快速而精確的激光測量技術(shù)
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Automated Precision Inc.（API）出品的5或6維激光系統(tǒng)，顯示出由激光測量系統(tǒng)可以達(dá)到的獨(dú)特性能的種類。由該公司設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，是以一個(gè)精密干涉儀的5或6維傳感器為基礎(chǔ)用來測量CNC機(jī)床和坐標(biāo)測量機(jī)的定位精度。干涉儀發(fā)送的激光光束進(jìn)入傳感器，然后分為三個(gè)分光束。第一個(gè)分光束將返回光源，以進(jìn)行線性位移測量，第二個(gè)分光束進(jìn)入雙向傳感器以測量水平和垂直方向的不直度誤差。第三個(gè)分光束通過一個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)，測量偏轉(zhuǎn)和仰俯。由一個(gè)集成的微分激光系統(tǒng)來測量轉(zhuǎn)動(dòng)角偏差。
用戶可以在機(jī)床的一個(gè)坐標(biāo)軸上（如X軸）安裝6維激光器，可同時(shí)測量所有的六個(gè)坐標(biāo)軸的誤差。
API的Mike Glossinger說，“如果您是在普通機(jī)床上測量，則Y軸應(yīng)該與X軸成90°。將激光器定位好，如定位在X軸上，插入一個(gè)五棱鏡，讓光束折彎至Y軸上，折彎度正好為90度?！奔す馄鞅３朱o止，只有6維傳感器移動(dòng)對(duì)Y軸進(jìn)行測量。利用從X和Y軸上取得的不直度數(shù)據(jù)，測量器上的專利軟件可以確定每個(gè)坐標(biāo)軸在測試平面中的走向并計(jì)算其垂直度。
三軸機(jī)床上的每個(gè)軸都有6個(gè)可能的位置誤差：軸移動(dòng)定位誤差；在垂直于移動(dòng)軸的軸方向上的直線度誤差和三個(gè)角度誤差（轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰、偏轉(zhuǎn)）。此外，機(jī)床三個(gè)相互垂直的平面生成的正方度誤差。
通過三次安裝和三次測量操作，系統(tǒng)可以確定機(jī)床上17個(gè)軸誤差和兩個(gè)正方度誤差。API現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器不能測量垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。在5次安裝和操作中，系統(tǒng)可以確定21個(gè)可能誤差中的20個(gè)。
Glossinger說，“我們可以在約4-5小時(shí)內(nèi)對(duì)一臺(tái)機(jī)床進(jìn)行完整的分析?！彼嘈?，由像API的5或6維系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，為機(jī)床制造廠提供達(dá)到新的精度水準(zhǔn)的機(jī)會(huì)。“最終，機(jī)床制造廠在補(bǔ)償方面要做的事情將比只在純直線度方面要做的事情要多。在當(dāng)今，他們?cè)噲D用很好的機(jī)械方法制造系統(tǒng)，但是留給他們的恰好是無法修正的小誤差?，F(xiàn)在，通過某些補(bǔ)償，我們可以把機(jī)床做得更好（更確切地說是性能價(jià)格比）?！?
在更一般的場合，由Mitutoyo（MIT）Corp.出品的激光千分尺在連續(xù)過程中證實(shí)了激光的測量方法的速度和精度。這些系統(tǒng)將激光光束對(duì)準(zhǔn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的反射鏡。當(dāng)反射鏡自轉(zhuǎn)時(shí)，激光束射向一個(gè)光電單元。該單元的輸出量隨達(dá)到其上的光束量大小成正比地發(fā)生變化，使系統(tǒng)可以確定位于單元和激光之間的工件的直徑。常用的MTI激光千分尺如Series544，對(duì)于直徑為1mm~51mm的工件，其精度約為±0.0030mm，重復(fù)精度約為±0.00013mm。
MTI的Dale Schauer說，“一些制造廠采用He—Ne管作為激光光源，但我們卻采用二極管，因?yàn)槠涫褂脡勖L。有些He—Ne管其使用壽命超過600h，但采用激光二極管，有時(shí)候，其壽命竟超出7000h?！奔す馇Х殖咄鳛檩^大型系統(tǒng)的一個(gè)組成部分加以使用。Schauer觀察到，“有一半以上激光器是深藏在某些講師儀器的過程控制部分中。”當(dāng)今的激光千分尺還具備增強(qiáng)的功能度?！芭c舊裝置相比，它們具備更多的編程控制能力以及更快的輸出能力?！?
