微小零件的测量

　　“我们认为是在按照尺寸规格要求加工零件，但零件的实际尺寸却很难确定。”这是时常可以听到的来自车间（特别是微型加工车间）的抱怨。不过，新一代测量仪器的发展将会对此大有帮助。

　　通常可以采用触测式和扫描式（非接触式）两种方法来测量零件。接触式测头用于测量可触测的零件，也用于测量带有难以照明的凹槽的零件。对于易碎零件、必须保持无菌状态的零件或微型零件，则可采用某种形式的光线（如激光、白光、红外线等）进行测量。本文介绍的正是可以完成上述任务的一些先进测量仪器。

　　芝加哥的Microlution公司是生产微型加工机床的制造商，并为Microlution 310-S机床开发了用于评价零件加工质量的测量附件。这是一种基于激光的几何量特征在机测量系统。该装置将Z轴上采用共焦激光的距离测量与机床运动平台上线性编码器的扫描定位信息相结合，以获得表面被测点的三维坐标。该装置可获得堪与表面轮廓仪媲美的分辨率（用光斑直径2µm的激光束测量距离的分辨率达到10nm）。

　　为了对工件进行测量，可利用Microlution 310-S机床上的运动安装系统，用具有亚微米级重复精度的激光测头快速替换刀具主轴。在大批量生产时，可将零件装卡在托盘上，使激光测头可以扫描多个单元，获得的点云数据可用于确定零件的尺寸和表面质量，也可输入第三方软件包进行数据处理。

　　Hexagon测量集团旗下的Brown & Sharpe公司开发的Optiv测量机系列是该集团显示其在微加工领域测量实力的最新产品。公司产品经理Gary Hobart介绍说，该测量机主要采用基于视觉的测量原理，但也可以配备各种功能齐备的测头和光学传感器（包括接触式测头、激光和白光传感器等）。Optiv由一系列“积木式”模块元件构成，可满足用户的特殊测量需求和适用于不同的测量方式。

　　每一种传感器，无论是接触式测头，还是激光或白光（WLS）测头，都可用于多种测量。尽管由于Z轴测量范围的原因，在无补偿时视频测头的精度受到透镜景深的限制，但对于二维测量来说，视频测头仍是速度最快、精度最高的测头。

　　系统的精度取决于所用的测头和所测的项目。根据经验估计，视频测头的分辨率约为1/10象素，测量能力约为1/3象素（亚微米级水平）。用白光测头测量时，分辨率可达到纳米级水平，高于测量机的机械运动能力。

　　能够测量的最小项目为1/3象素，借助于很高的放大倍数，可达到亚微米级水平。利用高放大倍数，精密接触式测量和白光扫描测量都可与CAD检测相互连接，使零件尺寸更容易确定。

　　由于许多微小零件必须采用非接触测量（许多特征如微小半径或微孔对于接触式测量装置而言实在太小），因此需要采用光学测量方法。三丰美国公司提供精度范围0.3－5µm的光学仪器。Quick Vision视频测量机的标准精度为1.5µm。

　　“我们知道，研发工作对量仪的需求量很大，尤其是那些功能与机床近似的量仪。”三丰的视频测量产品专家Allen Cius说，“大多数测量仪器都采用手动装卸工件，不过我们也能为大批量生产提供由机器人装卸工件的仪器。”

　　当创建一个工件的测量程序时，首先将工件放置在工作台的玻璃台面上并粗略定位。然后利用工件边缘自动检测工具建立一个坐标系或参考点。创建工件测量程序时所完成的所有动作都被“记录”下来，并作为程序储存起来。只要相机能拍摄到工件画面，就可以对其进行测量。一旦测量程序编制完成，即可用于实现工件的自动检测。用户只需简单地将工件置于工作台上的夹紧装置中，按下按钮，即可走开，让视频测量机自动完成全部测量任务。

　　视频测量系统通常具有三种照明类型：工作台照明、反光式照明（也称为同轴照明）以及可编程的环形照明。照明类型的选用取决于产品的复杂程度以及必须照亮表面的数量。

　　工作台照明是最简单的照明方式（其照明效果非常像光学比较仪）。同轴照明光穿过透镜，主要用于照亮工件表面。最有用的照明方式是可编程控制的红、绿、蓝发光二极管的环形照明，利用不同颜色的光，很容易确定边缘或工件结构的变化。由于抛物线光环可独立于相机进行移动，因此能改变光线的入射角以获得最佳视场。

　　三丰公司最新设计的Quick Vision Stream（QVS）系列视频测量机采用频闪照明替代CCD相机去捕获测量机运动过程中的图像，并用逐行扫描相机取代了标准的CCD传感器。

