快速而精确的激光测量技术

　　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，很少有设备有现代激光系统那样的万能件。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或6维激光系统，显示出由激光测量系统可以达到的独特性能的种类。由该公司设计的系统，是以一个精密干涉仪的5或6维传感器为基础用来测量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上（如X轴）安装6维激光器，可同时测量所有的六个坐标轴的误差。

API的Mike Glossinger说，“如果您是在普通机床上测量，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，机床三个相互垂直的平面生成的正方度误差。
通过三次安装和三次测量操作，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。

Glossinger说，“我们可以在约4-5小时内对一台机床进行完整的分析。”他相信，由像API的5或6维系统收集的数据，为机床制造厂提供达到新的精度水准的机会。“最终，机床制造厂在补偿方面要做的事情将比只在纯直线度方面要做的事情要多。在当今，他们试图用很好的机械方法制造系统，但是留给他们的恰好是无法修正的小误差。现在，通过某些补偿，我们可以把机床做得更好（更确切地说是性能价格比）。”
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1mm~51mm的工件，其精度约为±0.0030mm，重复精度约为±0.00013mm。

MTI的Dale Schauer说，“一些制造厂采用He—Ne管作为激光光源，但我们却采用二极管，因为其使用寿命更长。有些He—Ne管其使用寿命超过600h，但采用激光二极管，有时候，其寿命竟超出7000h。”激光千分尺往往作为较大型系统的一个组成部分加以使用。Schauer观察到，“有一半以上激光器是深藏在某些讲师仪器的过程控制部分中。”当今的激光千分尺还具备增强的功能度。“与旧装置相比，它们具备更多的编程控制能力以及更快的输出能力。”

在线测量时，用户仍然要注意零件的清洁度和粗糙度。Schauer警告说：“一层油或水基冷却液的薄膜其厚度可能达十分之几毫米。此外，您还要受到表面粗糙度的某种影响。这些装置中某些分辨力只有0.5μm。此外，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。”

他不同意激光的测量比机械式或机电式测量要贵的观点。“如果说到用机械系统测量拨丝模之间的丝流，则必须制造某各轧辊系统，而这种系统并不便宜。对于激光系统，如果产品是圆的，您可能采用一个X—Y调整。每个送接装置现价约为5000美元，而显示箱的运转费约为2500美元。对于一个不需要很多夹紧调整和维护的过程系统，您将要花12500美元。”他指出，当今，工业应用在独特的加工中工业常常采用激光器。考虑到这些加工所制作的产品具备较高的价值，那么激光测量系统的成本便显得微不足道。

据Schauer称，“将来，特别是在高速加工中，会提供越来越多的激光产品。在接下的10-20年中，计量工业将变得明显的不同。”

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。Optodyne公司的总裁Charles Wang说，“我们称这种技术为Vector Measue-ment（矢量测量）。通过四次安装，可在2h-4h的时间内测出所有21个误差。”他相信，这种新系统综合了好几种仪器的功能。

在测量机床误差时。Wang说，“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。我们现在拥有的是一台可以检查所有尺寸的激光器。我们可以测量所有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Ra0.0025μm~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。

Optical Dimensions Inc.公司的总裁兼总经理J.Glenn Valliant称，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。

Valliant说：“激光接通时间大约为30ms，在这段时间内，仪器记录来自劣于它的表面的各种反射。”然后专用算法利用为计算表面粗糙度采集到的数据。他解释道：“一般地，笔式表面粗糙度仪扫描长度可达4mm-5mm，扫描宽度由测笔尖的宽度确定。我们的光束轨迹长约5mm-6mm，宽约1mm。”

Lasercheck测量的表面可以是静止的或运动的。他说：“我们获得了接近607m/min的过程，而这种设备不需照管。”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。Valliant说：“我们在零件上有很多的工艺时间就像在核心技术上所做的。一般我们用压缩空气和定制的吹除器并固定。我们提供为我们的测量适当地清洁表面所必需的设备和附件。”

