如何利用高性能扫描系统重现工件的真实形状

　　　　　　

利用高性能扫描系统重现工件的真实形状

扫描是自动采集大量点的数据以精确定义工件形状的方法。

　　对于大量尺寸数据进行采集和分析是实现制造过程控制最为有效的途径。通过对采集信息的分析，可指明超差情况并可进行相应调整以提高工件的加工质量。

　　精确地采集足够的尺寸信息以完成有效的过程控制在许多情况下是一项挑战，对于复杂曲面外形更是如此。今天，测量机可自动测量工件的空间形状，通过利用这些信息与测量机CAD系统相联，可充分体察整个制造过程。这种测量机称为扫描测量机。扫描是自动采集大量点的数据以精确定义工件形状的有效方法。

　　通过先进的计量软件，如Brown & Sharpe主流的测量软件PC-DMIS，可最大限度地发挥扫描的作用，通过其独特的直接接口提供了与主要CAD系统的直接连接，避免由于格式转换而产生的偏差和失真，并具备完善的数据分析和报告功能。为在实际过程控制中充分发挥其效用，先将关于扫描技术的基本知识介绍给大家。

　　连续扫描加快了数据采集的速度

　　传统的测量机配备有触发式测头，利用密集点扫描的方法记录工件表面点的数据。在密集点扫描的情况下，测量机从工件表面抬起测头，并使其向前轻移，并在采集下一次点时降低测座。这种密集采点的过程比较慢并且不能有效地测量形状。

　　模拟测头进行连续扫描，可沿工件表面运动，发送连续的点数据到系统计算机，避免了点到点探测进行运动而造成的时间损失，可有效解决上述问题。根据工件的几何形状是否已确定，测量机使用两种不同类型的连续扫描方法。

　　开环扫描是用来高速测量理论上已知或已确定形状工件的方法，其几何量是由一些曲线和曲面所构成，并允许探测接触到工件表面。机器的运动是由记录在测量机工件检测程序的工件名义几何数据所确定的，通过连续扫描，记录下实际曲面和名义数据的偏差。箱体类工件和几何特征，如孔、平面和圆柱，能够在几秒中完成扫描，重复性和精度高，并能完整地描述其几何形状，产生对尺寸、位置和形状的描述。获取大量点的数据能够保证高重复性的获取尺寸、形状和位置信息。一般来说，产生的点越多，结果的重复性越好。

　　闭环扫描是高精度的扫描技术，在对未知的、回转形工件的测量时非常有用，可有效地进行模具：包括复杂的、非常小和/或三维曲面的任意工件的数字化，如叶片、齿轮、凸轮和转子是进行闭环扫描的理想选择。模拟扫描测头探测工件在曲面方向上的变化，并相应进行调整以保持与工件表面的接触以完成整个测量过程。

测头是精确扫描的重要因素

　　模拟测头可作为小型、精确的辅助性三坐标测量机，其读数可作为测量机的补充。在扫描过程中，测杆始终接触工件表面，测量机控制系统保证了以恒定的探测力进行触测。该力进行三轴空间偏转，高分辨率电子传感器记录下位移。尺寸数据不断自光栅和模拟测头的传感器被读取并送到软件进行分析。

　　　　　　　　　　　　　

　　当工件表面的特性不适应于直接接触式测量时，非接触数据采集测头能够解决这一问题 (如图)。这种光学测头将一个光源和电子成像探测器整合在一起，通常利用三角法进行工作。光源发出一束精确的激光或红外线光束，当这个光速射到工件表面时，形成点的图象。扩散的光束聚焦成为光电排列。任何的曲面偏差反映成阵列上点的图象位置变化。

　　一些非接触测头整合有结构性光源，并形成光平面。当这个光平面与工件相交，光线沿工件轮廓表面形成。该光线通过图象传感器识别，并转化成为数字化图象。距离的测量也可进行，基于该光线 工件表面的形状和位置。结构化光传感器能够同时利用三角法计算沿线数以百计的XYZ坐标。

