几何实验装置

几何量数字化测量技术发展趋势李明，韦庆玥测量的实质是通过与标准器/参数比较并赋值的过程，常规意义上是用于产品验收和质量控制。随着科学技术的发展，测量方法也在不断进步。就产品几何质量检测技术来讲，计算机和数字化技术的应用让测量技术从基于实物标准器的测量方法进化到基于虚拟标准器的测量方法。坐标测量机就是其中的典型产品，其通过对被测对象离散点云的精确获取，将实物几何特征导入CAD系统，并通过测量软件的专业处理，实现与标准“器”（模型）的比较，并开展误差计算和评定，以及符合性判定。目前，坐标测量机已在企业广泛应用，并成为企业质量数据和过程控制操作基础数据的重要来源。从某种角度看，测量操作可以分为二个部分，一个是测（取），一个是量（计算和评定）。在“测”的方面，随着光学测量技术的飞速发展，在原接触式测量的基础上，极大地拓展了应用领域，提高了测量效率，其主要呈现以下的发展趋势:1）蓝光、白光和激光，以及影像等测量技术的发展和应用，带动了测量技术向生产现场的拓展和延伸，实现了复杂零部件海量测量点云的快速获取和快速误差评定。2）高速影像测量技术、图形识别和相关智能算法正被应用于生产线/流水线中对产品的精度检测和快速分选场合，并成为当今智能制造研究中的一个热点。3）激光跟踪仪、激光雷达、光笔测量仪、关节臂等移动测量装置，以及其与扫描测量的结合，使数字测量技术跨入大尺寸时代，不仅能应对大型工件/场景的几何精度测量，还作为大型现场的装配辅助测量工具，实现了测量辅助装配（Measurement Aided Assemble，MAA）与精度控制技术。4）光学测量技术，特别是光学显微、光学干涉、光谱共焦、原子力等测量技术的发展的应用，使测量技术实质性进入了微纳领域。这其中不仅包括表面形貌和结构的测量与评定，更涉及到三维微小特征及参数的测量。为微纳器件（M/NEMS）的质量检测和过程控制提供了利器，同时，这些精密测量技术的应用已拓展至生物医药等技术领域。测量是一项系统性技术，测量操作的主要任务是按要求测取并计算和评估，因此测什么和如何计算与评估就体现在“量”的方面。这方面近年来同样在突飞猛进，特别是国际ISO从1993年起，就开始了对几何质量定义和过程控制整个标准体系的数字化转型，标准体系取名为产品几何技术规范和验证标准体系（Geometry product specification and verification，GPS&V）,这是一个由150多个标准组成的技术体系，我国转化ISO标准并已发布了大部分的GPS&V标准。这个标准体系的核心是对几何质量的整个业务链进行全面规范，其中有相关部分内容是对测量操作的规范，充分体现了测量在验证中的地位和作用。GPS&V标准提供的规范和数字化转型支撑主要包括：1）对测量内容定义、测量操作过程、测量评定方法等方面进行了全面的基于数字化的规范，这些规范不仅有效地保障了测量结果的可信性，还为测量过程的自动化提供了技术保障。2）给出了大量面向综合功能和面向过程控制的规范标注方法以及相应的规范检验操作集，为测量技术走进现场、走向功能交会提供了依据和技术保障。3）给出了测量不确定的估算方法和管理流程（Process Uncertainty Management，PUMA），使测量系统的构建和测量能力的评估实现了数字化转型。4）根据现场测量、大型工程场景的测量需求，以及测量过程的数字化控制要求，给出了面向测量任务的测量不确定度评估技术和基于数字化的操作规范。5）给出了大量的面向三维形貌的规范计算和评估方法，为微纳领域的测量操作提供了保障。6）数字坐标测量技术在特殊几何特征方面也得到了极大的拓展，如齿轮、螺纹、叶片特型且有高精度测量要求的零部件等，有效地提高这些零部件的加工精度和产品质量。