快速而精確的激光測(cè)量技術(shù)

快速而精確的激光測(cè)量技術(shù)

靈活而緊湊的基于激光的測(cè)量系統(tǒng)，可以高速測(cè)量表面和檢查關(guān)鍵尺寸。

談到計(jì)量和檢測(cè)，很少有設(shè)備有現(xiàn)代激光系統(tǒng)那樣的萬能件�？焖佟⒎墙佑|式的激光技術(shù)可以在零件上測(cè)量許多點(diǎn)而不產(chǎn)生變形或留下痕跡。

Automated Precision Inc.（API）出品的5或6維激光系統(tǒng)，顯示出由激光測(cè)量系統(tǒng)可以達(dá)到的獨(dú)特性能的種類。由該公司設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，是以一個(gè)精密干涉儀的5或6維傳感器為基礎(chǔ)用來測(cè)量CNC機(jī)床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的定位精度。干涉儀發(fā)送的激光光束進(jìn)入傳感器，然后分為三個(gè)分光束。第一個(gè)分光束將返回光源，以進(jìn)行線性位移測(cè)量，第二個(gè)分光束進(jìn)入雙向傳感器以測(cè)量水平和垂直方向的不直度誤差。第三個(gè)分光束通過一個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)，測(cè)量偏轉(zhuǎn)和仰俯。由一個(gè)集成的微分激光系統(tǒng)來測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角偏差。

用戶可以在機(jī)床的一個(gè)坐標(biāo)軸上（如X軸）安裝6維激光器，可同時(shí)測(cè)量所有的六個(gè)坐標(biāo)軸的誤差。

API的Mike Glossinger說，“如果您是在普通機(jī)床上測(cè)量，則Y軸應(yīng)該與X軸成90°。將激光器定位好，如定位在X軸上，插入一個(gè)五棱鏡，讓光束折彎至Y軸上，折彎度正好為90度�！奔す馄鞅３朱o止，只有6維傳感器移動(dòng)對(duì)Y軸進(jìn)行測(cè)量。利用從X和Y軸上取得的不直度數(shù)據(jù)，測(cè)量器上的專利軟件可以確定每個(gè)坐標(biāo)軸在測(cè)試平面中的走向并計(jì)算其垂直度。

三軸機(jī)床上的每個(gè)軸都有6個(gè)可能的位置誤差：軸移動(dòng)定位誤差；在垂直于移動(dòng)軸的軸方向上的直線度誤差和三個(gè)角度誤差（轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰、偏轉(zhuǎn)）。此外，機(jī)床三個(gè)相互垂直的平面生成的正方度誤差。
通過三次安裝和三次測(cè)量操作，系統(tǒng)可以確定機(jī)床上17個(gè)軸誤差和兩個(gè)正方度誤差。API現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器不能測(cè)量垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。在5次安裝和操作中，系統(tǒng)可以確定21個(gè)可能誤差中的20個(gè)。

Glossinger說，“我們可以在約4-5小時(shí)內(nèi)對(duì)一臺(tái)機(jī)床進(jìn)行完整的分析。”他相信，由像API的5或6維系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，為機(jī)床制造廠提供達(dá)到新的精度水準(zhǔn)的機(jī)會(huì)�！白罱K，機(jī)床制造廠在補(bǔ)償方面要做的事情將比只在純直線度方面要做的事情要多。在當(dāng)今，他們?cè)噲D用很好的機(jī)械方法制造系統(tǒng)，但是留給他們的恰好是無法修正的小誤差�，F(xiàn)在，通過某些補(bǔ)償，我們可以把機(jī)床做得更好（更確切地說是性能價(jià)格比）。”
在更一般的場(chǎng)合，由Mitutoyo（MIT）Corp.出品的激光千分尺在連續(xù)過程中證實(shí)了激光的測(cè)量方法的速度和精度。這些系統(tǒng)將激光光束對(duì)準(zhǔn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的反射鏡。當(dāng)反射鏡自轉(zhuǎn)時(shí)，激光束射向一個(gè)光電單元。該單元的輸出量隨達(dá)到其上的光束量大小成正比地發(fā)生變化，使系統(tǒng)可以確定位于單元和激光之間的工件的直徑。常用的MTI激光千分尺如Series544，對(duì)于直徑為1mm~51mm的工件，其精度約為±0.0030mm，重復(fù)精度約為±0.00013mm。

