用復(fù)雜精密的探測(cè)技術(shù)滿足微加工零件的測(cè)量需求
時(shí)間:2011-02-27 10:22:21 來(lái)源:
在理想狀況下，采用光學(xué)或其它非接觸式檢測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量復(fù)雜的微加工零件或許是最佳方式，但這往往卻并不容易實(shí)現(xiàn)。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快、不會(huì)引起零件變形，但其也有一定局限性，如工件的可見(jiàn)邊緣往往無(wú)法反映其后被遮擋部分的情況。此外，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)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(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起而構(gòu)建一個(gè)單一測(cè)量系統(tǒng)，就可以在一次安裝中對(duì)復(fù)雜零件的所有關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。這些多傳感器測(cè)量系統(tǒng)通常包含有非接觸式傳感器——視頻、白光和，或激光測(cè)頭——用于工件表面和邊界的測(cè)量，觸發(fā)式和掃描測(cè)頭則可以測(cè)量非接觸探測(cè)裝置不能到達(dá)的位置，如深的階梯孔。
探測(cè)微尺度
傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)(如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的觸發(fā)式測(cè)頭)正在不斷改進(jìn)以適應(yīng)變化的需求。如今的傳感器具有不同的觸發(fā)測(cè)力、不同長(zhǎng)度的測(cè)桿以及不同尺寸和材料的探針等。但是，當(dāng)尺度變得更小時(shí)，就存在一個(gè)物理極限，測(cè)頭的尺寸再小就難以保證可靠的觸發(fā)。例如，細(xì)的探針在觸發(fā)前可能會(huì)彎曲變形，導(dǎo)致對(duì)工件表面位置的錯(cuò)誤指示：或者長(zhǎng)的探針可能會(huì)發(fā)生“震顫” (觸碰孔或槽的邊緣)而發(fā)訊采樣，而實(shí)際上測(cè)尖并未接觸到被測(cè)位置的孔壁。由于制造技術(shù)的進(jìn)步和采用放電加工(EDM)，人們已經(jīng)能夠制造出許多微型結(jié)構(gòu) (如微型孔、口)，但這些微結(jié)構(gòu)很難測(cè)量。在某些情況下，觸發(fā)式測(cè)頭的測(cè)尖大小或探針長(zhǎng)度可能會(huì)使觸發(fā)測(cè)量變得完全不可能。在測(cè)量小的溝槽、小孔或孔口斜度時(shí)，采用觸發(fā)式測(cè)量技術(shù)可能并不合適，因?yàn)槌Ｒ?guī)測(cè)頭必須偏斜一定位置后才能發(fā)訊采樣。
在機(jī)加工中，測(cè)頭的使用方式通常可分成兩種，第一種測(cè)頭是作為附件加裝在原有的機(jī)床上，也稱為主軸安裝測(cè)頭：第二種測(cè)頭則是完全設(shè)置在機(jī)床內(nèi)，稱為集成式測(cè)頭。后者能夠折疊收回，因此不會(huì)妨礙工具系統(tǒng)工作，也不需要更換機(jī)構(gòu)。機(jī)床集成式測(cè)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(tái)傳統(tǒng)機(jī)床安裝集成測(cè)頭后，就成為了一臺(tái)能感知和反映其環(huán)境狀態(tài)的機(jī)床。在加工零件尺寸越來(lái)越小、種類越來(lái)越多的今天，具備這種功能的機(jī)床是很有價(jià)值的。
圖1 集成在機(jī)床中的測(cè)頭在不使用時(shí)可以折疊收回
圖2 裝有雷尼紹TP20 測(cè)頭的Datron 機(jī)床可用于在圓形工件上實(shí)現(xiàn)恒定切深加工
與控制器進(jìn)行通訊
先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)是與機(jī)床的控制器和軟件集成在一起的。例如，Datron Dynamics公司作為一個(gè)高速CNC銑床和雕刻機(jī)制造商，已成功開(kāi)發(fā)出第三代集成式探測(cè)系統(tǒng)。它首先進(jìn)行檢測(cè)以確保工件正確定位，然后掃描和識(shí)別工件，以選擇適當(dāng)?shù)募庸こ绦颉Ｔ摴究偛肳alter Schnecker博士說(shuō)，“即使操作者誤裝了其它工件，機(jī)床仍能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，因?yàn)闇y(cè)頭通過(guò)掃描確定了該工件應(yīng)該采用的正確加工程序。那些經(jīng)常變更加工工件的中小車間認(rèn)識(shí)到，由于機(jī)床具有自動(dòng)檢測(cè)工件裝夾精度的功能，因此可以減少變更工件所花費(fèi)的時(shí)間，縮短加工周期。”