在線測量時(shí)，用戶仍然要注意零件的清潔度和粗糙度。Schauer警告說：“一層油或水基冷卻液的薄膜其厚度可能達(dá)十分之幾毫米。此外，您還要受到表面粗糙度的某種影響。這些裝置中某些分辨力只有0.5μm。此外，零件的找正很關(guān)鍵。任何微量傾斜都將引起錯(cuò)誤的讀數(shù)。任何粘在零件上的東西均可能影響測量結(jié)果?！?
他不同意激光的測量比機(jī)械式或機(jī)電式測量要貴的觀點(diǎn)?！叭绻f到用機(jī)械系統(tǒng)測量撥絲模之間的絲流，則必須制造某各軋輥系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)并不便宜。對(duì)于激光系統(tǒng)，如果產(chǎn)品是圓的，您可能采用一個(gè)X—Y調(diào)整。每個(gè)送接裝置現(xiàn)價(jià)約為5000美元，而顯示箱的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)約為2500美元。對(duì)于一個(gè)不需要很多夾緊調(diào)整和維護(hù)的過程系統(tǒng)，您將要花12500美元?！彼赋?，當(dāng)今，工業(yè)應(yīng)用在獨(dú)特的加工中工業(yè)常常采用激光器?？紤]到這些加工所制作的產(chǎn)品具備較高的價(jià)值，那么激光測量系統(tǒng)的成本便顯得微不足道。
據(jù)Schauer稱，“將來，特別是在高速加工中，會(huì)提供越來越多的激光產(chǎn)品。在接下的10-20年中，計(jì)量工業(yè)將變得明顯的不同?！?
低成本激光測量對(duì)行業(yè)中的每個(gè)人仍然是目標(biāo)。而Optodyne Inc.相信它的新MCV—500激光校準(zhǔn)系統(tǒng)就是向這一方向邁出的一步。其價(jià)格低于10000美元。它可以對(duì)CNC機(jī)床、坐標(biāo)測量機(jī)、滾珠絲杠和DRO進(jìn)行內(nèi)部線性校正。系統(tǒng)包括兩個(gè)可對(duì)準(zhǔn)的元件，即激光頭部件和一個(gè)12.7mm的反光鏡。以多普勒技術(shù)為基礎(chǔ)，MCV—500帶有一個(gè)用于發(fā)射和接收的單孔的激光頭。激光頭和反光鏡均安裝在機(jī)床上，無須在地面安裝三腳架。
提供收集4m/s的運(yùn)行速度，系統(tǒng)使用支持Windows軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。尺寸為51mm×51mm×216mm的激光頭，特點(diǎn)是優(yōu)于0.1ppm的穩(wěn)定性檢查，精度為1.0ppm（百萬分之一），分辨力為0.03μm。
在一次安裝中，Optodyne公司出品的激光球桿技術(shù)，允許用戶完成一系列功能：校驗(yàn)直線位置精度；測量伺服失配；測量切線速度；測量反向誤差；生成用于補(bǔ)償文件的數(shù)據(jù)；測量切線速度；產(chǎn)生伺服控制器調(diào)諧用數(shù)據(jù)允許從2.54mm至76mm連續(xù)變化半徑。該系統(tǒng)的分辨力為0.0000254mm，可以以4m/s的速度進(jìn)行測量。利用該激光桿，該主軸運(yùn)動(dòng)的X軸坐標(biāo)甚至可測量與其一般大的Y向運(yùn)動(dòng)，結(jié)合X和Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以生成主軸的被測量的圓軌跡曲線圖。
除了這些設(shè)備外，Optodyne將提供測量三軸機(jī)床上所有21個(gè)可能位置誤差的系統(tǒng)。Optodyne公司的總裁Charles Wang說，“我們稱這種技術(shù)為Vector Measue-ment（矢量測量）。通過四次安裝，可在2h-4h的時(shí)間內(nèi)測出所有21個(gè)誤差?！彼嘈?，這種新系統(tǒng)綜合了好幾種儀器的功能。
在測量機(jī)床誤差時(shí)。Wang說，“常規(guī)方法是采用激光干涉儀射擊機(jī)床，并獲得位置精度。然后用一個(gè)球桿來檢查動(dòng)態(tài)性。我們現(xiàn)在擁有的是一臺(tái)可以檢查所有尺寸的激光器。我們可以測量所有21項(xiàng)幾何誤差。在此之后，可以用同一個(gè)激光器進(jìn)行球桿測量。一臺(tái)儀器就可以完成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度測量?！?