此外，为进一步将测量及其测量数据应用纳入整个数字化体系，基于模型的定义（Model based definition，MBD）技术、以及在MBD基础上的质量信息架构（Quality information frameworks，QIF）技术等相关国际标准也正在加速制订和完善中，所有这些都预示着数字测量与智能制造系统的集成化趋势。此外在测量的具体操作层面，各大测量机和测量软件供应商，如蔡司（ZEISS）、海克斯康（Hexagon）等，除了进一步根据ISO标准和工程应用场景完善测量软件功能外，还关注了测量编程集成、测量数据管理、测量系统管理、测量知识库构建和应用等环节，为测量融入智能制造系统提供有效的数字化工具。随着数字测量技术的发展和应用的不断拓展，越来越多的个性化测量需求被提出。于是，订制的数字化测量功能系统的研发和基于CAD测量软件的功能模块二次开发也将成为测量领域中的一个关注热点和重要趋势。作者介绍：李明，上海大学机电工程与自动化学院，教授/博导。robotlib@shu.edu.cn韦庆玥，上海大学机电工程与自动化学院，实验师

光在复杂介质中的传播是光学和相对论的经典课题。在爱因斯坦提出广义相对论不久，W. Gordon，I. E. Tamm和G. V. Skrotskii等将费马原理推广到弯曲时空。1960年，J. Plebanski指出弯曲时空度规的空间分量和时空混合分量分别等价于非均匀各向异性光学介质的折射率(介电常数与磁导率)和反对称非互易磁电耦合参数。上述结果已被广泛应用于引力场量子效应的实验室模拟。2006年，J. Pendry和U. Leonhart提出的变换光学反过来用坐标变换设计非均匀材料以实现光线控制，在电磁隐身衣、新型波导和天线等器件方面具有重要应用。然而，相对论电动力学和变换光学无法处理手性和非互易光学材料，也无法提供类似于坐标变换的几何方案来控制光的偏振。近日，中国科学院院士、中国科学院半导体研究所研究员常凯领导的合作团队针对以上问题提出广义变换光学理论，将光学介质从普通Cauchy连续统推广到具有内部自由度的广义连续统。在该理论中每一个几何点除具有坐标自由度外，还具有由局域标架代表的内部自由度，描述点粒子的旋转、拉伸和扭转，可以用来处理具有复杂本构关系的线性光学介质。研究团队发现具有局域旋转自由度的连续统可以描述实验室静止的非互易光学介质。非互易光学介质主要包括磁光介质(金属或稀薄等离子体、磁性绝缘体、稀磁或铁磁半导体)、磁电耦合介质(多铁材料、拓扑绝缘体及Weyl半金属)和时变介质。磁光介质介电常数与磁导率的反对称虚部和磁电耦合介质的磁电耦合参数带来电磁场不同分量之间的交叉耦合，产生非互易的偏振旋转，被广泛应用于隔离器和环形器等非互易电磁器件。基于广义变换光学理论，研究团队引入描述非互易光学介质的时变黎曼几何理论和基于标架旋转的等价黎曼-嘉当几何理论，利用时空挠率张量描述磁光和磁电耦合参数，统一解释了包含磁光、磁电耦合介质和具有局域旋转自由度的时变介质在内的一般线性非互易电磁介质。该工作一方面引入时空挠率的微观构造，将相对论协变电动力学推广到非黎曼时空；另一方面表明通过标架变换可以实现光偏振态的调控。将标架变换与坐标变换相结合，原则上可以同时实现对电磁场的光线和偏振态的调控，为未来新型光学和电磁器件设计提供了理论基础。该研究成果近日发表于《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 130, 203801 (2023))。论文通讯作者为常凯和香港科技大学教授冯建雄。本工作得到国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划资助项目、香港大学教育资助委员会、中国科学院和半导体研究所人才项目的支持。

