HUANG

　　“轴测量系统”是测量行业的标准术语，但如果就此认为此类量仪只适合测量轴类零件，显然过于狭隘。在大多数情况下，任何在车床上车削加工出的零件或许都适用于此类量仪。只要零件上有直径、长度、槽宽、圆角半径或倒棱等几何特征，就可以用轴测量系统进行测量。例如，虽然人们肯定不会认为燃料喷嘴的筒体是一根“轴”，但其外部尺寸有不少车削而成的几何特征，包括需要严加控制的直径和用于安装O形环、对其宽度和深度都有精确要求的各种沟槽。轴测量系统非常擅长测量此类特征。
　　近年来，轴测量系统变得日益普及，而用户对此类量仪的期望值也越来越高：他们希望系统具有更多的测量功能和更快的测量速度，能测量尺寸更小、公差要求更严的几何特征；他们希望系统的集成度更高，能将测量结果直接反馈给机床控制系统；他们希望系统更容易操作。当然，他们也希望系统更便于使用，自动化程度更高，使操作者只需“按一下按钮”就能轻松完成测量。

光学测量引领趋势
　　用户对提高测量性能的这些需求，已使测量技术提供商的注意力从其他一些轴类测量方式（如三坐标测量机和专用手动量具，虽然这些系统仍有其用武之地）转向更新颖的全自动光学轴类测量系统。此类系统用于复杂车削零件的精确质量控制，既可用于计量室，也可用于生产车间，能在几秒钟内以非接触方式完成对车削零件各种特征的精密测量。全自动测量方式消除了操作人员对测量结果的人为影响，许多系统采用的图形化界面大大简化了编程和使用。

图1  德国Mahr公司的MarShaft SCOPE plus轴类零件测量仪

　　轴类零件光学测量系统通常采用两种成像技术：线阵传感器和面阵CCD（电荷耦合器件）相机。这两种技术都采用背光照明方式（即轮廓成像），这意味着测量系统无法“看见”零件的内部特征，因此也无法对其进行测量。除此之外，这些技术还有其他一些需要考虑的优势与不足。

图2  轴类测量系统采用背光照明进行轮廓成像

　　线阵扫描技术应用于测量领域已有20多年，其特点是测量速度非常快。正如其名所指，线阵扫描技术利用一系列线束对零件尺寸进行成像（每次用一根线束进行扫描）。为了更好地测量零件边缘和肩壁，线阵传感器的线束往往略微倾斜于零件轴线（见图3）。零件和特征的直径显示为一系列相互连接的点，利用这些“可计算”的零件图像，即可计算出测量结果。但是，由于图像的分辨率较低，一些尺寸较小的特征往往很难测量。

图3  线阵传感器的线束相对于零件轴线略有倾斜

　　与线阵扫描技术相比，高分辨率面阵CCD相机的应用要稍晚一些，而且随着计算机处理器速度的快速提高，该技术也不断取得新的进展。过去，虽然面阵测量的速度比其它一些测量方法更快，但由于需要处理的数据量较大，其测量速度仍然稍逊于线阵传感器。不过，速度更快的处理器和优化程序正在不断缩小乃至消除这一差距。更高的分辨率使面阵测量更稳定、更精确，而且能够测量比线阵扫描的“可计算”图像小得多的零件特征。性能最好的面阵测量系统几乎可以完全消除操作者的人为影响，并确保尽可能高的测量精度，而且每次测量可以获得多幅图像。

面阵测量的优势
　　一个对带叶轮的涡轮增压器轴的测量案例（见图4）体现了上述两种测量技术的明显差异。叶轮的叶片轮廓非常复杂，有些叶片边缘几乎处于水平位置。因此，如果用水平线束扫描相机进行测量，则有些扫描线位于叶片边缘上，而另一些扫描线则位于边缘上方或下方可能无法成像的某个地方，你无法知道叶片边缘位于两根扫描线束之间的准确位置，或叶片形状的实际过渡曲线。因此，用线阵扫描相机测量时，为了获得叶片的实际廓形，就不得不多次返工，采用更小的间隔增量重新进行扫描。如果采用面阵CCD相机进行测量，则无需如此费劲：你可以获得整个零件廓形。对于此类零件特征，面阵相机的测量能力明显优于线阵扫描相机。

