用復雜精密的探測技術滿足微加工零件的測量需求
時間:2011-02-27 10:22:21 來源:
在理想狀況下，采用光學或其它非接觸式檢測技術來測量復雜的微加工零件或許是最佳方式，但這往往卻并不容易實現。光學測量系統的優點是測量速度快、不會引起零件變形，但其也有一定局限性，如工件的可見邊緣往往無法反映其后被遮擋部分的情況。此外，光學測量系統通常不能確定諸如平行度、垂直度、圓柱度、平面度等三維形狀位置精度。
然而，將幾種傳感技術的優勢結合在一起而構建一個單一測量系統，就可以在一次安裝中對復雜零件的所有關鍵參數進行測量。這些多傳感器測量系統通常包含有非接觸式傳感器——視頻、白光和，或激光測頭——用于工件表面和邊界的測量，觸發式和掃描測頭則可以測量非接觸探測裝置不能到達的位置，如深的階梯孔。
探測微尺度
傳統的測量技術(如坐標測量機的觸發式測頭)正在不斷改進以適應變化的需求。如今的傳感器具有不同的觸發測力、不同長度的測桿以及不同尺寸和材料的探針等。但是，當尺度變得更小時，就存在一個物理極限，測頭的尺寸再小就難以保證可靠的觸發。例如，細的探針在觸發前可能會彎曲變形，導致對工件表面位置的錯誤指示：或者長的探針可能會發生“震顫” (觸碰孔或槽的邊緣)而發訊采樣，而實際上測尖并未接觸到被測位置的孔壁。由于制造技術的進步和采用放電加工(EDM)，人們已經能夠制造出許多微型結構 (如微型孔、口)，但這些微結構很難測量。在某些情況下，觸發式測頭的測尖大小或探針長度可能會使觸發測量變得完全不可能。在測量小的溝槽、小孔或孔口斜度時，采用觸發式測量技術可能并不合適，因為常規測頭必須偏斜一定位置后才能發訊采樣。
在機加工中，測頭的使用方式通常可分成兩種，第一種測頭是作為附件加裝在原有的機床上，也稱為主軸安裝測頭：第二種測頭則是完全設置在機床內，稱為集成式測頭。后者能夠折疊收回，因此不會妨礙工具系統工作，也不需要更換機構。機床集成式測頭工作可靠，使用方便，還減少了如處理電纜線、抗電磁干擾和提供電源等諸多麻煩。
一臺傳統機床安裝集成測頭后，就成為了一臺能感知和反映其環境狀態的機床。在加工零件尺寸越來越小、種類越來越多的今天，具備這種功能的機床是很有價值的。
圖1 集成在機床中的測頭在不使用時可以折疊收回
圖2 裝有雷尼紹TP20 測頭的Datron 機床可用于在圓形工件上實現恒定切深加工
與控制器進行通訊
先進的探測技術是與機床的控制器和軟件集成在一起的。例如，Datron Dynamics公司作為一個高速CNC銑床和雕刻機制造商，已成功開發出第三代集成式探測系統。它首先進行檢測以確保工件正確定位，然后掃描和識別工件，以選擇適當的加工程序。該公司總裁Walter Schnecker博士說，“即使操作者誤裝了其它工件，機床仍能生產出合格的產品，因為測頭通過掃描確定了該工件應該采用的正確加工程序。那些經常變更加工工件的中小車間認識到，由于機床具有自動檢測工件裝夾精度的功能，因此可以減少變更工件所花費的時間，縮短加工周期。”
安裝在 Datron機床上的Z校正測頭能夠識別工件上的不規則表面形貌，這些不規則形貌可能是偶然因素造成的，也可能是特意設計的，測頭能協助機床進行動態補償。測頭沿毛坯表面進行測量，并將數據輸入機床控制器，控制器則針對不平的毛坯表面或工件位置自動進行調整，從而減少了工件毛坯的安裝調試時間，降低了廢品率。
Z校正測頭永久性地安裝在靠近主軸處，僅在需要時才由氣動驅動伸出。由于采用了集成設計，因此無需更換，沒有可能妨礙加工的電纜線，測量裝置也不會因主軸突然啟動而損壞。
當進行三維檢測時，Z校正測頭可以在XYZ坐標系中確定工件的位置和材料表面的不規則形貌，找出孔和凸臺的中心位置，在加工前預先測量毛坯，補償加工余量的變化，將數據輸入ISO 9000信息鏈進行質量控制，并允許多種零件的反求工程制造。
裝有雷尼紹TP20測頭的Datron加工機床能用于測量復雜零件和其特征參數。如在圓形表面上雕刻標識"通常需要通過三維編程以實現表面深度變化的加工和保證相等的雕刻深度。而用TP20測頭掃描工件表面后"對于表面的不規則變化，加工數據庫能自動進行處理而無需三維編程。TP20是一種六向運動觸發式測頭系統，使用它能縮短加工周期。
輕微接觸式測量
