快速而精確的激光測量技術(shù)

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

談到計量和檢測，很少有設備有現代激光系統那樣的萬(wàn)能件�？焖�、非接觸式的激光技術(shù)可以在零件上測量許多點(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，顯示出由激光測量系統可以達到的獨特性能的種類(lèi)。由該公司設計的系統，是以一個(gè)精密干涉儀的5或6維傳感器為基礎用來(lái)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(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(xiàn)性位移測量，第二個(gè)分光束進(jìn)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(gè)分光束通過(guò)一個(gè)光學(xué)結構，測量偏轉和仰俯。由一個(gè)集成的微分激光系統來(lái)測量轉動(dòng)角偏差。

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

API的Mike Glossinger說(shuō)，“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(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Y軸進(jìn)行測量。利用從X和Y軸上取得的不直度數據，測量器上的專(zhuān)利軟件可以確定每個(gè)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(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(xiàn)度誤差和三個(gè)角度誤差（轉動(dòng)、俯仰、偏轉）。此外，機床三個(gè)相互垂直的平面生成的正方度誤差。
通過(guò)三次安裝和三次測量操作，系統可以確定機床上17個(gè)軸誤差和兩個(gè)正方度誤差。API現有的轉動(dòng)傳感器不能測量垂直軸的轉動(dòng)。在5次安裝和操作中，系統可以確定21個(gè)可能誤差中的20個(gè)。

Glossinger說(shuō)，“我們可以在約4-5小時(shí)內對一臺機床進(jìn)行完整的分析�！彼�相信，由像API的5或6維系統收集的數據，為機床制造廠(chǎng)提供達到新的精度水準的機會(huì )�！白罱K，機床制造廠(chǎng)在補償方面要做的事情將比只在純直線(xiàn)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，但是留給他們的恰好是無(wú)法修正的小誤差�，F在，通過(guò)某些補償，我們可以把機床做得更好（更確切地說(shuō)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過(guò)程中證實(shí)了激光的測量方法的速度和精度。這些系統將激光光束對準一個(gè)旋轉的反射鏡。當反射鏡自轉時(shí)，激光束射向一個(gè)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(shuō)，“一些制造廠(chǎng)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(cháng)。有些He—Ne管其使用壽命超過(guò)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�往作為較大型系統的一個(gè)組成部分加以使用。Schauer觀(guān)察到，“有一半以上激光器是深藏在某些講師儀器的過(guò)程控制部分中�！碑斀竦募す馇Х殖哌�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(xiàn)測量時(shí)，用戶(hù)仍然要注意零件的清潔度和粗糙度。Schauer警告說(shuō)：“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(guān)鍵。任何微量?jì)A斜都將引起錯誤的讀數。任何粘在零件上的東西均可能影響測量結果�！�

他不同意激光的測量比機械式或機電式測量要貴的觀(guān)點(diǎn)�！叭绻�說(shuō)到用機械系統測量撥絲模之間的絲流，則必須制造某各軋輥系統，而這種系統并不便宜。對于激光系統，如果產(chǎn)品是圓的，您可能采用一個(gè)X—Y調整。每個(gè)送接裝置現價(jià)約為5000美元，而顯示箱的運轉費約為2500美元。對于一個(gè)不需要很多夾緊調整和維護的過(guò)程系統，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�？紤]到這些加工所制作的產(chǎn)品具備較高的價(jià)值，那么激光測量系統的成本便顯得微不足道。

據Schauer稱(chēng)，“將來(lái)，特別是在高速加工中，會(huì )提供越來(lái)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(gè)人仍然是目標。而Optodyne Inc.相信它的新MCV—500激光校準系統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CNC機床、坐標測量機、滾珠絲杠和DRO進(jìn)行內部線(xiàn)性校正。系統包括兩個(gè)可對準的元件，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，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床上，無(wú)須在地面安裝三腳架。

提供收集4m/s的運行速度，系統使用支持Windows軟件來(lái)進(jìn)行數據采集和分析。尺寸為51mm×51mm×216mm的激光頭，特點(diǎn)是優(yōu)于0.1ppm的穩定性檢查，精度為1.0ppm（百萬(wàn)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(hù)完成一系列功能：校驗直線(xiàn)位置精度；測量伺服失配；測量切線(xiàn)速度；測量反向誤差；生成用于補償文件的數據；測量切線(xiàn)速度；產(chǎn)生伺服控制器調諧用數據允許從2.54mm至76mm連續變化半徑。該系統的分辨力為0.0000254mm，可以以4m/s的速度進(jìn)行測量。利用該激光桿，該主軸運動(dòng)的X軸坐標甚至可測量與其一般大的Y向運動(dòng)，結合X和Y軸坐標數據，可以生成主軸的被測量的圓軌跡曲線(xiàn)圖。