产品名称：几何尺寸测量仪产品品牌：EVM-G系列产品简介：本系列是一款高精度影像测量仪，结合传统光学与影像技术并配备功能完备的2.5D测量软件。可将以往用肉眼在传统显微镜下观察到的影像传输到电脑中作各种量测，并将测量结果存入电脑中以便日后存档或发送电子邮件。其操作简单、性价比高、精确度高、测量方便、功能齐全、稳定可靠。适用于产品检测、工程开发、品质管理。在机械加工、精密电子、模具制造、塑料橡胶、五金零件等行业都有广泛使用。产品参数：u 变焦镜筒：采用光学变焦物镜，光学放大倍率0.7X~4.5X，视频总放大倍率40X~400X连续可调，物方视场：10.6-1.6mm，按客户要求选配不同倍率物镜。u 摄像机：配备低照度SONY机芯1/3′彩色CCD摄像机，图像表面纹理清晰，轮廓层次分明，保证拥有高品质的测量画面。可以升级选配1/2′CMOS130万像素摄像机。u 底座：仪器底座采用高精度天然花岗石，稳定性高，硬度高，不易变形。u 光栅尺：仪器平台带有高精度光栅尺（X,Y,Z三轴），解析度为0.001mm。Z轴通过二次聚焦可实现对沟槽、盲孔的深度进行测量。u 光源：采用长寿命LED环形冷光源（表面光及底光），使工件表面照明均匀，边缘清晰，亮度可调。u 导轨：双层工作平台设计，配备高精度滚动导轨，精度高，移动平稳轻松。u 丝杆：X,Y轴工作台均使用无牙光杆摩擦传动，避免了丝杆传动的间隙，灵敏度大大提高，亦可切换快速移动，提高工作效率。 工作台仪器型号EVM-1510GEVM-2010GEVM-2515GEVM-3020GEVM-4030G金属台尺寸(mm)354×228404×228450×280500×330606×466玻璃台尺寸(mm)210×160260×160306×196350×280450×350运动行程(mm)150×100200×100250×150300×200400×300仪器重量(kg)100110120140240外型尺寸L*W*H756×540×860670×660×950720×950×1020 影像测量仪是建立在CCD数位影像的基础上，依托于计算机屏幕测量技术和空间几何运算的强大软件能力而产生的。计算机在安装上专用控制与图形测量软件后，变成了具有软件灵魂的测量大脑，是整个设备的主体。它能快速读取光学尺的位移数值，通过建立在空间几何基础上的软件模块运算，瞬间得出所要的结果；并在屏幕上产生图形，供操作员进行图影对照，从而能够直观地分辨测量结果可能存在的偏差。影像测量仪是一种由高解析度CCD彩色镜头、连续变倍物镜、彩色显示器、视频十字线显示器、精密光栅尺、多功能数据处理器、数据测量软件与高精密工作台结构组成的高精度光学影像测量仪器。仪器特点采用彩色CCD摄像机；变焦距物镜与十字线发生器作为测量瞄准系统；由二维平面工作台、光栅尺与数据箱组成数字测量及数据处理系统；仪器具有多种数据处理、显示、输入、输出功能，特别是工件摆正功能非常实用；与电脑连接后，采用专门测量软件可对测量图形进行处理。仪器适用于以二维平面测量为目的的一切应用领域。这些领域有：机械、电子、模具、注塑、五金、橡胶、低压电器，磁性材料、精密五金、精密冲压、接插件、连接器、端子、手机、家电、计算机（电脑）、液晶电视(LCD)、印刷电路板（线路板、PCB）、汽车、医疗器械、钟表、螺丝、弹簧、仪器仪表、齿轮、凸轮、螺纹、半径样板、螺纹样板、电线电缆、刀具、轴承、筛网、试验筛、水泥筛、网板（钢网、SMT模板）等。ISO国际标准编辑影响影像测量仪精度的因素主要有精度指示、结构原理、测量方法、日常不注意维护等。 中国1994年实行了国际《坐标测量的验收检测和复检测量》的实施。具体内容如下：第1部分：测量线性尺寸的坐标测量机 第2部分：配置转台轴线为第四轴的坐标测量机 第3部分：扫描测量型坐标测量机 第4部分：多探针探测系统的坐标测量机 第5部分：计算高斯辅助要素的误差评定。 