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。

激光三角测量仍然是CyberOptics Corp.制造仪器的基本原理。

CyberOptics的Bruce Batten解释说：“我们将激光光束聚焦到表面上然后光束反射回传感器。我们在检测器上收集数据。如果激光射到表面的点在Z方向发生变化，则反射光射到检测器的部位也会发生变化。使用三角测量法，我们可以精确确定两个点之间的高度差。”

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，给操作者一个为他们想测量的样吕的编程面积的机会。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。

激光测量系统必须克服的一大障碍是光斑尺寸。Batten说：“激光光束的光斑尺寸在很大程度上决定着分辨力的大小。我们要生成很小的微细光斑，因为可以成像和测量很小的特征。如果可能的话，这需要一些透镜的优良品质的光学件，可将减小光斑尺寸至超出衍射极限的范围。”
他发现随着时间的流逝，激光系统变得越来越有价格竞争力。“激光技术的研究是一个热门领域。

像我们一样，人们从通讯系统方面的进步中受益匪浅。我们现在采用工作在600mm-700mm范围内的激光器。我们喜欢采用范围低至300mm-400mm的激光器。”

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。

Renishaw的Denis Zayia说：“我们在Wolf & Beck测头上添加了Renishaw自动接合器，它还有一个OTI6接口。因此，不管您在哪儿取得什么样的接触式测头，都可以在PH6M和PH10自动头上连接上系统。”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。

Zayia解释说：“当有的人基本上需要利用接触式触发测头检测大部分零件，但是有一对零件要求采用非接触式测量时那是一个实在的方法。”还还看到激光测量系统的价格有显著降低。“如果您注意到我们的Wolf & Beck系统，其中包括测头、接口和各种附件，其价格约为12000美元，该测头是装在坐标测量机上的视频测头。其价格已下降，而且还会进一步降价。”

将来，激光测量能替代接触测量吗？Zayia主意到：“机械式测量将占统治地位，但激光测量设备将占更大的份额。就切断测头而言，我们绝大部分的这类测头都有分离模块。最坏的情况是，您可能弄弯笔尖。如果您在一台制作准备去油漆的车身的机床上采用激光，且它撞入了零件当中，则激光会中断。我认为激光的固定比较昂贵。”

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。
Holo-Vision集团的总经理Joseph C. Marron说，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。“我们将激光束分成一个目标光束和一个参考光束，然后记录由射到CCD摄象机上生成的全息图。用计数法译码的全息图进到能够形成图象的计算机。我们的智能特点是代码或数字信号处理，它允许我们取得全息图信息并将其转换为3维图像。”

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。Marron解释说：“对于轮廓，用户按鼠标左键，击右键以确定轮廓极限。另外，我们也可以沿着圆弧划曲线，也可以对某个零件进行数字式平面化或以数字方式记录革个零件。”

在Z方向，系统可以分辨出0.5μm。Marron说：“我们有些用户想让我们降低该数字，而我们也正征那个方向发展。”当前HoloMapper能测量的零件尺寸不大于178mm×178mm×178mm。在不久的将来，我们希望将尺寸增大到305mm×305mm×305mm。在X和Y方向，当视野为178mm×178mm时，HoloMapper的X—Y像素尺寸为0.178mm×0.178mm。

Marron说：“如果某人要测量像孔位置一类的特征，在CCD阵列上，我们得到许多超过圆直径的样值。我们可以进行子像素处理以确定像孔径一类的特征，精度好于0.178mm。”按照特殊的颜色绘制高度值，可以产生用肉眼看的有用图像。通过采用3维眼镜，观察者可以获得从屏幕上竖起的图像，这样可以提高视觉判断。

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。现在，新系统的10个被宣布在?现场测试。

Morran看到HoloMapper在某些领域与坐标测量机竞争。“我们的用户在使用坐标测量机时所遇到的问题是，在较大面积上进行精密零件精确采样时，速度很慢。而我们却有在1min~2min内对一个样件采集1百万个点的能力。“培训某人使用最新HoloMapper的版本，它被安装在一个NEMA12外壳内，约需要4h。

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