　　非接触测头相对于模拟测头扫描速度更快，但在测量工件特征方面有局限。工件特征可测性方面的局限使得经常需要进行测头的重新定位，这样就降低了系统的工作效率。

　　非接触测可与模拟扫描测头配合工作，从而扩展了测量机的应用领域，并完成包括钟表零件、塑料件和小齿轮在内的细小复杂工件的测量。

测量机的整机设计是取得高速连续扫描的关键

　　测量机的整机设计是取得高速连续扫描操作的关键。其机械本体和控制系统、驱动和气浮系统需要相互适应并发挥最大效用。例如，机械本体需提供高重复性所需要的刚性。
　　控制系统也是一个关键所在，因为控制系统关联着机械本体、扫描测头、驱动系统和数据的采集与计算机分析。曲面形状的变化需要尽快识别，从而可精确地跟踪扫描路径。控制系统反应的速度和精度，即使是最小的变化，决定了测量机的效率。同时，需要采用快速、并行的数据传输，以保证测量分析不会滞后。
　　许多因素可决定一台扫描测量机的实际测量速度，包括加速度、最大速度、探测速度、探测方法(开环或闭环)，以及测量机软件的计算能力。

　　由于对形状的测量需要大量的数据，在许多其他的测量软件中一些特殊的扫描功能并不具备。如其过滤功能允许扫描软件能够从完工表面形状的轻微变化中进行识别，如叶片的粗糙部分。过滤器同时还可减少振动所引起的变化。

　　另一特殊的功能是测头半径的修正，也称为平行曲线校准。在扫描应用中，数据需要采用平行曲线功能利用测杆半径进行转换，从而获得工件曲面的真实表示。在分析过程中，利用平行曲线功能来消除扫描点与名义点之间的差异，从而计算出与名义点之间的偏差。

　　测量结果需要被展示以帮助轻易识别可能的工件问题，发现问题所在并在过程中采取适当的行动。“制造中”和“设计中”的结果比较能够以各种图形格式进行显示，从而可快速理解和帮助探测到在制造过程中所引发的错误。偏差以彩色编码进行绘制，同时在扫描曲面上具有名义偏差带。(如图)

　　 零件的编程和编辑必须是互动的，并充分利用CAD图形的优势。先进的扫描软件包允许三维工件几何量表示能够导入到测量程序中，自动从CAD模型上提取名义值和曲面的算术矢量。通过点击被扫描工件表面的区域和轮廓，系统可自动完成对区域和轮廓的扫描，并为采集数据进行报告。

　　最为先进的扫描软件包括有一系列特殊应用软件包，能够简化和优化各种复杂工件几何量的测量与分析。如为检测机翼和涡轮叶片、螺旋压缩机转子、凸轮、直齿和斜齿的专用模块。

　　随着测量效率的大幅提升，使得扫描测量机不仅能够完成计量应用，同时还可进行生产过程控制。这一新的系统，将计量室级别的精度与重复性和高速数据采集与更好的环境适应性结合在一起。

　　三维扫描头被固定在机器的Z轴上，可适配各种不同的测杆，从而完成各种复杂几何特征和形状的测量，而不需要进行测头的重新校准。自动测杆更换库允许快速测杆更换，提高了系统的操作灵活性。

扫描测量机的应用

　　连续扫描测量机可用在许多场合，它们可用来测量、数字化和检测完工产品、机械组件和形式繁多的各种基础工业产品，包括了汽车、航空航天、工程和农用机械、机床、国防、家电、计算机和电子、医疗设备和半导体领域。

　　逆向工程，一种利用样件实施再造的方法，有赖于扫描测量机采集样件的表面点。测量机软件所具备的便于使用的逆向工程功能，可直接从样件扫描数据文件中直接产生CAD/CAM数据。测量机所采集的表面点的数据能够直接导入到CAD工作站，从而产生零件几何形状的数字化表示。

　　连续扫描技术为制造商提供了一种崭新的方法，在谋求利用尺寸数据提高制造流程和整体质量水平上取得了新的突破。

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