快速而精确的激光测量技术

魔神

    

　　灵活而紧凑的基于激光的测量系统，可以高速测量表面和检查关键尺寸。谈到计量和检测，很少有设备具有现代激光测量系统那样的万能性。快速、非接触式的激光技术可以在零件上测量许多点而不产生变形或留下痕迹。

　　Automated Precision Inc.

　　(API)出品的5维或6维激光系统，显示出现代激光测量系统可以达到的各种独特性能。由该公司设计的激光测量系统，是以一个精密干涉仪的5维或6维传感器为基础，用于测量CNC机床和坐标测量机的定位精度。干涉仪发送的激光光束进入传感器，然后分为三个分光束。第一个分光束将返回光源，以进行线性位移测量；第二个分光束进入双向传感器，以测量水平和垂直方向的不直度误差；第三个分光束通过一个光学结构，测量偏转和仰俯。由一个集成的微分激光系统来测量转动角偏差。

　　用户可以在机床的一个坐标轴(如X轴)上安装6维激光器，可同时测量所有的6个坐标轴的误差。

　　如果在普通机床上测量，则Y轴应该与X轴成90°。将激光器定位好，如定位在X轴上，插入一个五棱镜，让光束折弯至Y轴上，折弯度正好为90度。激光器保持静止，只有6维传感器移动对Y轴进行测量。利用从X和Y轴上取得的不直度数据，测量器上的专利软件可以确定每个坐标轴在测试平面中的走向并计算其垂直度。

　　三轴机床上的每个轴都有6个可能的位置误差：轴移动定位误差；在垂直于移动轴的轴方向上的直线度误差和三个角度误差(转动、俯仰、偏转)。此外，还有机床三个相互垂直的平面生成的正方度误差。

　　通过3次安装和3次测量操作，系统可以确定机床上17个轴误差和两个正方度误差。API现有的转动传感器不能测量垂直轴的转动。在5次安装和操作中，系统可以确定21个可能误差中的20个。

　　在更一般的场合，由Mitutoyo(MIT)Corp.出品的激光千分尺在连续过程中证实了激光的测量方法的速度和精度。这些系统将激光光束对准一个旋转的反射镜。当反射镜自转时，激光束射向一个光电单元。该单元的输出量随达到其上的光束量大小成正比地发生变化，使系统可以确定位于单元和激光之间的工件的直径。常用的MTI激光千分尺如Series544，对于直径为1～51mm的工件，其精度约为±0.0030mm，重复精度约为±0.00013mm。

　　在线测量时，用户仍然要注意零件的清洁度和粗糙度。零件的找正很关键，任何微量倾斜都将引起错误的读数。任何粘在零件上的东西均可能影响测量结果。

　　低成本激光测量对行业中的每个人仍然是目标。而Optodyne Inc.相信它的新MCV-500激光校准系统就是向这一方向迈出的一步。其价格低于10000美元。它可以对CNC机床、坐标测量机、滚珠丝杠和DRO进行内部线性校正。系统包括两个可对准的元件，即激光头部件和一个12.7mm的反光镜。以多普勒技术为基础，MCV-500带有一个用于发射和接收的单孔的激光头。激光头和反光镜均安装在机床上，无须在地面安装三脚架。

　　提供收集4m/s的运行速度，系统使用支持Windows软件来进行数据采集和分析。尺寸为51mm×51mm×216mm的激光头，特点是优于0.1ppm的稳定性检查，精度为1.0ppm(百万分之一)，分辨力为0.03μm。

　　在一次安装中，Optodyne公司出品的激光球杆技术，允许用户完成一系列功能：校验直线位置精度；测量伺服失配；测量切线速度；测量反向误差；生成用于补偿文件的数据；测量切线速度；产生伺服控制器调谐用数据允许从2.54mm至76mm连续变化半径。该系统的分辨力为0.0000254mm，可以以4m/s的速度进行测量。利用该激光杆，该主轴运动的X轴坐标甚至可测量与其一般大的Y向运动，结合X和Y轴坐标数据，可以生成主轴的被测量的圆轨迹曲线图。

　　除了这些设备外，Optodyne将提供测量三轴机床上所有21个可能位置误差的系统。这种技术为Vector Measue-ment(矢量测量)。通过四次安装，可在2～4h的时间内测出所有21个误差。

