对话先临三维精度实验室主任探访计量级高精度背后的匠心所驻
在制造向人机一体化智能系统快速转型的今天，测量精度往往会决定着产品质量的上限。先临三维科技股份有限公司作为三维视觉领域的国家级制造业单项冠军，其计量级设备的测量精度最高可达4微米（相当于头发丝直径的1/20）。这样的精度是如何炼成的？
近日，《机器视觉》杂志特邀先临三维科技股份有限公司精度实验室主任、先临天远品牌创始人李仁举先生，探寻微米级精度背后的技术奥秘。
Q1 李总您好，了解到您本硕在清华大学机械工程系学习，后进入北京大学智能科学系攻读博士学位，在测量领域深耕多年，您认为高精度3D视觉技术要哪一些核心技术能力？能分享一下您的学术经历怎么样转化为产业实践中的优势吗?
李仁举：高精度三维视觉是一个多学科交叉融合的领域，涉及计算机、机械、光学、电子、力学、材料、自动控制等多个领域。我求学期间围绕结构光三维扫描开展研究，涵盖系统标定、结构光编解码、三维重建、点云数据处理等所有的环节，这为后来的产品研究开发奠定了扎实基础。高精度三维视觉技术是通过采集、分析和处理视觉数据，对现实世界物体进行微米级到亚毫米级三维感知、测量和建模的技术。高精度三维视觉研发技术需要聚焦在核心算法及关键器件上，不断的提高这些核心技术模块的性能和稳定能力，实现算法与硬件的深度协同和集成，同时要一直优化使用流程、提升自动化及智能化水平、降低用户使用及学习成本并建立从研发、生产到检验的全流程精度保障体系。这些核心技术能力的积累会极大推动高精度3D视觉技术的普及化应用。
Q2 先临三维将工业计量作为核心板块，能否详细的介绍公司在此领域的布局吗？
李仁举：在工业计量领域，我们拥有专业品牌——先临天远，这个品牌在工业制造领域的三维扫描技术应用已经深耕20余年。我们构建了完善的产品线，涵盖固定式蓝光三维扫描、手持式激光三维扫描、跟踪式激光三维扫描等主流技术类型设备，以及自动化三维检测智能方案，服务于汽车工业、民用航空、工程机械、电子电器等众多细分制造业领域。作为3D测量工具，我们深知测量精度的重要性。为了打造设备的高精度水平，先临三维采取了多重措施：建立了通过CNAS认可的精度实验室，具备科学、标准的设备精度校准能力；持续自主研发核心技术，不断探索三维视觉测量的精度极限；积极与第三方专业机构合作交流，参与多项技术标准的起草工作，共同推进三维扫描仪行业精度校准的标准化进程；严格按照有关技术标准做设备精度校准，确保每台生产设备都达到高精度水平。
李仁举：目前我们OptimScan系列设备的最高精度是4微米，去年实现了一个重要突破——从5微米提升到4微米。别小看这1微米的进步，背后是长期的技术积累和持续努力。
先临三维20多年来一直专注高精度三维视觉测量领域，积累了大量研究成果和实践经验。从2012年起，我们每年将营业收入的20%投入研发，目前拥有400多项授权专利和211项软件著作权。
我们自主研发了多项核心技术：三维视觉测量高精度标定技术、三维视觉实时立体重建算法、自主架构的三维几何建模及数据处理与测量检测软件、相机与投影及无线硬件计算模组等核心器件设计技术、光机电算集成控制管理系统平台等。
基于这些核心算法和核心硬件的深入研究和开发，通过精度实验室对影响三维测量精度的各个影响因素做多元化的分析和验证，从理论研究到实验测试等多个角度不断的提高各算法和硬件的性能及协同度，探索三维视觉测量的精度极限。
李仁举：就像称重需要标准砝码校准一样，三维扫描仪的精度判定需要用标准器进行校准。市场监督管理总局2021年发布的JJF 1951-2021《基于结构光扫描的光学三维测量系统校准规范》，规定了校准条件、项目和方法等。
值得一提的是，先临天远和航空工业北京长城计量测试技术研究所、中国计量科学研究院、浙江省计量科学研究院等专业计量机构和海克斯康、蔡司GOM等机构企业一同参与了该规范的起草，对精度校准有深刻理解并能严格执行。
Q5 您作为先临三维精度实验室主任，您怎么样看待实验室在公司高精度技术体系中的核心作用？以及如何确保从实验室到量产的精度一致性？