在测量空间的任意7种不同的方位，测量一组5种尺寸的量块，每种量块长度分别测量3次所有测量结果必须在规定的MPEE值范围内。允许探测误差(MPEP)：25点测量精密标准球，探测点分布均匀。允许探测误差MPEP值为所有测量半径的值。ISO 10360-3 (2000) “配置转台轴线为第四轴的坐标测量机” ：对于配备了转台的测量机来说，测量机的测量误差在这部分进行了定义。主要包含三个指标：径向四轴误差(FR)、切向四轴误差(FT)、轴向四轴误差(FA)。ISO 10360-4 (2003) “扫描测量型坐标测量机” ：这个部分适用于具有连续扫描功能的坐标测量机。它描述了在扫描模式下的测量误差。大多数测量机制造商定义了"在THP情况下的空间扫描探测误差"。在THP之外，标准还定义了在THN、TLP和TLN情况下的扫描探测误差。 沿标准球上4条确定的路径进行扫描。允许扫描探测误差MPETHP值为所有扫描半径的差值。THP说明了沿已知路径在密度的点上的扫描特性。注：THP的说明必须包括总的测量时间，例如：THP = 1.5um (扫描时间是72 秒)。ISO 10360-4 进一步说明了以下各项定义：TLP: 沿已知路径，以低密度点的方式扫描。THN: 沿未知路径，以高密度点的方式扫描。TLN: 沿未知路径，以低密度点的方式扫描。几何尺寸测量仪工作原理影像测量仪是基于机器视觉的自动边缘提取、自动理匹、自动对焦、测量合成、影像合成等人工智能技术，具有点哪走哪自动测量、CNC走位自动测量、自动学习批量测量的功能，影像地图目标指引，全视场鹰眼放大等优异的功能。同时，基于机器视觉与微米精确控制下的自动对焦过程，可以满足清晰影像下辅助测量需要，亦可加入触点测头完成坐标测量。支持空间坐标旋转的优异软件性能，可在工件随意放置或使用夹具的情况下进行批量测量与SPC结果分类。全自动影像测量仪编辑全自动影像测量仪，是在数字化影像测量仪(又名CNC影像仪)基础上发展起来的人工智能型现代光学非接触测量仪器。其承续了数字化仪器优异的运动精度与运动操控性能，融合机器视觉软件的设计灵性，属于当今最前沿的光学尺寸检测设备。全自动影像测量仪能够便捷而快速进行三维坐标扫描测量与SPC结果分类，满足现代制造业对尺寸检测日益突出的要求：更高速、更便捷、更的测量需要，解决制造业发展中又一个瓶颈技术。全自动影像测量仪是影像测量技术的高级阶段，具有高度智能化与自动化特点。其优异的软硬件性能让坐标尺寸测量变得便捷而惬意，拥有基于机器视觉与过程控制的自动学习功能，依托数字化仪器高速而的微米级走位，可将测量过程的路径，对焦、选点、功能切换、人工修正、灯光匹配等操作过程自学并记忆。全自动影像测量仪可以轻松学会操作员的所有实操过程，结合其自动对焦和区域搜寻、目标锁定、边缘提取、理匹选点的模糊运算实现人工智能，可自动修正由工件差异和走位差别导致的偏移实现精确选点，具有高精度重复性。从而使操作人员从疲劳的精确目视对位，频繁选点、重复走位、功能切换等单调操作和日益繁重的待测任务中解脱出来，成百倍地提高工件批测效率,满足工业抽检与大批量检测需要。全自动影像测量仪具有人工测量、CNC扫描测量、自动学习测量三种方式，并可将三种方式的模块叠加进行复合测量。可扫描生成鸟瞰影像地图，实现点哪走哪的全屏目标牵引，测量结果生成图形与影像地图图影同步，可点击图形自动回位、全屏鹰眼放大。可对任意被测尺寸通过标件实测修正造影成像误差，并对其进行标定，从而提高关键数据的批测精度。全自动影像测量仪有着友好的人机界面，支持多重选择和学习修正。