CMM高速扫描测量新技术

　　“生产能力(throughput)”是制造商们关注的焦点：一个工件通过一道工序的速度有多快？一个工件在工厂里从始至终的整个制造过程又有多快？当然，工厂的生产能力基本上是与工序的通过能力联系在一起的。对于复杂、高价值工件的制造商来说，测量数据的采集常常成为瓶颈工序。例如，发动机缸体和喷气发动机涡轮叶片需要采集大量数据点，用于工艺控制和质量认证。   

　　在三坐标测量机(CMM)上采集工件数据的速度有可能相当缓慢，以致无法跟上CNC数控机床的加工节拍。当把测量数据用于车间的生产流程时，时间可能已经太迟，难以及时预防不合格零件的产生。总之，CMM低下的测量能力会拖工厂其它工序的后腿。   

　　发明了CMM和数控机床用触发式测头的英国测头制造商雷尼绍(Renishaw)公司已经开发出了在计算机控制的CMM上高速扫描测量复杂工件的新技术。据该公司介绍，这项技术对于提高CMM测量能力的贡献可与三十多年前发明触发式测头的成就相媲美。CMM的扫描速度可高达每秒钟500mm，比传统的扫描速度快50倍。   

　　高速扫描改变了CMM的测量现状，大大缩短了测量时间，同时还增加了CMM能够采集的数据点数量。在更短的时间内采集更多的数据将使制造商能够测量更多的结构形貌，检测更多的工件，满足更严格的工件技术要求，以及对加工工序实施更严格的控制。   

　　许多制造喷气发动机、商用飞机和野外施工设备的公司已经期待采用该技术来改善他们的生产策略，并最终提高CNC数控机床和其它加工设备的整体生产能力。   

　　 CMM扫描测量现状    利用扫描测量功能，CMM能够采集到比用触发式测头进行点到点移动测量多得多的数据点。扫描时，测头的探针始终与工件表面保持接触，测头探针不断变化的位置按规定的间隔被记录下来，从而获得一系列数据点。通过这些增加的数据点，可以产生比采用点到点触测方式更为完整的工件特征的数字化表达。例如，通过扫描测量可以获得模具型腔内轮廓表面的不规则形状或叶轮转子叶片的复杂曲面。同样，也可以确定精密孔在全孔长上的圆度和直线度。   

　　但是，在CMM上进行扫描测量面临着一些会影响测量速度的限制因素。大多数CMM都设计为三轴运动方式，当这种结构的测量机以较高的加速度进行加速和减速运动时，其质量产生的惯性会引起动态误差。为了避免这种由惯性引起的误差，必须对扫描速度加以限制(大多数扫描速度局限在5～15mms之间)。同样地，三轴运动方式还会限制测头探针的机动性，可能使其无法到达某些工件表面(如叶轮转子的内表面)。    为了大幅度提高CMM的扫描速度水平，克服上述局限性以及许多其它困难是雷尼绍公司必须面对的挑战，他们必须开发并集成多种创新技术，包括五轴测量机控制系统、可作独立旋转和回转运动的测头、具有内置激光位置传感器的探针、可供终端用户和OEM设备制造商实现高速五轴扫描测量的开放式软件界面等。雷尼绍公司称，该技术是公司历史上最复杂、耗时最长的研发项目，从开始研究到产品上市前后历时11年多。   

　　多项创新技术的集成    两轴Revo测头是这项新技术最显著的特点之一。该测头由内置的直驱式无刷电机驱动，可像手腕关节那样作旋转和回转运动，与五轴铣床上旋转铣头的运动方式非常相似，事实上，这种两轴测头在大多数情况下都是以五轴扫描模式进行测量操作。   

　　Revo测头具有以下主要特点：   

　　(1)无限制定位能力。该测头可绕垂直轴作360°旋转和绕水平轴作125°回转，这种全方位运动能力使探针能够触测到那些其它测头难以接近的工件特征，探针也不需要复杂的结构。该测头可以连续转动测量而无需返回零位。   

