测量时的探测极限：用复杂精密的探测技术满足微加工零件的测量需求

HEATS · 发表于 2010-9-11 22:01:59

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在理想状况下，采用光学或其它非接触式检测技术来测量复杂的微加工零件或许是最佳方式，但这往往却并不容易实现。光学测量系统的优点是测量速度快、不会引起零件变形，但其也有一定局限性，如工件的可见边缘往往无法反映其后被遮挡部分的情况。此外，光学测量系统通常不能确定诸如平行度、垂直度、圆柱度、平面度等三维形状位置精度。

然而，将几种传感技术的优势结合在一起而构建一个单一测量系统，就可以在一次安装中对复杂零件的所有关键参数进行测量。这些多传感器测量系统通常包含有非接触式传感器——视频、白光和，或激光测头——用于工件表面和边界的测量，触发式和扫描测头则可以测量非接触探测装置不能到达的位置，如深的阶梯孔。

探测微尺度

传统的测量技术(如坐标测量机的触发式测头)正在不断改进以适应变化的需求。如今的传感器具有不同的触发测力、不同长度的测杆以及不同尺寸和材料的探针等。但是，当尺度变得更小时，就存在一个物理极限，测头的尺寸再小就难以保证可靠的触发。例如，细的探针在触发前可能会弯曲变形，导致对工件表面位置的错误指示：或者长的探针可能会发生“震颤” (触碰孔或槽的边缘)而发讯采样，而实际上测尖并未接触到被测位置的孔壁。由于制造技术的进步和采用放电加工(EDM)，人们已经能够制造出许多微型结构(如微型孔、口)，但这些微结构很难测量。在某些情况下，触发式测头的测尖大小或探针长度可能会使触发测量变得完全不可能。在测量小的沟槽、小孔或孔口斜度时，采用触发式测量技术可能并不合适，因为常规测头必须偏斜一定位置后才能发讯采样。

在机加工中，测头的使用方式通常可分成两种，第一种测头是作为附件加装在原有的机床上，也称为主轴安装测头：第二种测头则是完全设置在机床内，称为集成式测头。后者能够折叠收回，因此不会妨碍工具系统工作，也不需要更换机构。机床集成式测头工作可靠，使用方便，还减少了如处理电缆线、抗电磁干扰和提供电源等诸多麻烦。

一台传统机床安装集成测头后，就成为了一台能感知和反映其环境状态的机床。在加工零件尺寸越来越小、种类越来越多的今天，具备这种功能的机床是很有价值的。

图1 集成在机床中的测头在不使用时可以折叠收回

图2 装有雷尼绍TP20 测头的Datron 机床可用于在圆形工件上实现恒定切深加工

与控制器进行通讯

先进的探测技术是与机床的控制器和软件集成在一起的。例如，Datron Dynamics公司作为一个高速CNC铣床和雕刻机制造商，已成功开发出第三代集成式探测系统。它首先进行检测以确保工件正确定位，然后扫描和识别工件，以选择适当的加工程序。该公司总裁Walter Schnecker博士说，“即使操作者误装了其它工件，机床仍能生产出合格的产品，因为测头通过扫描确定了该工件应该采用的正确加工程序。那些经常变更加工工件的中小车间认识到，由于机床具有自动检测工件装夹精度的功能，因此可以减少变更工件所花费的时间，缩短加工周期。”

安装在Datron机床上的Z校正测头能够识别工件上的不规则表面形貌，这些不规则形貌可能是偶然因素造成的，也可能是特意设计的，测头能协助机床进行动态补偿。测头沿毛坯表面进行测量，并将数据输入机床控制器，控制器则针对不平的毛坯表面或工件位置自动进行调整，从而减少了工件毛坯的安装调试时间，降低了废品率。

Z校正测头永久性地安装在靠近主轴处，仅在需要时才由气动驱动伸出。由于采用了集成设计，因此无需更换，没有可能妨碍加工的电缆线，测量装置也不会因主轴突然启动而损坏。

当进行三维检测时，Z校正测头可以在XYZ坐标系中确定工件的位置和材料表面的不规则形貌，找出孔和凸台的中心位置，在加工前预先测量毛坯，补偿加工余量的变化，将数据输入ISO 9000信息链进行质量控制，并允许多种零件的反求工程制造。

装有雷尼绍TP20测头的Datron加工机床能用于测量复杂零件和其特征参数。如在圆形表面上雕刻标识"通常需要通过三维编程以实现表面深度变化的加工和保证相等的雕刻深度。而用TP20测头扫描工件表面后"对于表面的不规则变化，加工数据库能自动进行处理而无需三维编程。TP20是一种六向运动触发式测头系统，使用它能缩短加工周期。

