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发表于 2015-9-14 10:25:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
  “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。
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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。
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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。
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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。
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  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。
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  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。


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