安裝在 Datron機(jī)床上的Z校正測(cè)頭能夠識(shí)別工件上的不規(guī)則表面形貌，這些不規(guī)則形貌可能是偶然因素造成的，也可能是特意設(shè)計(jì)的，測(cè)頭能協(xié)助機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。測(cè)頭沿毛坯表面進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)據(jù)輸入機(jī)床控制器，控制器則針對(duì)不平的毛坯表面或工件位置自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，從而減少了工件毛坯的安裝調(diào)試時(shí)間，降低了廢品率。
Z校正測(cè)頭永久性地安裝在靠近主軸處，僅在需要時(shí)才由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)伸出。由于采用了集成設(shè)計(jì)，因此無(wú)需更換，沒(méi)有可能妨礙加工的電纜線，測(cè)量裝置也不會(huì)因主軸突然啟動(dòng)而損壞。
當(dāng)進(jìn)行三維檢測(cè)時(shí)，Z校正測(cè)頭可以在XYZ坐標(biāo)系中確定工件的位置和材料表面的不規(guī)則形貌，找出孔和凸臺(tái)的中心位置，在加工前預(yù)先測(cè)量毛坯，補(bǔ)償加工余量的變化，將數(shù)據(jù)輸入ISO 9000信息鏈進(jìn)行質(zhì)量控制，并允許多種零件的反求工程制造。
裝有雷尼紹TP20測(cè)頭的Datron加工機(jī)床能用于測(cè)量復(fù)雜零件和其特征參數(shù)。如在圓形表面上雕刻標(biāo)識(shí)"通常需要通過(guò)三維編程以實(shí)現(xiàn)表面深度變化的加工和保證相等的雕刻深度。而用TP20測(cè)頭掃描工件表面后"對(duì)于表面的不規(guī)則變化，加工數(shù)據(jù)庫(kù)能自動(dòng)進(jìn)行處理而無(wú)需三維編程。TP20是一種六向運(yùn)動(dòng)觸發(fā)式測(cè)頭系統(tǒng)，使用它能縮短加工周期。
輕微接觸式測(cè)量
蔡司公司的F25 測(cè)量機(jī)采用一個(gè)與光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)組合在一起的接觸式測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)有3個(gè)傳感器——2個(gè)用于測(cè)量，1個(gè)用于輔助操作。一個(gè)基于壓電薄膜的全掃描接觸式傳感器既能用于點(diǎn)接觸測(cè)量，也能用于全掃描測(cè)量。該公司負(fù)責(zé)精密測(cè)量機(jī)的新產(chǎn)品經(jīng)理Gerrit deGlee指出，測(cè)頭探針的直徑可以小至Ø0.12mm，觸測(cè)力僅為通常坐標(biāo)測(cè)量機(jī)觸測(cè)力的1/100。“這非常重要，因?yàn)楣ぜA緊力可以更小。微型工件在夾持時(shí)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(cè)量，同時(shí)又不引起工件變形。”
F25測(cè)量機(jī)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)安裝在接觸式傳感器旁邊，它既可以單獨(dú)使用，也可與接觸式傳感器組合使用。該系統(tǒng)有一個(gè)環(huán)形光源，光強(qiáng)和照明方向可編程控制，以減少不需要的陰影。
在測(cè)量非常小的工件或微形貌時(shí)，操作者很難觀察操作。例如，F(xiàn)25測(cè)量機(jī)的Ø0.12mm探針頭不經(jīng)過(guò)放大是不可能看清的。因此測(cè)量機(jī)上配有一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，它將接觸式測(cè)頭的測(cè)量區(qū)域放大后在監(jiān)控器屏幕上顯示出來(lái)，以便操作者編寫(xiě)程序。光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)可將測(cè)量結(jié)果直接顯示在測(cè)量軟件屏幕上。
F25 測(cè)量機(jī)不是一種車間用儀器，它的精度很高，但不具備對(duì)車間環(huán)境下溫度影響的控制功能。該儀器的測(cè)量不確定度小于250nm，在如此高的精度下，溫度對(duì)測(cè)量的影響將會(huì)很大。儀器采用了具有良好熱穩(wěn)定性的玻璃陶瓷基準(zhǔn)尺。這種玻璃陶瓷材料最初是為天文望遠(yuǎn)鏡開(kāi)發(fā)的，可以避免基準(zhǔn)尺熱膨脹系數(shù)對(duì)測(cè)量不確定度的影響，而且基準(zhǔn)尺本身也不再需要溫度傳感器。
非接觸式測(cè)頭