MTI的Dale Schauer說，“一些制造廠采用He—Ne管作為激光光源，但我們卻采用二極管，因?yàn)槠涫褂脡勖�更長(zhǎng)。有些He—Ne管其使用壽命超過600h，但采用激光二極管，有時(shí)候，其壽命竟超出7000h�！奔す馇Х殖咄�往作為較大型系統(tǒng)的一個(gè)組成部分加以使用。Schauer觀察到，“有一半以上激光器是深藏在某些講師儀器的過程控制部分中�！碑�(dāng)今的激光千分尺還具備增強(qiáng)的功能度。“與舊裝置相比，它們具備更多的編程控制能力以及更快的輸出能力�！�

在線測(cè)量時(shí)，用戶仍然要注意零件的清潔度和粗糙度。Schauer警告說：“一層油或水基冷卻液的薄膜其厚度可能達(dá)十分之幾毫米。此外，您還要受到表面粗糙度的某種影響。這些裝置中某些分辨力只有0.5μm。此外，零件的找正很關(guān)鍵。任何微量?jī)A斜都將引起錯(cuò)誤的讀數(shù)。任何粘在零件上的東西均可能影響測(cè)量結(jié)果�！�

他不同意激光的測(cè)量比機(jī)械式或機(jī)電式測(cè)量要貴的觀點(diǎn)�！叭绻�說到用機(jī)械系統(tǒng)測(cè)量撥絲模之間的絲流，則必須制造某各軋輥系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)并不便宜。對(duì)于激光系統(tǒng)，如果產(chǎn)品是圓的，您可能采用一個(gè)X—Y調(diào)整。每個(gè)送接裝置現(xiàn)價(jià)約為5000美元，而顯示箱的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)約為2500美元。對(duì)于一個(gè)不需要很多夾緊調(diào)整和維護(hù)的過程系統(tǒng)，您將要花12500美元�！彼�指出，當(dāng)今，工業(yè)應(yīng)用在獨(dú)特的加工中工業(yè)常常采用激光器�？紤]到這些加工所制作的產(chǎn)品具備較高的價(jià)值，那么激光測(cè)量系統(tǒng)的成本便顯得微不足道。

據(jù)Schauer稱，“將來，特別是在高速加工中，會(huì)提供越來越多的激光產(chǎn)品。在接下的10-20年中，計(jì)量工業(yè)將變得明顯的不同�！�

低成本激光測(cè)量對(duì)行業(yè)中的每個(gè)人仍然是目標(biāo)。而Optodyne Inc.相信它的新MCV—500激光校準(zhǔn)系統(tǒng)就是向這一方向邁出的一步。其價(jià)格低于10000美元。它可以對(duì)CNC機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、滾珠絲杠和DRO進(jìn)行內(nèi)部線性校正。系統(tǒng)包括兩個(gè)可對(duì)準(zhǔn)的元件，即激光頭部件和一個(gè)12.7mm的反光鏡。以多普勒技術(shù)為基礎(chǔ)，MCV—500帶有一個(gè)用于發(fā)射和接收的單孔的激光頭。激光頭和反光鏡均安裝在機(jī)床上，無須在地面安裝三腳架。

提供收集4m/s的運(yùn)行速度，系統(tǒng)使用支持Windows軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。尺寸為51mm×51mm×216mm的激光頭，特點(diǎn)是優(yōu)于0.1ppm的穩(wěn)定性檢查，精度為1.0ppm（百萬分之一），分辨力為0.03μm。

在一次安裝中，Optodyne公司出品的激光球桿技術(shù)，允許用戶完成一系列功能：校驗(yàn)直線位置精度；測(cè)量伺服失配；測(cè)量切線速度；測(cè)量反向誤差；生成用于補(bǔ)償文件的數(shù)據(jù)；測(cè)量切線速度；產(chǎn)生伺服控制器調(diào)諧用數(shù)據(jù)允許從2.54mm至76mm連續(xù)變化半徑。該系統(tǒng)的分辨力為0.0000254mm，可以以4m/s的速度進(jìn)行測(cè)量。利用該激光桿，該主軸運(yùn)動(dòng)的X軸坐標(biāo)甚至可測(cè)量與其一般大的Y向運(yùn)動(dòng)，結(jié)合X和Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以生成主軸的被測(cè)量的圓軌跡曲線圖。