轻微接触式测量

蔡司公司的F25测量机采用一个与光学测量系统组合在一起的接触式测量系统，该系统有3个传感器——2个用于测量，1个用于辅助操作。一个基于压电薄膜的全扫描接触式传感器既能用于点接触测量，也能用于全扫描测量。该公司负责精密测量机的新产品经理Gerrit deGlee指出，测头探针的直径可以小至Ø0.12mm，触测力仅为通常坐标测量机触测力的1/100。“这非常重要，因为工件夹紧力可以更小。微型工件在夹持时容易变形，因此必须非常小心地夹持工件，以便能顺利完成测量，同时又不引起工件变形。”

F25测量机的光学测量系统安装在接触式传感器旁边，它既可以单独使用，也可与接触式传感器组合使用。该系统有一个环形光源，光强和照明方向可编程控制，以减少不需要的阴影。

在测量非常小的工件或微形貌时，操作者很难观察操作。例如，F25测量机的Ø0.12mm探针头不经过放大是不可能看清的。因此测量机上配有一个光学系统，它将接触式测头的测量区域放大后在监控器屏幕上显示出来，以便操作者编写程序。光学检测系统可将测量结果直接显示在测量软件屏幕上。

F25测量机不是一种车间用仪器，它的精度很高，但不具备对车间环境下温度影响的控制功能。该仪器的测量不确定度小于250nm，在如此高的精度下，温度对测量的影响将会很大。仪器采用了具有良好热稳定性的玻璃陶瓷基准尺。这种玻璃陶瓷材料最初是为天文望远镜开发的，可以避免基准尺热膨胀系数对测量不确定度的影响，而且基准尺本身也不再需要温度传感器。

非接触式测头

美国OGP公司推出的Smartscope多传感器测量系统采用了一种触测时探针无需弯曲的微触测技术。这种称为“羽毛测头”的技术采用一个处于恒定微运动状态的微型测头。该测头的探针非常细，探针端部的测尖直径仅为Ø0.125mm。当测尖接近被测工件时，工件表面引起测尖微运动的变化，该变化被记录下来作为测量信号。这种测头触测时不会发生弯曲变形，触测力小于1mg。OGP公司称，“羽毛测头”适合测量小的沟槽、孔或孔口斜度，也能用于测量柔软或易变形的工件。它可用于XYZ轴的测量。

为防止受损，测头在不使用时缩回一个保护罩内，在需要进行自动测量时才伸出。

OGP公司的另一种表面非接触测量传感器是称为“彩虹测头”的白光传感器，它在侧向和高度方向都具有极高的分辨力，Z轴上的分辨力可达到亚微米级。该项技术采用了在一组镜片中的扩展轴向色散原理，白光的每一个波长聚焦在光轴的不同点上。由于采用了色谱分析，“彩虹测头”对被测表面的反射度和粗糙度的变化不敏感。当用于多传感器测量系统时，该测头能沿着几乎任何形状的工件表面轮廓，对高频表面的微细形貌进行非接触扫描测量。通过邻区扫描可以创建工件表面的区域拓扑图。

多传感器系统的集成

对于具有复杂几何形状和自由轮廓的工件，其孔或特征点的公差裕度很小，工件上许多特征点的相互位置关系非常重要，需要采用多传感器测量系统进行检测。多传感器测量机可以采用专用传感器对工件的特殊形貌进行测量，将其作为工件整体特征的一部分。

在多传感器测量系统中，传感器的软件集成是一项重要的开发内容。好的集成软件包可以对在用的所有传感器进行标定，使这些传感器在测量路径中的任何一点都能使用：而差的集成软件包则需要对每一个传感器在每一次使用前都进行标定。此外，好的集成软件包可以对任意一个传感器的测量数据进行处理和分析，这样就可以方便地处理在一次测量过程中所获得的视频边缘点数据、激光点云数据和接触式扫描测头的测量数据。

OGP公司总裁FredMason指出，“与专用微测量系统相比，带微测头的大量程多传感器测量系统的突出优势是能将整个工件的微观形貌测量数据与宏观形貌尺寸及位置数据包括在同一个数据文件中”。一个既具有传统视频测量系统的大量程，又具有微测头的高分辨力的测量系统能够对一个工件上的关键微观特征或某一个关键参数进行测量。

微传感器可以应用于几乎任何大小的多传感器测量系统中。对于视频测量系统，主要考虑应保证仪器在整个测量范围内具有必要的、高分辨力的定位能力，以获得工件特定部位的高倍放大图像。只有在测量系统具有很高精度的情况下，微测头才能达到最高的测量精度。只有将视频图像测量与微测头测量组合在同一测量过程中，才能获得完整的工件特征，同时将人为因素的影响降至最低。

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