美國(guó) OGP公司推出的Smartscope多傳感器測(cè)量系統(tǒng)采用了一種觸測(cè)時(shí)探針無(wú)需彎曲的微觸測(cè)技術(shù)。這種稱為“羽毛測(cè)頭”的技術(shù)采用一個(gè)處于恒定微運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微型測(cè)頭。該測(cè)頭的探針?lè)浅＜?xì)，探針端部的測(cè)尖直徑僅為Ø0.125mm。當(dāng)測(cè)尖接近被測(cè)工件時(shí)，工件表面引起測(cè)尖微運(yùn)動(dòng)的變化，該變化被記錄下來(lái)作為測(cè)量信號(hào)。這種測(cè)頭觸測(cè)時(shí)不會(huì)發(fā)生彎曲變形，觸測(cè)力小于1mg。OGP公司稱，“羽毛測(cè)頭”適合測(cè)量小的溝槽、孔或孔口斜度，也能用于測(cè)量柔軟或易變形的工件。它可用于XYZ軸的測(cè)量。
為防止受損，測(cè)頭在不使用時(shí)縮回一個(gè)保護(hù)罩內(nèi)，在需要進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量時(shí)才伸出。
OGP 公司的另一種表面非接觸測(cè)量傳感器是稱為“彩虹測(cè)頭”的白光傳感器，它在側(cè)向和高度方向都具有極高的分辨力，Z軸上的分辨力可達(dá)到亞微米級(jí)。該項(xiàng)技術(shù)采用了在一組鏡片中的擴(kuò)展軸向色散原理，白光的每一個(gè)波長(zhǎng)聚焦在光軸的不同點(diǎn)上。由于采用了色譜分析，“彩虹測(cè)頭”對(duì)被測(cè)表面的反射度和粗糙度的變化不敏感。當(dāng)用于多傳感器測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，該測(cè)頭能沿著幾乎任何形狀的工件表面輪廓，對(duì)高頻表面的微細(xì)形貌進(jìn)行非接觸掃描測(cè)量。通過(guò)鄰區(qū)掃描可以創(chuàng)建工件表面的區(qū)域拓?fù)鋱D。
多傳感器系統(tǒng)的集成
對(duì)于具有復(fù)雜幾何形狀和自由輪廓的工件，其孔或特征點(diǎn)的公差裕度很小，工件上許多特征點(diǎn)的相互位置關(guān)系非常重要，需要采用多傳感器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。多傳感器測(cè)量機(jī)可以采用專用傳感器對(duì)工件的特殊形貌進(jìn)行測(cè)量，將其作為工件整體特征的一部分。
在多傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器的軟件集成是一項(xiàng)重要的開(kāi)發(fā)內(nèi)容。好的集成軟件包可以對(duì)在用的所有傳感器進(jìn)行標(biāo)定，使這些傳感器在測(cè)量路徑中的任何一點(diǎn)都能使用：而差的集成軟件包則需要對(duì)每一個(gè)傳感器在每一次使用前都進(jìn)行標(biāo)定。此外，好的集成軟件包可以對(duì)任意一個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，這樣就可以方便地處理在一次測(cè)量過(guò)程中所獲得的視頻邊緣點(diǎn)數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和接觸式掃描測(cè)頭的測(cè)量數(shù)據(jù)。
OGP公司總裁FredMason指出，“與專用微測(cè)量系統(tǒng)相比，帶微測(cè)頭的大量程多傳感器測(cè)量系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)是能將整個(gè)工件的微觀形貌測(cè)量數(shù)據(jù)與宏觀形貌尺寸及位置數(shù)據(jù)包括在同一個(gè)數(shù)據(jù)文件中”。一個(gè)既具有傳統(tǒng)視頻測(cè)量系統(tǒng)的大量程，又具有微測(cè)頭的高分辨力的測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)σ粋€(gè)工件上的關(guān)鍵微觀特征或某一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。
微傳感器可以應(yīng)用于幾乎任何大小的多傳感器測(cè)量系統(tǒng)中。對(duì)于視頻測(cè)量系統(tǒng)，主要考慮應(yīng)保證儀器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)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(cè)量系統(tǒng)具有很高精度的情況下，微測(cè)頭才能達(dá)到最高的測(cè)量精度。只有將視頻圖像測(cè)量與微測(cè)頭測(cè)量組合在同一測(cè)量過(guò)程中，才能獲得完整的工件特征，同時(shí)將人為因素的影響降至最低。