由Optical Dimensions Inc.出品的激光表面測量系統(tǒng)為特殊的檢測問題提供了高技術(shù)、高速度解決方法。這種系統(tǒng)名為Lasercheck系統(tǒng)，以10Hz工作的激光在加工過程中進(jìn)行自動(dòng)表面粗糙度測量。它完整地說明了光亮表面的范圍為Ra0.0025μm~0.0013μm，精度達(dá)±0.1%。自動(dòng)地節(jié)約了直接輸入到SPC的ASCII格式數(shù)據(jù)，并在制造和QC中使用電子數(shù)據(jù)表軟件。
Optical Dimensions Inc.公司的總裁兼總經(jīng)理J.Glenn Valliant稱，該測量儀器設(shè)備可測量一個(gè)表面的鏡面反射和漫反射?！爱?dāng)表面粗糙度改變時(shí)，來自表面的分布變化完全可以確定。可以根據(jù)鏡面反射和漫反射的分布來計(jì)算表面粗糙度?！碑?dāng)前獨(dú)立的Lasercheck系統(tǒng)的安裝價(jià)格約25000美元，包括一個(gè)激光器（調(diào)整關(guān)鍵的照明角度）和將近40個(gè)檢測來自表面的鏡面反射和漫反射光的傳感器。
Valliant說：“激光接通時(shí)間大約為30ms，在這段時(shí)間內(nèi)，儀器記錄來自劣于它的表面的各種反射?！比缓髮Ｓ盟惴ɡ脼橛?jì)算表面粗糙度采集到的數(shù)據(jù)。他解釋道：“一般地，筆式表面粗糙度儀掃描長度可達(dá)4mm-5mm，掃描寬度由測筆尖的寬度確定。我們的光束軌跡長約5mm-6mm，寬約1mm?！?
Lasercheck測量的表面可以是靜止的或運(yùn)動(dòng)的。他說：“我們獲得了接近607m/min的過程，而這種設(shè)備不需照管?！庇扇齻€(gè)主要的軟件設(shè)置模式來操縱測量儀器。零件檢測方式表示系統(tǒng)測量由上料系統(tǒng)依次提供的離散的零件。滾子或輸送帶檢測表示一個(gè)大型連續(xù)的表面測量操作。實(shí)驗(yàn)室檢測用于由操作員手動(dòng)上料的零件。用戶選擇相應(yīng)的軟件模式和測量儀器的本身調(diào)整。
用Lasercheck測量表面，則表面必須干凈。Optical Dimensins開發(fā)了清潔方法設(shè)備來配合測量儀器的應(yīng)用。Valliant說：“我們?cè)诹慵嫌泻芏嗟墓に嚂r(shí)間就像在核心技術(shù)上所做的。一般我們用壓縮空氣和定制的吹除器并固定。我們提供為我們的測量適當(dāng)?shù)厍鍧嵄砻嫠匦璧脑O(shè)備和附件?！?
Lasercheck測量儀所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以表明如像磨削工序中所出現(xiàn)的變化。此數(shù)據(jù)反映砂輪加載時(shí)砂輪中的變化，并反映磨削過程中砂輪修整的影響?？沙瑫r(shí)監(jiān)控和記錄過程中的趨勢。
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