　　(2)质量轻巧。由于测头本身能够提供大部分扫描运动，因此质量较笨重的CMM直线运动轴就无需移动太长距离或作快速移动，这就大大降低了扫描过程中产生的惯性，从而减小了惯性误差。   

　　(3)高分辨率圆编码器。圆编码器的分辨率达到0.08弧秒。这些高分辨率的圆编码器使测头运动的定位精度极高。   

　　为了驱动旋转测头并使其与CMM的直线运动保持同步，开发了名为Renscan5的五轴控制系统。该软件中包括了误差映射程序，可对几何形状误差、温度误差和测量机的动态误差进行补偿。   

　　Renscan5驱动系统具有以下主要功能：   

　　(1)可使CMM在测量过程中保持匀速运动，从而消除因高加速和高减速运动引起的动态误差。   

　　(2)可驱动测头和探针进行飞行式(on-the-fly)重新定位，以减少将测头从一个工件特征移动到另一个工件特征的“非测量”时间，从而有助于缩短测量周期。由于测头可以连续转动测量，重新定位可通过可能的最短路径快速完成。   

　　(3)软件的数据处理速度为每秒2000点。测头实际上能以每秒6000点的速度采集数据，并可将其余的数据存储起来进行离线处理。   

　　为该系统开发的探针在结构设计上与以往的探针不同，探针杆是一根中空管，从测头本体中发出的一束激光通过空心管道投射到位于探针头的反射镜上，反射光束返回测头本体中的“位置传感检测器”，即可精确检测探针头的位置。与要求具有极高刚性的传统测头探针不同，这种中空管探针杆被设计为可以弯曲，因此可使反射回来的激光束发生偏转。激光光斑在传感器上的移动被转换为结合了有关测头及探针几何形状信息的测量输出以及每一个CMM坐标轴的读数，这样就可以生成探针头的准确位置。   

　　这种探针的设计具有以下主要优点：   

　　(1)由于激光束不受重力、惯性或温度的影响，因此可获得很高的测量速度和测量精度。   

　　(2)质量轻巧，与测头的轻质特性相互匹配。   

　　(3)距回转轴250mm处的测量精度可达1μm。   

　　(4)为扩大探测范围，探针可加长至500mm。   

　　(5)测头在一个位置校准，且在重新定位后无需重新校准。   

　　最后，为五轴扫描测量系统而开发的开放式界面也值得关注。该界面符合I++DME标准化协议，允许用CMM编程软件编写的测量路径驱动任何符合协议的CMM。事实上，Renishaw的五轴控制器可以联接到任何CMM上，从而可使现有的CMM很容易升级到五轴扫描测量功能。    创新测量技术的发展前景    Renishaw公司指出，制造商们对在CMM上进行高速五轴扫描测量表示出了极大的兴趣。这种兴趣已远远超出了突破工件检测工序瓶颈这一显而易见的前景。   

　　今后，一些具有创新性的测量技术(如曲面扫描、锯齿状边缘测量等)完全可能实现。锯齿状边缘测量对于喷气发动机涡轮叶片的加工制造显得尤为重要，因为采用常规测量技术很难检测此类叶片边缘。汽车发动机缸体孔内径的螺旋扫描测量将不仅能够提高检测速度，而且还能采集到更多的数据点，以便对缸孔的圆柱度及其它形位特征进行更有效的监测。   

　　今后，100％全数检测将扩展应用于更多的工件。目前这种需求在航空零件的加工中正日益增多。制造商仅仅通过简单地增加抽检样品的数量，就能在产品质量控制上获得很大的回报。例如，一个汽车传动箱制造商希望将抽检频率从每班检测3个传动箱增加到每小时检测3个传动箱，这样可以大幅度降低工件的加工误差。   

　　在某些情况下，通过更好和更快的监测控制，能达到提高加工用量的效果，因为有效的测量监控可以减小采用大用量加工所带来的风险。   

　　此外，随着制造商不断探索如何提高CMM的扫描测量能力，其加工制造策略也在发生更彻底的变化。显而易见，对CMM测量能力的限制同时也是对如何制造高价值复杂工件的大胆想象空间的限制。

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