除了這些設備外，Optodyne將提供測量三軸機床上所有21個(gè)可能位置誤差的系統。Optodyne公司的總裁Charles Wang說(shuō)，“我們稱(chēng)這種技術(shù)為Vector Measue-ment（矢量測量）。通過(guò)四次安裝，可在2h-4h的時(shí)間內測出所有21個(gè)誤差�！彼�相信，這種新系統綜合了好幾種儀器的功能。

在測量機床誤差時(shí)。Wang說(shuō)，“常規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(gè)球桿來(lái)檢查動(dòng)態(tài)性。我們現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(gè)激光器進(jìn)行球桿測量。一臺儀器就可以完成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度測量�！�

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

Optical Dimensions Inc.公司的總裁兼總經(jīng)理J.Glenn Valliant稱(chēng)，該測量?jì)x器設備可測量一個(gè)表面的鏡面反射和漫反射�！爱敱砻娲植诙雀淖儠r(shí)，來(lái)自表面的分布變化完全可以確定�？梢愿鶕�鏡面反射和漫反射的分布來(lái)計算表面粗糙度�！碑斍蔼毩⒌腖asercheck系統的安裝價(jià)格約25000美元，包括一個(gè)激光器（調整關(guān)鍵的照明角度）和將近40個(gè)檢測來(lái)自表面的鏡面反射和漫反射光的傳感器。

Valliant說(shuō)：“激光接通時(shí)間大約為30ms，在這段時(shí)間內，儀器記錄來(lái)自劣于它的表面的各種反射�！比缓髮�(zhuān)用算法利用為計算表面粗糙度采集到的數據。他解釋道：“一般地，筆式表面粗糙度儀掃描長(cháng)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(cháng)約5mm-6mm，寬約1mm�！�

Lasercheck測量的表面可以是靜止的或運動(dòng)的。他說(shuō)：“我們獲得了接近607m/min的過(guò)程，而這種設備不需照管�！庇扇齻�(gè)主要的軟件設置模式來(lái)操縱測量?jì)x器。零件檢測方式表示系統測量由上料系統依次提供的離散的零件。滾子或輸送帶檢測表示一個(gè)大型連續的表面測量操作。實(shí)驗室檢測用于由操作員手動(dòng)上料的零件。用戶(hù)選擇相應的軟件模式和測量?jì)x器的本身調整。

用Lasercheck測量表面，則表面必須干凈。Optical Dimensins開(kāi)發(fā)了清潔方法設備來(lái)配合測量?jì)x器的應用。Valliant說(shuō)：“我們在零件上有很多的工藝時(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量適當地清潔表面所必需的設備和附件�！�

Lasercheck測量?jì)x所產(chǎn)生的數據可以表明如像磨削工序中所出現的變化。此數據反映砂輪加載時(shí)砂輪中的變化，并反映磨削過(guò)程中砂輪修整的影響�？沙瑫r(shí)監控和記錄過(guò)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(shuō)：“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據。如果激光射到表面的點(diǎn)在Z方向發(fā)生變化，則反射光射到檢測器的部位也會(huì )發(fā)生變化。使用三角測量法，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(cháng)度、面積、體積、平均高度和表面粗糙度的3維數據。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(dòng)臂上。由一個(gè)3維半敞開(kāi)平臺將Cobra定位在目標物上方，而測量臺提供X軸運動(dòng)。

另一個(gè)產(chǎn)品，即Vantage檢測系統，可以對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。測量范圍為8000μm。其自動(dòng)的X—Y工作臺，由系統的計算機控制，給操作者一個(gè)為他們想測量的樣呂的編程面積的機會(huì )。該公司制作的3個(gè)或4個(gè)傳感器可以與Vantage或Cobra3維系統一起使用。

激光測量系統必須克服的一大障礙是光斑尺寸。Batten說(shuō)：“激光光束的光斑尺寸在很大程度上決定著(zhù)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(huà)，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)現隨著(zhù)時(shí)間的流逝，激光系統變得越來(lái)越有價(jià)格競爭力�！凹す饧夹g(shù)的研究是一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域。