李仁举：精度实验室作为先临三维精度保障体系的中枢，深度参与从算法研究、硬件设计到产品研究开发、生产组装及最终检验的全流程精度把控，在保障计量级三维扫描仪精度水平方面发挥着关键作用。
首先，为了可以进行客观、标准、科学的设备精度校准，我们对精度实验室的每一个建设环节也是精准把控。我们建立了高标准的实验环境：温度严控在20°C±0.5°C，相对湿度稳定在40%RH~60%RH，并采取严格隔振措施。实验室配备三坐标测量机、激光跟踪仪、激光干涉仪等高精度测量仪器，以及标准球、标准球棒、15m长导轨、15m×5m空间坐标墙等不一样的尺寸的高精度标准器，所有标准器均定期经权威计量机构校准。
为保障公司批量生产三维扫描仪的精度水平和稳定能力，我们在生产和检验环节均执行严格的精度控制措施。在生产环节，我们会通过精度实验室对计量级三维扫描仪所用的标定器进行精确数据测量，并在一些关键生产环节进行精度控制。在产品检验环节，我们在通过CNAS认可的精度实验室内进行严格的精度校准，依照国家计量技术规范JJF1951-2021以及VDI/VDE 2634 Part2&3等技术标准对计量级三维扫描仪进行精度校准，出具精度校准报告。这套完整的精度保障体系为全球工业制造用户更好的提供了让人信服的高精度尺寸测量解决方案。
李仁举：在精密制造领域，测量技术对生产能力的发展至关重要。只有能够准确测量，才能做到精确生产。正如谭久彬院士所说，我国装备制造要迈向中高端，一定要解决超精密测量能力问题。
作为一个3D测量设备的研发人员，我认为不断的提高精度是我们该追求的目标。每一次精度突破，都有几率会成为制造企业新发展的起点。
当然，不同用户的需求确实不同。我们的产品线从微米级到亚毫米级都有覆盖，可以为用户更好的提供最适合的解决方案。
李仁举：我们的设备为用户更好的提供了高效的全尺寸检测方式，帮他们实现生产能力升级和效率提升。
举个例子，航空叶片的检测过去主要用三坐标测量机，但叶片是复杂的曲面形状，测量效率很低。引入高精度三维扫描后，检测效率大幅提升。
还有一个更直观的案例：某公司制作大型矿车，车轴长达7-8米，过去因为缺少合适的检测设备，车轴的生产偏差无法确认，严重影响后续装配。有了三维扫描技术后，大型工件的测量难题得到解决，矿车的装配效率明显提高，为公司能够带来了良好效益。
李仁举：这是先临三维在三维扫描仪应用过程中的重大创新。无线扫描技术经历了三个发展阶段：
第一代技术需要外置无线模块盒，传输速度慢、稳定性差；第二代技术将无线模块内嵌到扫描仪中，速度和稳定能力大幅度的提高；第三代技术则在扫描仪中搭载了强大的AI处理器和高清触摸屏，从扫描到输出网格全程无需电脑，真正的完成即扫即得。
这是一个数据获取效率和应用便携性不断演进的过程。使用第三代技术，工程师只需要一台扫描仪就能完成全部工作，无需电脑和电源，可以轻松应对工厂、工地、户外等各种复杂环境。先临基于多年的技术积累，在有限硬件条件下实现算法/架构/应用流程的整体优化，从而在扫描仪设备上实现高速的扫描以及数据处理，为行业开创了一个发展新时代。
李仁举：高精度三维扫描技术是连接物理世界和数字世界的重要桥梁。它能够将物理世界中的事物转化为数字世界可用的三维数据。
除了工业测量，我们也有彩色3D扫描仪，可以扫描人体，为制作数字人或真人手办提供数据基础。在AI加快速度进行发展的时代，三维扫描也为专业领域的AI训练提供了重要的三维数据支持。
随着虚拟仿真、数字孪生等技术的发展，高精度三维数据的价值将进一步凸显。我们会继续深耕这样的领域，为数字化转型提供更好的技术支撑。
从5微米到4微米，看似微小的进步背后，是先临三维20年如一日的技术积累和创新追求。在制造业高水平发展的道路上，正是这样的微米级匠心，为中国制造向中国创造转变提供了坚实支撑。正如李仁举所言，每一次精度的突破，都有几率会成为制造业新发展的起点。
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