相机、参考相机3个相机，在大范围内也能实现重复精度为 ±10 μm 的高精度测量。新品通过可动相机捕捉7个无线探头标记点所发出的近红外光，高精度识别探头的位置和姿势；通过探头搜索相机即时追踪探头发出的光，实现流畅测量；而参考相机可以通过识别内部的图表，高精度测量可动相机的左右±90°、上下±30的角，以此相机为基准求出三维坐标。操作简单，只需探头接触测量目标物WM-3500没有三坐标或关节臂等驱动部，可以从更多角度进行测量。无线探头配备触摸屏、小型探头相机，操作人员可在手中的显示器上进行与笔记本电脑上相同的操作。小型探头相机可将相机中呈现的图像与3D图像叠加显示，即使是初次接触三坐标测量仪的人，也可直观地理解测量的所在位置。便携式设计，可在各种地方进行三坐标测量WM-3500采用便携式设计且安装简单，无需测量室，通过使用三脚架、延长杆、手推车，可安装在各个地方进行测量。同时，为了能在现场等恶劣环境下使用，新品还采用了耐久性和刚性较高的设计，配备了温度补偿功能。此外，针对测量无法一次性全部进入相机视野的大型目标物，或会遮挡相机光路的复杂设备和装置， 使用“相机移动功能”可轻松完成测量。

近年来，我国高端制造业蓬勃发展，对高精度测量设备的需求持续攀升，极大地推动了以三坐标测量机为代表的精密测量仪器市场的迅猛增长。众多国内外知名品牌竞相涌入这一赛道，同时，也催生了一批崭露头角的国产新兴力量。在国产替代需求日益增长的趋势下，中国三坐标测量机企业迎来了前所未有的发展机遇。为深入了解中国三坐标测量机产业的发展态势，仪器信息网成立25周年之际，特别策划了“万里行”系列走访活动。该活动深入中国三坐标测量机代表性企业，与行业专家共同开展实地走访，探寻产业发展的最新进展和亮点，为发展新阶段赋能。走访第2站，由上海大学李明教授，仪器信息网产业研究部主任武自伟、营销服务中心经理韩永风、测量仪器编辑牛亚伟等组成的走访项目组走进派姆特科技(苏州)有限公司 （以下简称“派姆特”），派姆特华东区区域经理胡书飞、总裁助理Susan接待了走访一行人员。——企业发展进展派姆特成立于2019年，在中国、德国、日本均设有研发中心，并在苏州、西安建立了制造基地。得益于公司成立前的技术积累，派姆特在成立第一年即实现了盈利，且此后每年的收入都实现了翻倍增长。短短五年间，派姆特的团队规模已从最初的约30人发展壮大至现在的150余人。派姆特办公楼派姆特的创始人邰大勇，曾在德国马尔精密量仪和美国法如科技公司任职。他亲眼目睹了我国尺寸精密测量仪器市场几乎一度被国外品牌垄断的状况，这促使他萌生了创立一个拥有自主知识产权、受人尊重的国产高端品牌的念头。随着当前国内对供应链安全要求的日益提升，国产化替代需求旺盛，派姆特迎来了快速发展并受到了资本的青睐。2023年6月，公司获得了由中科创星独家投资的千万元级天使轮融资；同年11月，又获得了深圳高新投的第二轮融资；时隔不到一年，2024年5月，派姆特再次获得了卓远资本的第三轮融资。——产品技术与布局派姆特深耕便携式关节臂，拥有多项专利技术。其关节臂测量机涵盖6轴测量臂、7轴测量臂以及激光扫描臂，完美适应接触式与非接触式测量的多样化需求。设备内置平衡机构，采用等臂长设计，操作灵活自如，测量无死角。测量范围覆盖1.5-4.5米，可在5-45℃的全温度范围之内进行测量，内置温度传感器有效补偿温度变化带来的误差，确保测量精度位居国内顶尖水平，广泛应用于汽车、航空航天、国防军工、轨道交通、工程机械、教育等行业。胡书飞介绍道，为了向客户提供更多的测量方案，派姆特不断拓宽测量技术边界，致力于三坐标测量机的核心系统研发，包括测头、控制器和软件。去年，公司推出了FUTURE系列和PRIME系列桥式机型，以及SPACE车间型三坐标测量机。FUTURE系列采用矩形梁结构、气路分离独立控制等目前三坐标测量机的高端技术，可与进口品牌中高端计量设备相媲美。SPACE系列则专为加工现场设计，能够与机器人、自动上下料系统、机床系统等实现联机，为工业客户带来效率与质量的提升。CAM3软件作为派姆特产品矩阵的核心，是公司战略布局的重要一环。大部分三维测量硬件均需与CAM3软件配合使用，以发挥最大效能。胡书飞呼吁政府加大对软件国产化的支持力度，以便派姆特能够借此东风，打造出更加综合性的CAM3软件，以此为核心和平台，推动公司向更广阔的市场进军。目前，派姆特软件团队已超过20人，CAM3软件在上汽集团等企业中得到成功应用。派姆特的便携式测量臂由两个碳素纤维钢固定臂长和六到七个角度编码器组成。该编码器由派姆特自主研发和生产，可作为独立产品供应市场。派姆特产品矩阵市场调研数据显示，2022年全球三维尺寸测量仪器市场规模已突破100亿美元大关，预计未来将持续保持直线上升的增长态势。为了把握这一市场机遇，派姆特致力于打造一个集多场景应用、多测量精度需求的一体化三维测量平台。公司新推出的圆度仪、圆柱圆度仪和轮廓仪产品刚刚亮相市场，未来还将进一步拓展产品线，布局光笔测量仪和激光跟踪仪产品，以满足更广泛的市场需求。合影留念

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）