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

Renishaw Inc.是接觸式測量系統的優(yōu)秀制造廠(chǎng)，它生產(chǎn)用于手動(dòng)或直接數控的坐標測量機的激光檢測系統。由Wolf & Beck制造的OTP64M光學(xué)觸發(fā)式測頭系統，允許坐標測量機的用戶(hù)可以在其機床上添加非接觸式檢測功能。

Renishaw的Denis Zayia說(shuō)：“我們在Wolf & Beck測頭上添加了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頭，都可以在PH6M和PH10自動(dòng)頭上連接上系統�！辈捎猛�軸光學(xué)三角測量，該測頭系統包括一個(gè)Class2激光器并在激光光斑到達共焦點(diǎn)位置時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(zhuān)用軟件就可使用該激光測頭。

Zayia解釋說(shuō)：“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(shí)那是一個(gè)實(shí)在的方法�！边�還看到激光測量系統的價(jià)格有顯著(zhù)降低�！叭绻�您注意到我們的Wolf & Beck系統，其中包括測頭、接口和各種附件，其價(jià)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(jià)格已下降，而且還會(huì )進(jìn)一步降價(jià)�！�

將來(lái)，激光測量能替代接觸測量嗎？Zayia主意到：“機械式測量將占統治地位，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(lèi)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(chē)身的機床上采用激光，且它撞入了零件當中，則激光會(huì )中斷。我認為激光的固定比較昂貴�！�

Erim International Inc.專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)用于軍事衛星上的感知系統（特殊的綜合小孔雷達）。他們的Holo-Vision集團開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為Holo Mapper的激光裝置，此裝置利用了以產(chǎn)生工業(yè)測量系統為基礎的知識。
Holo-Vision集團的總經(jīng)理Joseph C. Marron說(shuō)，新系統可在幾分鐘內生成并記錄零件的數字全息圖。Holo Mapper工作同時(shí)用激光照射整個(gè)零件�！拔覀儗⒓す馐�分成一個(gè)目標光束和一個(gè)參考光束，然后記錄由射到CCD攝象機上生成的全息圖。用計數法譯碼的全息圖進(jìn)到能夠形成圖象的計算機。我們的智能特點(diǎn)是代碼或數字信號處理，它允許我們取得全息圖信息并將其轉換為3維圖像�！�

Holo-Vision所用的攝象機具備一個(gè)1000×1000像系CCD陣列，因此系統可能在一個(gè)零件上收集1百萬(wàn)個(gè)數據點(diǎn)。利用專(zhuān)用軟件，用戶(hù)可以計算表面粗糙度、平面度和零件的二維度。此外，外零件上收集的數據可以與CAD模型進(jìn)行比較，以評價(jià)綜合的零件精度。測量一個(gè)典型的零件約需2min。測量后，用戶(hù)幾乎可以立即從數據中獲得3維圖像或輪廓。Marron解釋說(shuō)：“對于輪廓，用戶(hù)按鼠標左鍵，擊右鍵以確定輪廓極限。另外，我們也可以沿著(zhù)圓弧劃曲線(xiàn)，也可以對某個(gè)零件進(jìn)行數字式平面化或以數字方式記錄革個(gè)零件�！�

在Z方向，系統可以分辨出0.5μm。Marron說(shuō)：“我們有些用戶(hù)想讓我們降低該數字，而我們也正征那個(gè)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(lái)，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(shí)，HoloMapper的X—Y像素尺寸為0.178mm×0.178mm。

Marron說(shuō)：“如果某人要測量像孔位置一類(lèi)的特征，在CCD陣列上，我們得到許多超過(guò)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(lèi)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(guò)采用3維眼鏡，觀(guān)察者可以獲得從屏幕上豎起的圖像，這樣可以提高視覺(jué)判斷。

在進(jìn)入該新系統之前，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。零件必須在系統的激光下保持靜止狀態(tài)�？梢圆捎米詣�(dòng)插入零件，但Holo-Vision還沒(méi)有設置這種操作�，F在，新系統的10個(gè)被宣布在?現場(chǎng)測試。

Morran看到HoloMapper在某些領(lǐng)域與坐標測量機競爭�！拔覀兊挠脩�(hù)在使用坐標測量機時(shí)所遇到的問(wèn)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內對一個(gè)樣件采集1百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的能力�！芭嘤柲橙耸褂米钚翲oloMapper的版本，它被安裝在一個(gè)NEMA12外殼內，約需要4h。