光学三维测量系统标准

VDI/VDE准则2634 第1部分

德国工程师协会(VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE，简称VDI )

德国电气工程师协会(VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK，简称VDE)

光学三维测量系统，逐点探测成像系统

准则内容

初步说明（）

1适用范围

2符号参数

3验收检测和复检原则

4验收检测

4.1品质参数“长度测量误差”的定义

4.2检测样本

4.3测量程序

4.4结果评估

4.5等级评定

5检查

5.1测量流程

5.2评估

5.3检测间隔（时效）和报告

参考书目

初步说明（概述）

光学三维测量系统是一种通用的测量和测试设备。在所有情况下，使用者一定要确保使用中的光学三维测量系统达到所需的性能规格，特别是最大允许测量误差不能超出要求。就长远而言，这只能通过统一的验收标准和对设备的定期复检来确保。这个职责归测量设备的制造者和使用者共同所有。

使用价位合理的检测样本且快速简单的方法被各种样式、自由度、型号的光学三维测量系统的验收和复检所需要。这个目的可以通过长度标准和跟典型工件同样方式测量的检测样本实现。

本VDI/VDE准则2634的第一部分介绍了评估逐点探测式光学三维测量成像系统的准

确性的实用的验收和复检方法。品质参数“长度测量误差”的定义与ISO 10360-2中的定义类似。的探测误差测试是不需要的，因为这个影响已经在长度测量误差的测定中考虑进去了。

VDI/VDE准则2634的第二部分介绍了用于表面探测的系统。

本准则由VDI/VDE协会测量与自动控制（GMA）的“光学三维测量”技术委员会和德国摄影测量与遥感协会的“近景摄影测量”工作组起草。在联合委员会中，知名用户的代表与来自大学的专门研究光学三维测量系统领域的成员合作。

1适用范围

本准则适用于可移动的、灵活的光学三维测量系统，该系统有一个或几个起三角测量（如摄影测量）作用的成像探头（如相机）。使用者可以配置设备来适应特别的测量任务。工件通过接触探测或光学探测进行测量。这两种情况下，要测量的数值都是通过分析工件的离散特征的图像或辅助设备（测量适配器）的图像应用光学的方法记录下来。这些特征以例如圆形反射测量标志或LED的形式表现出来。

本VDI/VDE准则2634的第一部分介绍了用于测试逐点探测式光学三维测量系统的方法和检测样本。这些方法同样适用于：

1.光学三维测量系统的验收

2.光学三维测量系统的复检（如DIN ISO 9000到DIN ISO 9004所规定的那样以检查测试设备为目的）。

我们规定了用于验收和复检的检测样本需要满足的条件，并且描述了检测样本的范例。对于本准则的目的，检测样本是一个将被探测的线性的、二维的或三维的特征排列。范例是一些用光学手段可提取的边缘交叉点、圆或球和用机械手段可探测的表面。检测样本必须就其尺寸和形状进行校准。

定义一个品质参数用来确认对测量系统精确度的评估生效。品质参数的允许限度，对于测量系统的验收检测由制造者确定，对于系统的复检由使用者确定。

品质参数用于确定光学三维测量系统和比较不同测量系统之间的差别。因为品质参数的值取决于操作方式和条件，因此建议为验收和复检选择并确定特定的操作方式和条件来确保测试结果的可比性。同一个品质参数不能随便用于其它测量任务。

如果没有对操作方式和条件规定，品质参数的指定范围必须满足所有可能的操作方式和条件。如果不满足规定，超出品质参数的限定值是可能且可以的。

操作方式这个词是指调整和配置仪器的设置，例如：

1.光照的类型和强度；

2.测量体积；

3.所用光传感器的类型、数量和排列布局；

4.图像采集及评价过程的类型和持续时间

5.特征分析的类型、数量和形式。

操作条件这个词是对光学三维测量系统的外部影响。它们包括如下一些例项：

1.温度及变化率；

2.湿度；

3.震动（机械）；

4.电磁干扰；

5.环境光照条件；

6.灰尘。

2符号参数

本准则全文将用到以下符号参数，其具体意义如下：

E —— 长度测量误差的特征品质参数；

A —— 长度测量误差的特征品质参数的常量偏差部分；

B —— 长度测量误差的特征品质参数的最大值；

K —— 常数；

L —— 要测量的长度；

lm —— 长度的测量值； lk —— 长度的校准值；

Δl —— 长度测量误差。

3验收检测和复检原则

光学三维测量系统的验收检测和复检依靠于对已校准的检测样本的测量。这些应该妥善设计使它们的特性不会对将要确定的品质参数值造成重要的影响。做一个测试来验证测量误差在制造者或使用者所设定的范围内。

对于验收检测和复检来说，最大允许的长度测量误差是需要确定的品质参数。这是用一个术语“基于长度的”来描述的。为了确定长度测量误差，需要测量出检测样本上特征点之间的空间距离，然后与实际尺寸比较。为此检测样本必须是校准过的。

对于光学三维测量系统的验收检测和复检，检测样本应该与实际测量使用相同的方式进行探测，也就是对被测特征统一使用接触探测或光学探测。

4验收检测

验收检测应该遵守设备制造者和使用者之间的合同，用来验证规定的准确性是否达到。这是在制造者或使用者的后续安装中执行实施。

在验收检测之前，光学三维测量系统应该按照以验收为目的特定的操作条件进行安装和操作。预热的次数一定要考虑到。环境条件要与光学三维测量系统的操作条件相类似。而且，安装和固定检测样本要足够地稳定牢固。应该允许检测样本去适应测量的平均温度。当检测样本或光学三维测量系统的部件的平均温度显著偏离DIN 102的参考温度，应该采取恰当的温度纠正，前提是这样的纠正在设备的实际使用中也采用了。