除了這些設(shè)備外，Optodyne將提供測(cè)量三軸機(jī)床上所有21個(gè)可能位置誤差的系統(tǒng)。Optodyne公司的總裁Charles Wang說，“我們稱這種技術(shù)為Vector Measue-ment（矢量測(cè)量）。通過四次安裝，可在2h-4h的時(shí)間內(nèi)測(cè)出所有21個(gè)誤差。”他相信，這種新系統(tǒng)綜合了好幾種儀器的功能。

在測(cè)量機(jī)床誤差時(shí)。Wang說，“常規(guī)方法是采用激光干涉儀射擊機(jī)床，并獲得位置精度。然后用一個(gè)球桿來檢查動(dòng)態(tài)性。我們現(xiàn)在擁有的是一臺(tái)可以檢查所有尺寸的激光器。我們可以測(cè)量所有21項(xiàng)幾何誤差。在此之后，可以用同一個(gè)激光器進(jìn)行球桿測(cè)量。一臺(tái)儀器就可以完成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度測(cè)量�！�

由Optical Dimensions Inc.出品的激光表面測(cè)量系統(tǒng)為特殊的檢測(cè)問題提供了高技術(shù)、高速度解決方法。這種系統(tǒng)名為L(zhǎng)asercheck系統(tǒng)，以10Hz工作的激光在加工過程中進(jìn)行自動(dòng)表面粗糙度測(cè)量。它完整地說明了光亮表面的范圍為Ra0.0025μm~0.0013μm，精度達(dá)±0.1%。自動(dòng)地節(jié)約了直接輸入到SPC的ASCII格式數(shù)據(jù)，并在制造和QC中使用電子數(shù)據(jù)表軟件。

Optical Dimensions Inc.公司的總裁兼總經(jīng)理J.Glenn Valliant稱，該測(cè)量?jī)x器設(shè)備可測(cè)量一個(gè)表面的鏡面反射和漫反射。“當(dāng)表面粗糙度改變時(shí)，來自表面的分布變化完全可以確定�？梢愿鶕�(jù)鏡面反射和漫反射的分布來計(jì)算表面粗糙度�！碑�(dāng)前獨(dú)立的Lasercheck系統(tǒng)的安裝價(jià)格約25000美元，包括一個(gè)激光器（調(diào)整關(guān)鍵的照明角度）和將近40個(gè)檢測(cè)來自表面的鏡面反射和漫反射光的傳感器。

Valliant說：“激光接通時(shí)間大約為30ms，在這段時(shí)間內(nèi)，儀器記錄來自劣于它的表面的各種反射。”然后專用算法利用為計(jì)算表面粗糙度采集到的數(shù)據(jù)。他解釋道：“一般地，筆式表面粗糙度儀掃描長(zhǎng)度可達(dá)4mm-5mm，掃描寬度由測(cè)筆尖的寬度確定。我們的光束軌跡長(zhǎng)約5mm-6mm，寬約1mm。”

Lasercheck測(cè)量的表面可以是靜止的或運(yùn)動(dòng)的。他說：“我們獲得了接近607m/min的過程，而這種設(shè)備不需照管�！庇扇齻�(gè)主要的軟件設(shè)置模式來操縱測(cè)量?jī)x器。零件檢測(cè)方式表示系統(tǒng)測(cè)量由上料系統(tǒng)依次提供的離散的零件。滾子或輸送帶檢測(cè)表示一個(gè)大型連續(xù)的表面測(cè)量操作。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)用于由操作員手動(dòng)上料的零件。用戶選擇相應(yīng)的軟件模式和測(cè)量?jī)x器的本身調(diào)整。

用Lasercheck測(cè)量表面，則表面必須干凈。Optical Dimensins開發(fā)了清潔方法設(shè)備來配合測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用。Valliant說：“我們?cè)诹慵�上有很多的工藝時(shí)間就像在核心技術(shù)上所做的。一般我們用壓縮空氣和定制的吹除器并固定。我們提供為我們的測(cè)量適當(dāng)?shù)厍鍧嵄砻嫠�必需的設(shè)備和附件�！�

Lasercheck測(cè)量?jī)x所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以表明如像磨削工序中所出現(xiàn)的變化。此數(shù)據(jù)反映砂輪加載時(shí)砂輪中的變化，并反映磨削過程中砂輪修整的影響�？沙瑫r(shí)監(jiān)控和記錄過程中的趨勢(shì)。

