浅谈视觉坐标测量系统(CMM)发展及应用

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）