快速而精確的激光測量技術

快速而精確的激光測量技術

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

談到計量和檢測，很少有設備有現(xiàn)代激光系統(tǒng)那樣的萬能件�？焖佟⒎墙佑|式的激光技術可以在零件上測量許多點而不產(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)，顯示出由激光測量系統(tǒng)可以達到的獨特性能的種類。由該公司設計的系統(tǒng)，是以一個精密干涉儀的5或6維傳感器為基礎用來測量CNC機床和坐標測量機的定位精度。干涉儀發(fā)送的激光光束進入傳感器，然后分為三個分光束。第一個分光束將返回光源，以進行線性位移測量，第二個分光束進入雙向傳感器以測量水平和垂直方向的不直度誤差。第三個分光束通過一個光學結(jié)構(gòu)，測量偏轉(zhuǎn)和仰俯。由一個集成的微分激光系統(tǒng)來測量轉(zhuǎn)動角偏差。

用戶可以在機床的一個坐標軸上（如X軸）安裝6維激光器，可同時測量所有的六個坐標軸的誤差。

API的Mike Glossinger說，“如果您是在普通機床上測量，則Y軸應該與X軸成90°。將激光器定位好，如定位在X軸上，插入一個五棱鏡，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維傳感器移動對Y軸進行測量。利用從X和Y軸上取得的不直度數(shù)據(jù)，測量器上的專利軟件可以確定每個坐標軸在測試平面中的走向并計算其垂直度。

三軸機床上的每個軸都有6個可能的位置誤差：軸移動定位誤差；在垂直于移動軸的軸方向上的直線度誤差和三個角度誤差（轉(zhuǎn)動、俯仰、偏轉(zhuǎn)）。此外，機床三個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量操作，系統(tǒng)可以確定機床上17個軸誤差和兩個正方度誤差。API現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動傳感器不能測量垂直軸的轉(zhuǎn)動。在5次安裝和操作中，系統(tǒng)可以確定21個可能誤差中的20個。

Glossinger說，“我們可以在約4-5小時內(nèi)對一臺機床進行完整的分析�！彼�相信，由像API的5或6維系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，為機床制造廠提供達到新的精度水準的機會�！白罱K，機床制造廠在補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。在當今，他們試圖用很好的機械方法制造系統(tǒng)，但是留給他們的恰好是無法修正的小誤差�，F(xiàn)在，通過某些補償，我們可以把機床做得更好（更確切地說是性能價格比）�！�
在更一般的場合，由Mitutoyo（MIT）Corp.出品的激光千分尺在連續(xù)過程中證實了激光的測量方法的速度和精度。這些系統(tǒng)將激光光束對準一個旋轉(zhuǎn)的反射鏡。當反射鏡自轉(zhuǎn)時，激光束射向一個光電單元。該單元的輸出量隨達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，對于直徑為1mm~51mm的工件，其精度約為±0.0030mm，重復精度約為±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，因為其使用壽命更長。有些He—Ne管其使用壽命超過600h，但采用激光二極管，有時候，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。”當今的激光千分尺還具備增強的功能度�！芭c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�！�

在線測量時，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，零件的找正很關鍵。任何微量傾斜都將引起錯誤的讀數(shù)。任何粘在零件上的東西均可能影響測量結(jié)果�！�

他不同意激光的測量比機械式或機電式測量要貴的觀點�！叭绻�說到用機械系統(tǒng)測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。對于激光系統(tǒng)，如果產(chǎn)品是圓的，您可能采用一個X—Y調(diào)整。每個送接裝置現(xiàn)價約為5000美元，而顯示箱的運轉(zhuǎn)費約為2500美元。對于一個不需要很多夾緊調(diào)整和維護的過程系統(tǒng)，您將要花12500美元�！彼�指出，當今，工業(yè)應用在獨特的加工中工業(yè)常常采用激光器。考慮到這些加工所制作的產(chǎn)品具備較高的價值，那么激光測量系統(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，會提供越來越多的激光產(chǎn)品。在接下的10-20年中，計量工業(yè)將變得明顯的不同�！�

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

提供收集4m/s的運行速度，系統(tǒng)使用支持Windows軟件來進行數(shù)據(jù)采集和分析。尺寸為51mm×51mm×216mm的激光頭，特點是優(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，允許用戶完成一系列功能：校驗直線位置精度；測量伺服失配；測量切線速度；測量反向誤差；生成用于補償文件的數(shù)據(jù)；測量切線速度；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的速度進行測量。利用該激光桿，該主軸運動的X軸坐標甚至可測量與其一般大的Y向運動，結(jié)合X和Y軸坐標數(shù)據(jù)，可以生成主軸的被測量的圓軌跡曲線圖。

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

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

由Optical Dimensions Inc.出品的激光表面測量系統(tǒng)為特殊的檢測問題提供了高技術、高速度解決方法。這種系統(tǒng)名為Lasercheck系統(tǒng)，以10Hz工作的激光在加工過程中進行自動表面粗糙度測量。它完整地說明了光亮表面的范圍為Ra0.0025μm~0.0013μm，精度達±0.1%。自動地節(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，該測量儀器設備可測量一個表面的鏡面反射和漫反射�！爱敱砻娲植诙雀淖儠r，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算表面粗糙度�！碑斍蔼毩⒌腖asercheck系統(tǒng)的安裝價格約25000美元，包括一個激光器（調(diào)整關鍵的照明角度）和將近40個檢測來自表面的鏡面反射和漫反射光的傳感器。

Valliant說：“激光接通時間大約為30ms，在這段時間內(nèi)，儀器記錄來自劣于它的表面的各種反射�！比缓髮Ｓ盟惴ɡ�用為計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度可達4mm-5mm，掃描寬度由測筆尖的寬度確定。我們的光束軌跡長約5mm-6mm，寬約1mm�！�

Lasercheck測量的表面可以是靜止的或運動的。他說：“我們獲得了接近607m/min的過程，而這種設備不需照管�！庇扇齻�主要的軟件設置模式來操縱測量儀器。零件檢測方式表示系統(tǒng)測量由上料系統(tǒng)依次提供的離散的零件。滾子或輸送帶檢測表示一個大型連續(xù)的表面測量操作。實驗室檢測用于由操作員手動上料的零件。用戶選擇相應的軟件模式和測量儀器的本身調(diào)整。

用Lasercheck測量表面，則表面必須干凈。Optical Dimensins開發(fā)了清潔方法設備來配合測量儀器的應用。Valliant說：“我們在零件上有很多的工藝時間就像在核心技術上所做的。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量適當?shù)厍鍧嵄砻嫠�必需的設備和附件。”

Lasercheck測量儀所產(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)反映砂輪加載時砂輪中的變化，并反映磨削過程中砂輪修整的影響。可超時監(jiān)控和記錄過程中的趨勢。

激光三角測量仍然是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。我們在檢測器上收集數(shù)據(jù)。如果激光射到表面的點在Z方向發(fā)生變化，則反射光射到檢測器的部位也會發(fā)生變化。使用三角測量法，我們可以精確確定兩個點之間的高度差�！�

該公司的Cyberscan Cobra3維輪廓儀可以收集在高度、長度、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軸移動臂上。由一個3維半敞開平臺將Cobra定位在目標物上方，而測量臺提供X軸運動。

另一個產(chǎn)品，即Vantage檢測系統(tǒng)，可以對152mm×152mm的面積進行3維掃描。它可以產(chǎn)生一個地形高度圖，分辨力精確至0.125μm。測量范圍為8000μm。其自動的X—Y工作臺，由系統(tǒng)的計算機控制，給操作者一個為他們想測量的樣呂的編程面積的機會。該公司制作的3個或4個傳感器可以與Vantage或Cobra3維系統(tǒng)一起使用。

激光測量系統(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光斑，因為可以成像和測量很小的特征。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)隨著時間的流逝，激光系統(tǒng)變得越來越有價格競爭力�！凹す饧夹g的研究是一個熱門領域。