　　QVS采用了新开发的高亮度LED闪光照明装置，因此能进行不间断的视频测量。当带着被测工件的工作台正好到达测量点时，一个短暂的高亮度闪光有效地“冻结”了运动，从而捕获具有完整、精确细节的工件清晰图像。所获得的图像可记录下每个工件的关键坐标。

　　在一个应用实例中，QV Stream测量系统可以在45分钟内检测一个太阳能电池板上的30000个小孔，每个孔的尺寸、方位和位置都记录在案。

　　QV stream系列根据测量范围的不同，有从300mm×300mm×250mm到600mm×650mm×250mm等多种规格，但仪器的分辨率都是0.1µm。

　　Marposs公司的产品经理Frank Powell介绍说，该公司拥有可以测量直径1mm以下小孔的测量系统。“在使用这些仪器时，我们发现，微加工领域最难测量的两种产品是微型轴承和燃料喷嘴，通常其测量直径可小到0.5mm。”

　　为了满足微加工领域的测量需求，Marposs公司开发了多种测量仪器，其中之一就是通过主轴的在线内径测量头Picothruvar。它用于内圆磨床上，与磨轮对向安装，可进入微小的内径空间进行测量。由于空间有限，磨轮和测头不能同时进入孔内，只能以磨削—测量—磨削的顺序交替进行。

　　为了更有效地进行磨削加工，测量头中组合了连续曲线存储器。测头每一次与磨轮互换进行测量后，都要将测得的尺寸与前一次的测量结果进行比较，然后由放大器计算出工件尺寸的变化率，从而在适当的时间触发输出到磨床的控制信号。

　　“孔径太小是一个最大的问题，”Powell表示，“由于无法使用接触式测头，因此只能采用气动量规。是否选用气动量规取决于孔径与孔深之比，例如，要测量一个直径2mm、深度20mm的孔，就必须采用气动量规。”

　　“在某些情况下，无法进行在机测量。因此，对于0.5mm以下的微小外径，我们建议采用一种离线光学测量系统。该系统采用红外线的投影来测量尺寸，测量精度取决于相机的分辨率。”

　　“另一个注意事项是：不要触摸工件。”Powell说，“带油污的手指甚至工人的体温都会影响测量精度。”

　　Marposs的测头产品经理Sharad Mundra指出，用于微加工的刀具几乎都很小，直径小至0.0002″（0.005mm）的钻头也并不少见。因此，确定刀具是否确实安装在机床上就显得至关重要。“因此，我们提供了一种非接触式激光测量系统，可以测量小至30µm的刀具长度和直径。”Marposs公司的Mida OP32紧凑型触测系统是为CNC微型铣床、加工中心和小型机床而设计的。测头中集成了传输模块，测量数据可通过一个接收器和一个界面传输到CNC机床；为了应对微小刀具不断增长的测量需要以及微型铣床数量的不断增加，Marposs公司还开发了Mida Laser 75 Pico非接触式刀具激光检查系统，该系统测量直径10μm的刀具时，重复性高达0.2μm。

　　无线测头在小型加工机床上也非常有用。Marposs的无线测头有一个带有发射器/接收器的淬硬触针，该测头的测量范围为32mm×50mm，用于在线测量。

　　为了测量具有小于1mm内外直径的工件，Marposs公司推出了M39S扫描测量系统。该系统采用气电技术，以扫描模式测量微小的内外直径，并可沿着整个配合表面进行间隙检查。M39S可用图形显示测量信息，可以检测直径误差、圆柱度误差和轴、孔的配合面误差。例如，它可用于检查直径仅为0.8mm的孔与轴之间的配合间隙。该测量单元与被测工件无接触。

　　Marposs的气电转换器是根据气电测量原理、基于气动技术开发的测量系统的一个部件，被测工件的尺寸偏差被转换器以压力变化方式读出，然后被转换为类似的电信号。

　　“我们发现，航空零部件是微机械加工行业的强大推动力。”Metris美国公司的常务董事Myles Richard说。该公司主要关注的是尽可能获得最高的测量精度，同时完全检测出零件的主要特征。在现有的坐标测量机（CMM）上增加非接触式激光扫描测量功能，可使其实现多功能化。使用Metris的坐标测量机或者用Metris激光扫描技术改造现有坐标测量机，可以获得许多益处，提高实现最佳测量效果的效率。