在验收检测完成后起草一份报告，归纳测试结果。同时，建议在验收报告中记录所有测量值。

4.1品质参数“长度测量误差”的定义

三维长度测量误差Δl是通过计算两点间测量值与校准值之差获得的。

Δl = lm - lk

允许的三维长度测量误差的极值E是品质参数长度测量误差。它被指定为一个长度表征量：

E = A + K · L ≤ B

其中A、K和B为常量，L是要测量的长度（见图1）。

制造者对最大允许长度测量误差E的规范说明，适用于章节4.2中所述的检测样本。在制造者规定的测量体积内所有允许的操作模式中都要遵守它。因此，对一套光学三维测量系统的长度测量误差的说明书来说，必须附有对验收过程中的特殊操作模式和操作条件的描述才是完整的。当操作模式或操作条件在运行范围内改变时，应该一直遵守品质参数

规定。

图1.长度测量误差示例图

4.2检测样本

确定品质参数所使用的一维检测样本，必须有适合接触式或光学式探测的特征。合适的检测样本，例如有圆形测量标志和计步器的量块。请注意，要进行光学探测的特征必须有一个取决于图像等级的最小尺寸。

检测样本的实际尺寸应该被认为是小于制造者为将要测试的光学三维测量系统规定的最大允许长度测量误差的五分之一的一个不确定值。要使用的检测样本需要一个校准证书。这个校准证书应该用来验证使用的检测样本的国家级标准的可追溯性。

4.3测量程序

不论检测样本在测量体积内怎样排列，应该要遵守由制造者规定的品质参数长度测量误差E。这是由抽样测试七个不同的测量线所验证的。检测样本应该沿这些测量线放置。

推荐使用2000mm×2000mm×1500mm（长×宽×高）的测量体积做验收测试。其它的测量体积也是允许的。在每条测量线上至少应该测试五个长度（见图2）。在每条测量线上最长的测试长度应该至少与测量体积的最短边一样长。要测试的最长长度应该至少达到测量体积体对角线的三分之二长度。当没有合适长度的检测样本时，这个长度可以由两个叠加的样本代替。

图2.测试部分和评估

最长的测量段应该被安排在其上任何测试段中的一个结束点都位于测量体积的每个角落的测量线上。而且，对于测量体积的每条边应该至少有一条平行的测量线。图3显示了测量线的一种可能的安排。当确定测量结果时，测试段不应该作为已知量来介绍。

当测量中使用辅助设备时，这些设备应该包含在测试中。否则，应该明确排除辅助设备。

测量线可能会一个接一个地记录在单独的图像集中。传感器的布局和制造者的等级定义在所有的测量过程中保持不变。操作模式和操作条件要保持恒定。建议在每种情况下通过同一种目标点的布局来表示整个测量体积。

图3.测量线的推荐布局

4.4结果评估

对于一个特定测量，长度测量误差Δl是通过计算测量值lm（光学三维测量系统或计算机打印输出的表示）与标定值lk的差获得的，如下所示：

Δl = lm - lk

长度测量误差可以用图解的方式来表示（如图1）。

4.5等级评定

如果没有长度测量误差Δl大量超出最大允许长度测量误差E的值，要遵守品质参数。如果过量误差在不多于一条的测量线上发生，那么对这条测量线的所有测试长度的测量可以重复一次。之后不应该再发生过量误差，否则测量系统验收失败。

5复检

光学三维测量系统的复检用于确保其长期符合用户设定的长度测量误差的范围。通过比较连续的复检测量结果，可以来分析关于设备特征变化的趋势。这可以得出关于光学三维测量系统的预维修和复检间隔的结论。操作模式和操作条件必须与趋势分析大致相同。

复检之前，光学三维测量系统应该按说明手册中所述运行起来。注意任何需要预热的时间。环境条件应该与光学三维测量系统的操作条件相似。同时，确保检测样本的安装和固定要足够地稳定。要允许检测样本去适应测量体积的平均温度。当检测样本或光学三维测量系统的平均温度严重地偏离了按照DIN 102确定的参考温度，要应用适当的温度纠正措施，如果这些措施在设备的实际使用过程中也应用过。

5.1测量程序（流程）

复检三维测量系统的推荐流程与它们的验收流程（见第4章）相似。然而，品质参数长度测量误差可能由使用者规定来符合其要求。使用者可能减少测量线的数目及测试环节。

5.2评估

以确定品质参数为目的的评估测试是按照与验收测试同样的方式进行的。计算要探测的特征间的距离并与校准值比较。测量值和校准值之间的差值不能超出使用者所规定的品质参数。假如量误差在不多于一条的测量线上发生，那么对这条测量线的所有测试长度的测量可以重复一次。

如果超出了品质参数，应该标记测量系统为只在限定范围内可用，并要采取适当的纠正措施。

5.3复检间隔（时效）和文件

复检间隔应该由一个光学三维测量系统的使用者确定。这是由系统组件、所需的测量不确定度和设备所在不同地点的环境条件决定的。

复检应该根据指定的测试时间表进行，取决于设备组件的稳定性，并包括可视化检查（核对缺损）。在测试完成后，应该起草一份报告总结测试结果。最好在检查报告中记录所有的测量数据。

参考书目

ISO 10 360-2 Coordinate Metrology. Part 2: Performance Assessment of Coordinate Measuring Machine (CMM)

Atkinson, K.B. (ed.): Close-Range Photogrammetry and Machine

Vision. Caithness, UK. Whittles Publishing 1996

Luhmann, T.: Nahbereichsphotogrammetrie. Heidelberg: Wichmann Verlag 1999

Pfeifer, T.: Fertigungsmeßtechnik. München: R. Oldenbourg Verlag 1998