像我們一樣，人們從通訊系統(tǒng)方面的進步中受益匪淺。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.是接觸式測量系統(tǒng)的優(yōu)秀制造廠，它生產(chǎn)用于手動或直接數(shù)控的坐標測量機的激光檢測系統(tǒng)。由Wolf & Beck制造的OTP64M光學觸發(fā)式測頭系統(tǒng)，允許坐標測量機的用戶可以在其機床上添加非接觸式檢測功能。

Renishaw的Denis Zayia說：“我們在Wolf & Beck測頭上添加了Renishaw自動接合器，它還有一個OTI6接口。因此，不管您在哪兒取得什么樣的接觸式測頭，都可以在PH6M和PH10自動頭上連接上系統(tǒng)�！辈捎猛�軸光學三角測量，該測頭系統(tǒng)包括一個Class2激光器并在激光光斑到達共焦點位置時產(chǎn)生一個觸發(fā)信號。由于OTP6M模擬標準接觸式觸發(fā)測頭的輸出信號，不需專用軟件就可使用該激光測頭。

Zayia解釋說：“當有的人基本上需要利用接觸式觸發(fā)測頭檢測大部分零件，但是有一對零件要求采用非接觸式測量時那是一個實在的方法�！边�還看到激光測量系統(tǒng)的價格有顯著降低�！叭绻�您注意到我們的Wolf & Beck系統(tǒng)，其中包括測頭、接口和各種附件，其價格約為12000美元，該測頭是裝在坐標測量機上的視頻測頭。其價格已下降，而且還會進一步降價�！�

將來，激光測量能替代接觸測量嗎？Zayia主意到：“機械式測量將占統(tǒng)治地位，但激光測量設備將占更大的份額。就切斷測頭而言，我們絕大部分的這類測頭都有分離模塊。最壞的情況是，您可能弄彎筆尖。如果您在一臺制作準備去油漆的車身的機床上采用激光，且它撞入了零件當中，則激光會中斷。我認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）。他們的Holo-Vision集團開發(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)測量系統(tǒng)為基礎的知識。
Holo-Vision集團的總經(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工作同時用激光照射整個零件�！拔覀儗⒓す馐�分成一個目標光束和一個參考光束，然后記錄由射到CCD攝象機上生成的全息圖。用計數(shù)法譯碼的全息圖進到能夠形成圖象的計算機。我們的智能特點是代碼或數(shù)字信號處理，它允許我們?nèi)〉萌�息圖信息并將其轉(zhuǎn)換為3維圖像。”

Holo-Vision所用的攝象機具備一個1000×1000像系CCD陣列，因此系統(tǒng)可能在一個零件上收集1百萬個數(shù)據(jù)點。利用專用軟件，用戶可以計算表面粗糙度、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模型進行比較，以評價綜合的零件精度。測量一個典型的零件約需2min。測量后，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：“對于輪廓，用戶按鼠標左鍵，擊右鍵以確定輪廓極限。另外，我們也可以沿著圓弧劃曲線，也可以對某個零件進行數(shù)字式平面化或以數(shù)字方式記錄革個零件�！�

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，而我們也正征那個方向發(fā)展�！碑斍癏oloMapper能測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，當視野為178mm×178mm時，HoloMapper的X—Y像素尺寸為0.178mm×0.178mm。

Marron說：“如果某人要測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。我們可以進行子像素處理以確定像孔徑一類的特征，精度好于0.178mm�！卑凑仗厥獾念伾�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。

在進入該新系統(tǒng)之前，零件必須清洗。HoloMapper會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)的激光下保持靜止狀態(tài)�？梢圆捎米詣硬迦肓慵�，但Holo-Vision還沒有設置這種操作�，F(xiàn)在，新系統(tǒng)的10個被宣布在?現(xiàn)場測試。

Morran看到HoloMapper在某些領域與坐標測量機競爭�！拔覀兊挠脩粼谑褂米鴺藴y量機時所遇到的問題是，在較大面積上進行精密零件精確采樣時，速度很慢。而我們卻有在1min~2min內(nèi)對一個樣件采集1百萬個點的能力。“培訓某人使用最新HoloMapper的版本，它被安裝在一個NEMA12外殼內(nèi)，約需要4h。