激光三角測(cè)量仍然是CyberOptics Corp.制造儀器的基本原理。

CyberOptics的Bruce Batten解釋說：“我們將激光光束聚焦到表面上然后光束反射回傳感器。我們?cè)跈z測(cè)器上收集數(shù)據(jù)。如果激光射到表面的點(diǎn)在Z方向發(fā)生變化，則反射光射到檢測(cè)器的部位也會(huì)發(fā)生變化。使用三角測(cè)量法，我們可以精確確定兩個(gè)點(diǎn)之間的高度差。”

該公司的Cyberscan Cobra3維輪廓儀可以收集在高度、長(zhǎng)度、面積、體積、平均高度和表面粗糙度的3維數(shù)據(jù)。CyberOptics公司的激光傳感器在50mm×50mm的是大測(cè)量面積中的分辨力精確至0.125μm。Cobra的傳感器被固定在Y軸移動(dòng)臂上。由一個(gè)3維半敞開平臺(tái)將Cobra定位在目標(biāo)物上方，而測(cè)量臺(tái)提供X軸運(yùn)動(dòng)。

另一個(gè)產(chǎn)品，即Vantage檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)152mm×152mm的面積進(jìn)行3維掃描。它可以產(chǎn)生一個(gè)地形高度圖，分辨力精確至0.125μm。測(cè)量范圍為8000μm。其自動(dòng)的X—Y工作臺(tái)，由系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制，給操作者一個(gè)為他們想測(cè)量的樣呂的編程面積的機(jī)會(huì)。該公司制作的3個(gè)或4個(gè)傳感器可以與Vantage或Cobra3維系統(tǒng)一起使用。

激光測(cè)量系統(tǒng)必須克服的一大障礙是光斑尺寸。Batten說：“激光光束的光斑尺寸在很大程度上決定著分辨力的大小。我們要生成很小的微細(xì)光斑，因?yàn)榭梢猿上窈蜏y(cè)量很小的特征。如果可能的話，這需要一些透鏡的優(yōu)良品質(zhì)的光學(xué)件，可將減小光斑尺寸至超出衍射極限的范圍�！�
他發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的流逝，激光系統(tǒng)變得越來越有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力�！凹す饧夹g(shù)的研究是一個(gè)熱門領(lǐng)域。

像我們一樣，人們從通訊系統(tǒng)方面的進(jìn)步中受益匪淺。我們現(xiàn)在采用工作在600mm-700mm范圍內(nèi)的激光器。我們喜歡采用范圍低至300mm-400mm的激光器�！�

Renishaw Inc.是接觸式測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)秀制造廠，它生產(chǎn)用于手動(dòng)或直接數(shù)控的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的激光檢測(cè)系統(tǒng)。由Wolf & Beck制造的OTP64M光學(xué)觸發(fā)式測(cè)頭系統(tǒng)，允許坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的用戶可以在其機(jī)床上添加非接觸式檢測(cè)功能。

Renishaw的Denis Zayia說：“我們?cè)赪olf & Beck測(cè)頭上添加了Renishaw自動(dòng)接合器，它還有一個(gè)OTI6接口。因此，不管您在哪兒取得什么樣的接觸式測(cè)頭，都可以在PH6M和PH10自動(dòng)頭上連接上系統(tǒng)�！辈捎猛�軸光學(xué)三角測(cè)量，該測(cè)頭系統(tǒng)包括一個(gè)Class2激光器并在激光光斑到達(dá)共焦點(diǎn)位置時(shí)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。由于OTP6M模擬標(biāo)準(zhǔn)接觸式觸發(fā)測(cè)頭的輸出信號(hào)，不需專用軟件就可使用該激光測(cè)頭。

Zayia解釋說：“當(dāng)有的人基本上需要利用接觸式觸發(fā)測(cè)頭檢測(cè)大部分零件，但是有一對(duì)零件要求采用非接觸式測(cè)量時(shí)那是一個(gè)實(shí)在的方法�！边�還看到激光測(cè)量系統(tǒng)的價(jià)格有顯著降低。“如果您注意到我們的Wolf & Beck系統(tǒng)，其中包括測(cè)頭、接口和各種附件，其價(jià)格約為12000美元，該測(cè)頭是裝在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的視頻測(cè)頭。其價(jià)格已下降，而且還會(huì)進(jìn)一步降價(jià)�！�

將來，激光測(cè)量能替代接觸測(cè)量嗎？Zayia主意到：“機(jī)械式測(cè)量將占統(tǒng)治地位，但激光測(cè)量設(shè)備將占更大的份額。就切斷測(cè)頭而言，我們絕大部分的這類測(cè)頭都有分離模塊。最壞的情況是，您可能弄彎筆尖。如果您在一臺(tái)制作準(zhǔn)備去油漆的車身的機(jī)床上采用激光，且它撞入了零件當(dāng)中，則激光會(huì)中斷。我認(rèn)為激光的固定比較昂貴�！�

Erim International Inc.專門開發(fā)用于軍事衛(wèi)星上的感知系統(tǒng)（特殊的綜合小孔雷達(dá)）。他們的Holo-Vision集團(tuán)開發(fā)了一種稱為Holo Mapper的激光裝置，此裝置利用了以產(chǎn)生工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)的知識(shí)。
Holo-Vision集團(tuán)的總經(jīng)理Joseph C. Marron說，新系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)生成并記錄零件的數(shù)字全息圖。Holo Mapper工作同時(shí)用激光照射整個(gè)零件。“我們將激光束分成一個(gè)目標(biāo)光束和一個(gè)參考光束，然后記錄由射到CCD攝象機(jī)上生成的全息圖。用計(jì)數(shù)法譯碼的全息圖進(jìn)到能夠形成圖象的計(jì)算機(jī)。我們的智能特點(diǎn)是代碼或數(shù)字信號(hào)處理，它允許我們?nèi)〉萌�息圖信息并將其轉(zhuǎn)換為3維圖像。”

Holo-Vision所用的攝象機(jī)具備一個(gè)1000×1000像系CCD陣列，因此系統(tǒng)可能在一個(gè)零件上收集1百萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。利用專用軟件，用戶可以計(jì)算表面粗糙度、平面度和零件的二維度。此外，外零件上收集的數(shù)據(jù)可以與CAD模型進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)綜合的零件精度。測(cè)量一個(gè)典型的零件約需2min。測(cè)量后，用戶幾乎可以立即從數(shù)據(jù)中獲得3維圖像或輪廓。Marron解釋說：“對(duì)于輪廓，用戶按鼠標(biāo)左鍵，擊右鍵以確定輪廓極限。另外，我們也可以沿著圓弧劃曲線，也可以對(duì)某個(gè)零件進(jìn)行數(shù)字式平面化或以數(shù)字方式記錄革個(gè)零件。”

在Z方向，系統(tǒng)可以分辨出0.5μm。Marron說：“我們有些用戶想讓我們降低該數(shù)字，而我們也正征那個(gè)方向發(fā)展�！碑�(dāng)前HoloMapper能測(cè)量的零件尺寸不大于178mm×178mm×178mm。在不久的將來，我們希望將尺寸增大到305mm×305mm×305mm。在X和Y方向，當(dāng)視野為178mm×178mm時(shí)，HoloMapper的X—Y像素尺寸為0.178mm×0.178mm。

Marron說：“如果某人要測(cè)量像孔位置一類的特征，在CCD陣列上，我們得到許多超過圓直徑的樣值。我們可以進(jìn)行子像素處理以確定像孔徑一類的特征，精度好于0.178mm。”按照特殊的顏色繪制高度值，可以產(chǎn)生用肉眼看的有用圖像。通過采用3維眼鏡，觀察者可以獲得從屏幕上豎起的圖像，這樣可以提高視覺判斷。

在進(jìn)入該新系統(tǒng)之前，零件必須清洗。HoloMapper會(huì)將遺留在零件上的油膜解釋為高度偏差。零件必須在系統(tǒng)的激光下保持靜止?fàn)顟B(tài)�？梢圆捎米詣�(dòng)插入零件，但Holo-Vision還沒有設(shè)置這種操作�，F(xiàn)在，新系統(tǒng)的10個(gè)被宣布在?現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

Morran看到HoloMapper在某些領(lǐng)域與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)競(jìng)爭(zhēng)�！拔覀兊挠脩粼谑褂米鴺�(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)所遇到的問題是，在較大面積上進(jìn)行精密零件精確采樣時(shí)，速度很慢。而我們卻有在1min~2min內(nèi)對(duì)一個(gè)樣件采集1百萬個(gè)點(diǎn)的能力�！芭嘤�(xùn)某人使用最新HoloMapper的版本，它被安裝在一個(gè)NEMA12外殼內(nèi)，約需要4h。