　　采用陶瓷基座的Metris LK-V 876桥式坐标测量机是多传感器解决方案的一个实例，它在一个系统中同时提供了接触式测头和激光扫描测头。这种解决方案是为在实验室理想环境下进行高精度测量而设计的，能够实现小于2.5µm的测量精度（空间测量精度为2.5/10000，重复性为0.6/10000），并按ISO 10-3-60标准进行了测试验证。Richard解释说，“这种多传感器方法使微机械加工行业在需要时可以充分发挥每一种扫描技术的优势。例如，当测量一个孔的形状时，只需要测量三个点，用一个接触式测头就足够了。但在测量一个具有许多细节和特征的轮廓面时，采用非接触式激光扫描测头来获取密集的数据点云则更为合适。”

　　Metris公司既能提供用于高精度加工的微小测量设备和在生产车间环境下使用的光学和便携式测量系统，也能提供用于尺寸在16－60m的加工及工件的大尺度测量设备。

　　“如今，激光扫描测量对于许多测量公司而言仍然是相对较新的技术。Metris公司在该技术的咨询、支持和培训方面的能力可以帮助用户在对该技术投资之前认识其价值，这一点非常重要。”Richard说，“通常的理解是，新的设备会给用户的生产工艺带来重大变化，这正是Metris长期积累的经验和知识至关重要的原因。”

　　Starrett公司的常务董事Mark Arenal指出：“计算机的强大能力和视频技术的发展已经使得这一测量领域的进步成为可能，这为图像评估和复杂测量提供了大量的数字信息。”

　　在过去一段时期，光学比较仪曾是应用于许多加工中的主要测量仪器。但是，随着工件越来越小、公差越来越严，对放大倍率、观测微小细节与特征以及测量效率等方面的要求在许多车间逐渐成为问题，对测量仪器更高的分辨率和更好的多功能性也提出了要求。为此，首先开发出了非接触式视频测量机，然后，为了满足更复杂的测量需求，又在测量机上增加了接触式测头和激光测头。因此，如今用户可以购买一个坐标定位平台，它可将激光测头、非接触式光学测头和接触式测头的优势组合在一起。

　　高端测量系统通常具有更难操控的特点，需要进行更高水平的培训。而入门级的基本型产品（如视频比较仪或工具显微镜）则更容易操作。

　　“量仪行业正在不断发展，”Arenal说，“完成测量任务可以采用多种方式，因此人们总是希望选择最好的测量系统，其动力既来自加工要求，也来自量仪能够达到的测量效果。你不仅可以快速获得定量数据，而且也能获得定性数据。”

　　“对于具有复杂三维形貌的工件，激光测头可能是很好的选择，你可以得到一组能反映复杂形貌的数据点。对于带有许多凹进处的较大工件，选择接触式测头可能更好。对于那些接触式测头难以到达具有微小细节重要部位的工件，视频测头则是最好的选择，并且要求具有较高放大倍数。”

　　在此，尺寸扮演了重要角色。“对于一个如阿司匹林药片大小的工件，通常必须采用非接触测量方式。对于大型工件（如飞机的翼梁结构），则可能需要采用接触式测量。”Arenal说，“在测量大平面或柔软工件时，最佳选择是较大规格的移动式视频测量系统。例如，对于一个带有不能触碰的蚀刻表面的大型扁平工件，可以采用一台配备了视频传感器的大行程非接触式测量机进行测量。”

　　视频测量系统的优势体现在对二维或2.5维工件的测量上。“我们的低成本视频测量系统能够进行复杂的测量，其主要特点是采用简单的边缘检测。”Arenal说，“该系统主要用于单件或小批量测量，并且可作为工具显微镜或光学比较仪的升级换代产品。这些测量机在性能设计上已改进为机动操作。”

　　Zeiss公司为微制造行业提供了最新的F25测量机，该仪器的测量不确定度不超过250nm，其特点是既配备了触发式测头，又配备了最新式的光学测头。

　　使用接触式测头的测量系统有一个关键问题：避免测头使工件变形或移位。Zeiss测量系统通过设计一个测量压力为0.5mNµm（仅为大多数测头的1/200）的测头系统解决了这一问题。该测头可以采用直径小至0.12mm的测球。

　　“实现不确定度如此小的测量的最大挑战是热量的影响，”Zeiss公司精密产品部的新产品经理Gerrit deGlee说，“为了解决这一问题，F25测量机采用了由一种玻璃－陶瓷材料制成的刻度尺，这种材料由不同的分子构成，当受热时，一些分子膨胀而另一些分子收缩，因此最终结果实质上是零膨胀。以前，光是刻度尺热膨胀率的不确定度就会超过我们试图达到的测量精度。采用这种刻度尺后，我们就可以取消那些同样会影响测量不确定度的热传感器。”

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