全自动影像测量仪性能使其在各种精密电子、晶圆科技、刀具、塑胶、弹簧、冲压件、接插件、模具、军工、二维抄数、绘图、工程开发、五金塑胶、PCB板、导电橡胶、粉末冶金、螺丝、钟表零件、手机、医药工业、光纤器件、汽车工程、航天航空、高等院校、科研院所等领域具有广泛运用空间。选购方法编辑有许多客户都在为如何挑选影像测量仪的型号品牌所困扰，其实最担心就是影像测量仪的质量和售后。国内影像测量仪的生产商大部分都集中在广东地区，研发的软件功能大部分相似，客户可以不用担心，挑选一款能够满足需要测量的产品行程就行了。根据需要来选择要不要自动或者手动，手动的就比较便宜，全自动的大概要比手动贵一倍左右。挑选影像测量仪最重要看显像是不是清晰，以及精度是否达标(一般精度选择标准为公差带全距的1/3~1/8)。将所能捕捉到的图象通过数据线传输到电脑的数据采集卡中，之后由软件在电脑显示器上成像，由操作人员用鼠标在电脑上进行快速的测量。有的生产商为了节约成本可能会采用国产的，造价比较低，效果就稍微差点。常见故障及原因编辑故障1)蓝屏；2)主机和光栅尺、数据转换盒接触不良造成无数据显示；3)透射、表面光源不亮；4)二次元打不开；5)全自动影像测量仪开机找不到原点或无法运动。原因由于返厂维修周期长，价格昂贵，最重要的是耽误了客户的正常的工作。造成问题出现的原因很多，但无外乎以下原因：1)操作软件文件丢失或CCD视频线接触不良；2)光栅尺或数据转换盒损坏；3)电源板损坏；4)加密狗损坏或影像测量仪软件操作系统崩溃。以上问题可能是只出现一个，也有可能几个问题一起出现。软件种类编辑二次元测量仪软件在国内市场中种类比较多，从功能上划分主要有以下两种：　　二次元测量仪测量软件与基本影像仪测量软件类似，其功能特点主要以十字线感应取点，功能比较简单，对一般简单的产品二维尺寸测量都可以满足，无需进行像素校正即可直接进行检测，但对使用人员的操作上要求比较高，认为判断误差影响比较大，在早期二次元测量软件中使用广泛。　　2.5D影像测量仪在影像测量领域我们经常可以听到二次元、2.5次元、三次元等各种不同的概念，所谓的二次元即为二维尺寸检测仪器，2.5次元在影像测量领域中是在二维与三维之间的一种测量解决方案，定义是在二次元影像测量仪的基础上多加光学影像和接触探针测量功能，在测量二维平面长宽角度等尺寸外如果需要进行光学辅助测高的话提供了一个比较好的解决方案。仪器优点编辑1、装配2个可调的光源系统，不仅观测到工件轮廓，而且对于不透明的工件的表面形状也可以测量。2、使用冷光源系统，可以避免容易变形的工件在测量是因为热而变形所产生的误差。3、工件可以随意放置。4、仪器操作容易掌握。5、测量方便，只需要用鼠标操作。6、Z轴方向加探针传感器后可以做2.5D的测量。测量功能编辑1、多点测量点、线、圆、孤、椭圆、矩形，提高测量精度；2、组合测量、中心点构造、交点构造，线构造、圆构造、角度构造；3、坐标平移和坐标摆正，提高测量效率；4、聚集指令，同一种工件批量测量更加方便快捷，提高测量效率；5、测量数据直接输入到AutoCAD中，成为完整的工程图；6、测量数据可输入到Excel或Word中，进行统计分析，可割出简单的Xbar-S管制图，求出Ca等各种参数；7、多种语言界面切换；8、记录用户程序、编辑指令、教导执行；9、大地图导航功能、刀模具专用立体旋转灯、3D扫描系统、快速自动对焦、自动变倍镜头；10、可选购接触式探针测量,软件可以自由实现探针/影像相互转换，用于接触式测量不规则的产品,如椭圆、弧度 、平面度等尺寸；也可以直接用探针打点然后导入到逆向工程软件做进一步处理！11、影像测量仪还可以检测圆形物体的圆度、直线度、以及弧度；12、平面度检测：通过激光测头来检测工件平面度；13、针对齿轮的专业测量功能14、针对全国各大计量院所用试验筛的专项测量功能15、图纸与实测数据的比对功能维护保养编辑1、仪器应放在清洁干燥的室内（室温20℃±5℃，湿度低于60%），避免光学零件表面污损、金属零件生锈、尘埃杂物落入运动导轨，影响仪器性能。