蔡司公司的F25 測量機采用一個與光學測量系統組合在一起的接觸式測量系統，該系統有3個傳感器——2個用于測量，1個用于輔助操作。一個基于壓電薄膜的全掃描接觸式傳感器既能用于點接觸測量，也能用于全掃描測量。該公司負責精密測量機的新產品經理Gerrit deGlee指出，測頭探針的直徑可以小至Ø0.12mm，觸測力僅為通常坐標測量機觸測力的1/100。“這非常重要，因為工件夾緊力可以更小。微型工件在夾持時容易變形，因此必須非常小心地夾持工件，以便能順利完成測量，同時又不引起工件變形。”
F25測量機的光學測量系統安裝在接觸式傳感器旁邊，它既可以單獨使用，也可與接觸式傳感器組合使用。該系統有一個環形光源，光強和照明方向可編程控制，以減少不需要的陰影。
在測量非常小的工件或微形貌時，操作者很難觀察操作。例如，F25測量機的Ø0.12mm探針頭不經過放大是不可能看清的。因此測量機上配有一個光學系統，它將接觸式測頭的測量區域放大后在監控器屏幕上顯示出來，以便操作者編寫程序。光學檢測系統可將測量結果直接顯示在測量軟件屏幕上。
F25 測量機不是一種車間用儀器，它的精度很高，但不具備對車間環境下溫度影響的控制功能。該儀器的測量不確定度小于250nm，在如此高的精度下，溫度對測量的影響將會很大。儀器采用了具有良好熱穩定性的玻璃陶瓷基準尺。這種玻璃陶瓷材料最初是為天文望遠鏡開發的，可以避免基準尺熱膨脹系數對測量不確定度的影響，而且基準尺本身也不再需要溫度傳感器。
非接觸式測頭
美國 OGP公司推出的Smartscope多傳感器測量系統采用了一種觸測時探針無需彎曲的微觸測技術。這種稱為“羽毛測頭”的技術采用一個處于恒定微運動狀態的微型測頭。該測頭的探針非常細，探針端部的測尖直徑僅為Ø0.125mm。當測尖接近被測工件時，工件表面引起測尖微運動的變化，該變化被記錄下來作為測量信號。這種測頭觸測時不會發生彎曲變形，觸測力小于1mg。OGP公司稱，“羽毛測頭”適合測量小的溝槽、孔或孔口斜度，也能用于測量柔軟或易變形的工件。它可用于XYZ軸的測量。
為防止受損，測頭在不使用時縮回一個保護罩內，在需要進行自動測量時才伸出。
OGP 公司的另一種表面非接觸測量傳感器是稱為“彩虹測頭”的白光傳感器，它在側向和高度方向都具有極高的分辨力，Z軸上的分辨力可達到亞微米級。該項技術采用了在一組鏡片中的擴展軸向色散原理，白光的每一個波長聚焦在光軸的不同點上。由于采用了色譜分析，“彩虹測頭”對被測表面的反射度和粗糙度的變化不敏感。當用于多傳感器測量系統時，該測頭能沿著幾乎任何形狀的工件表面輪廓，對高頻表面的微細形貌進行非接觸掃描測量。通過鄰區掃描可以創建工件表面的區域拓撲圖。
多傳感器系統的集成
對于具有復雜幾何形狀和自由輪廓的工件，其孔或特征點的公差裕度很小，工件上許多特征點的相互位置關系非常重要，需要采用多傳感器測量系統進行檢測。多傳感器測量機可以采用專用傳感器對工件的特殊形貌進行測量，將其作為工件整體特征的一部分。
在多傳感器測量系統中，傳感器的軟件集成是一項重要的開發內容。好的集成軟件包可以對在用的所有傳感器進行標定，使這些傳感器在測量路徑中的任何一點都能使用：而差的集成軟件包則需要對每一個傳感器在每一次使用前都進行標定。此外，好的集成軟件包可以對任意一個傳感器的測量數據進行處理和分析，這樣就可以方便地處理在一次測量過程中所獲得的視頻邊緣點數據、激光點云數據和接觸式掃描測頭的測量數據。
OGP公司總裁FredMason指出，“與專用微測量系統相比，帶微測頭的大量程多傳感器測量系統的突出優勢是能將整個工件的微觀形貌測量數據與宏觀形貌尺寸及位置數據包括在同一個數據文件中”。一個既具有傳統視頻測量系統的大量程，又具有微測頭的高分辨力的測量系統能夠對一個工件上的關鍵微觀特征或某一個關鍵參數進行測量。
微傳感器可以應用于幾乎任何大小的多傳感器測量系統中。對于視頻測量系統，主要考慮應保證儀器在整個測量范圍內具有必要的、高分辨力的定位能力，以獲得工件特定部位的高倍放大圖像。只有在測量系統具有很高精度的情況下，微測頭才能達到最高的測量精度。只有將視頻圖像測量與微測頭測量組合在同一測量過程中，才能獲得完整的工件特征，同時將人為因素的影響降至最低。