　　涡轮增压器的一个重要特性是：叶轮的叶片在罩壳内工作，叶片与罩壳之间的间隙越小，涡轮增压器的效率就越高。由于每个叶片的形状都略有不同，因此装配到叶轮轴上后，每个叶片的最大高度也略有不同。然而，利用CCD面阵测量系统和专用测量软件，我们就可以精确地安装叶轮轴和叶轮，使其旋转工作，并确定整个装配过程的最佳配合廓形。我们还可以将测量数据反馈回机床，制造商可据此优化加工工艺，实现涡轮增压器工作效率的最大化。

测量速度和精度的提高
　　近年来，基于面阵CCD的轴类零件测量系统还获得了其他一些显著的技术进步。例如，通过多种方式，使测量速度有了很大提高。当然，首先是处理器和控制器的运行速度变得更快，缩短了数据处理时间。在新一代测量系统中可以很容易地看到这种变化。以前，测量机移动到测量点，采集一幅图像，然后需要停顿一会儿进行计算，接着再移动到下一测量点。而现在的新型测量机移动得很快，测量过程中没有明显的停顿，数据处理时间已变得可忽略不计。
　　新一代测量系统还可以利用优化程序，以几种不同的方式加快测量进程。老式系统的编程方式是：首先将测量机移动到需要采集图像的某个位置，然后在希望找到零件边缘、圆弧半径或其他特征的图像范围内确定“感兴趣区域（AOI或ROI）”。对于每个被测特征，都要重复这一过程。在运行程序时，测量机会移动到预先确定的每个测量点，采集图像，然后对每个AOI内的测量数据进行分析，以确定测量结果。而新一代测量系统有所不同。当你完成编程后，系统做的第一件事就是运行优化程序，对你定义的AOI进行检查，然后它会告诉你（比如说）：“你确定的三个AOI相距很近，我可以移动一下位置，将三个AOI合并到同一幅图像中吗？” 对于这种情况，老式系统的处理方式是对三个AOI分别拍摄三幅图像。而新系统则提供了用一幅图像实现三个AOI数据采集的可能性。新系统还会对从上一幅图像到下一幅图像的移动路径进行优化，找到各拍摄位置之间的最短距离。

　　量仪制造商不断改进系统的设计，测量精度也在持续提高，新款轴类测量机通常都比老款机型精度更高。新一代轴类测量系统正在采用其他高端形位测量系统（有些系统可实现亚微米级测量）的零部件，这使轴类测量系统受益非浅，每一代新系统的不确定度指标都在不断改进。
　　当然，机床行业的技术进步也日新月异，车床可达到的加工精度越来越高。因此，这是加工机床与测量系统之间一场永无休止的竞赛。

操作平台的集成
　　在向机床提供数据反馈，以及实现在车间环境下与机床和制造系统集成方面，先进的面阵CCD轴类测量系统已经有了长足进步。有些轴类测量系统制造商还利用“智能界面”操作系统，将其测量设备集成到新的测量平台中，使其更易于操作，进一步提高了测量性能和定制速度。
　　平台集成的概念是指在操作系统的层面上实现模块化。如果在一个制造商的工厂中，所有测量系统都以同一种方式进行操作，都采用相同的基本命令和界面结构，那么无论是制造商还是量仪生产商，都可以获得莫大的好处。一方面，不需要花很多时间去编写和升级系统软件。另一方面，由于生产线上的每种量仪都使用相同的基本操作界面，用户可以更方便地操作不同类型的量仪：无论是表面粗糙度测量、形位测量，还是轴类测量，量仪的设置都基本相同，操作量仪的基本步骤也大同小异。
　　此外，由于不同的测量系统都在同一个平台上进行操作，因此测量系统之间有可能实现“异花授粉”：现在既可以在形位测量机上测量表面粗糙度和表面轮廓，也可以在表面测量仪上测量形位误差；或许很快还能在轴类测量系统上实现表面测量和形位测量。这种前景将使几何量测量技术的整个格局大大改观。利用这种通用平台，为特定测量任务定制测量系统将变得非常简单。利用由各种不同类型测量设备构成的工具库和软件库，为特定测量任务或特定用户提供专用解决方案的能力将会大大增强。另外，由于制造商生产线上的所有测量系统都采用相同的操作方式，可以大大降低对操作人员的培训要求，并大幅提高测量系统的易用性。