2、仪器使用完毕，工作面应随时擦干净，再罩上防尘套。3、仪器的传动机构及运动导轨应定期上润滑油，使机构运动顺畅，保持良好的使用状态。4、工作台玻璃及油漆表面脏了，可以用中性清洁剂与清水擦干净。绝不能用有机溶剂擦拭油漆表面，否则，会使油漆表面失去光泽。5、仪器LED光源使用寿命很长，但当有灯泡烧坏时，请通知厂商，由专业人员为您更换。6、仪器精密部件，如影像系统、工作台、光学尺以及Z轴传动机构等均需精密调校，所有调节螺丝与紧固螺丝均已固定，客户请勿自行拆卸，如有问题请通知厂商解决。7、软件已对工作台与光学尺的误差进行了精确补偿，请勿自行更改。否则，会产生错误的测量结果。8、仪器所有电气接插件、一般不要拔下，如已拔掉，则必须按标记正确插回并拧紧螺丝。不正确的接插、轻则影响仪器功能，重则可能损坏系统。测量方式编辑1、物件被测面的垂直测量2、压线相切测量3、高精度大倍率测量4、轮廓影像柔和光测量5、圆及圆弧均匀取点测量精密影像测绘仪测量软件简介：绘图功能：可绘制点、线、圆、弧、样条曲线、垂直线、平行线等，并将图形输入到AutoCAD中，实现逆向工程得到1:1的工程图。自动测绘：可自动测绘如：圆、椭圆、直线、弧等图形。具有自动寻边、自动捕捉、自动成图、自动去毛边等功能，减少了人为误差。测量标注：可测量工件表面的任意几何尺寸，不同高度的角度、宽度、直径、半径、圆心距等尺寸，并可在实时影像中标注尺寸。SPC统计分析软件：提供了一系列的管制图及多种类型的图表表示方法,使品管工作更方便，大大提升了品质管理的效率。报表功能：用户可轻易地将测量结果输出至WORD、EXCEL中去，自动生成检测报告，超差数值自动改变颜色，特别适合批量检测。鸟瞰功能：可察看工件的整体图形及每个尺寸对应的编号，直观的反应出当前的绘图位置，并可任意移动、缩放工件图。实时对比：可把标准的DXF工程图调入测量软件中与工件对比，从而快速检测出工程图和实际工件的差距，适合检测比较复杂的工件。拍照功能：可将当前影像及所标注尺寸同时以JPEG或BMP格式拍照存档，并可调入到测量软件中与实际工件做对比。光学玻璃：光学玻璃为国家计量局检验通过之标准件，可检验X、Y轴向的垂直度，设定比例尺，使测量数据与实际相符合。客户坐标：测量时无需摆正工件或夹具定位，用户可根据自己的需要设置客户坐标（工件坐标），方便、省时提高了工作效率。精密影像测绘仪仪器特点：经济型影像式精密测绘仪VMS系列结合传统光学与数字科技，具有强大的软件功能，可将以往用肉眼在传统显微镜下所观察到的影像将其数字化，并将其储存入计算机中作各式量测、绘图再可将所得之资料储存于计算机中，以便日后存盘或电子邮件的发送。该仪器适用于以二座标测量为目的一切应用领域如：品质检测、工程开发、绘图等用途。在机械、模具、刀具、塑胶、电子、仪表等行业广泛使用。变焦镜筒：采用光学变焦物镜，光学放大倍率0.7X～4.5X，视频总放大倍率：40X～400X，可按客户要求选配不同倍率物镜。摄像机：配备低照度SONY机芯1/3”彩色CCD摄像机，图像表面纹理清晰，轮廓层次分明，保证拥有高品质的测量画面。底座：仪器底座采用高精度天然花岗石，稳定性高，硬度高，不易变形。光栅尺：仪器平台带有高精密光栅尺（X、Y、Z三轴）,解析度为0.001mm。Z轴通过二次聚焦可实现对沟槽、盲孔的深度进行测量。光源：采用长寿命LED环形冷光源（表面光及底光），使工件表面照明均匀，边缘清晰，亮度可调。导轨：双层工作平台设计，配备高精度滚动导轨，精度高、移动平稳轻松。丝杆：X、Y轴工作台均使用无牙光杆磨擦传动，避免了丝杆传动的背隙，灵敏度大大提高，亦可切换快速移动提高工作效率。