　　在测量机床误差时，常规方法是采用激光干涉仪射击机床，并获得位置精度。然后用一个球杆来检查动态性。现在有一台可以检查所有尺寸的激光器。它可以测量所有21项几何误差。在此之后，可以用同一个激光器进行球杆测量。一台仪器就可以完成静态和动态精度测量。

　　由Optical Dimensions Inc.出品的激光表面测量系统为特殊的检测问题提供了高技术、高速度解决方法。这种系统名为Lasercheck系统，以10Hz工作的激光在加工过程中进行自动表面粗糙度测量。它完整地说明了光亮表面的范围为Ra0.0025～0.0013μm，精度达±0.1%。自动地节约了直接输入到SPC的ASCII格式数据，并在制造和QC中使用电子数据表软件。

　　该测量仪器设备可测量一个表面的镜面反射和漫反射。当表面粗糙度改变时，来自表面的分布变化完全可以确定。可以根据镜面反射和漫反射的分布来计算表面粗糙度。当前独立的Lasercheck系统的安装价格约25000美元，包括一个激光器(调整关键的照明角度)和将近40个检测来自表面的镜面反射和漫反射光的传感器。

　　Lasercheck测量的表面可以是静止的或运动的。由三个主要的软件设置模式来操纵测量仪器。零件检测方式表示系统测量由上料系统依次提供的离散的零件。滚子或输送带检测表示一个大型连续的表面测量操作。实验室检测用于由操作员手动上料的零件。用户选择相应的软件模式和测量仪器的本身调整。

　　用Lasercheck测量表面，则表面必须干净。Optical Dimensins开发了清洁方法设备来配合测量仪器的应用。

　　Lasercheck测量仪所产生的数据可以表明如像磨削工序中所出现的变化。此数据反映砂轮加载时砂轮中的变化，并反映磨削过程中砂轮修整的影响。可超时监控和记录过程中的趋势。

　　激光三角测量法仍然是CyberOptics Corp.制造仪器的基本原理。该公司的Cyberscan Cobra3维轮廓仪可以收集在高度、长度、面积、体积、平均高度和表面粗糙度的3维数据。CyberOptics公司的激光传感器在50mm×50mm的是大测量面积中的分辨力精确至0.125μm。Cobra的传感器被固定在Y轴移动臂上。由一个3维半敞开平台将Cobra定位在目标物上方，而测量台提供X轴运动。

　　另一个产品，即Vantage检测系统，可以对152mm×152mm的面积进行3维扫描。它可以产生一个地形高度图，分辨力精确至0.125μm。测量范围为8000μm。其自动的X-Y工作台，由系统的计算机控制。该公司制作的3个或4个传感器可以与Vantage或Cobra3维系统一起使用。

　　Renishaw Inc.是接触式测量系统的优秀制造厂，它生产用于手动或直接数控的坐标测量机的激光检测系统。由Wolf&Beck制造的OTP64M光学触发式测头系统，允许坐标测量机的用户可以在其机床上添加非接触式检测功能。

　　该系统在Wolf & Beck测头上添加了Renishaw自动接合器，它还有一个OTI6接口。采用同轴光学三角测量，该测头系统包括一个Class2激光器并在激光光斑到达共焦点位置时产生一个触发信号。由于OTP6M模拟标准接触式触发测头的输出信号，不需专用软件就可使用该激光测头。

　　Erim International Inc.专门开发用于军事卫星上的感知系统(特殊的综合小孔雷达)。他们的Holo-Vision集团开发了一种称为Holo Mapper的激光装置，此装置利用了以产生工业测量系统为基础的知识。

　　该新系统可在几分钟内生成并记录零件的数字全息图。Holo Mapper工作同时用激光照射整个零件。Holo-Vision所用的摄象机具备一个1000×1000像系CCD阵列，因此系统可能在一个零件上收集1百万个数据点。利用专用软件，用户可以计算表面粗糙度、平面度和零件的二维度。此外，外零件上收集的数据可以与CAD模型进行比较，以评价综合的零件精度。测量一个典型的零件约需2min。测量后，用户几乎可以立即从数据中获得3维图像或轮廓。在Z方向，系统可以分辨出0.5μm。

　　在进入该新系统之前，零件必须清洗。HoloMapper会将遗留在零件上的油膜解释为高度偏差。零件必须在系统的激光下保持静止状态。可以采用自动插入零件，但Holo-Vision还没有设置这种操作。