适用于机加零件制造质量监控的通用型光学扫描类仪器

作者：上海大众动力总成公司 朱正德

欢迎访问e展厅 展厅 7 三维扫描仪展厅 三维激光扫描仪, 激光跟踪仪, 3D点云软件, ... ——第十五届国际模具技术和设备展览会中检测仪器类展品巡礼 概况 2015年5月25-28日，第十五届国际模具技术和设备展览会在上海浦东新国际博览中心举行。由于某些原因，加之受到同期举办的首届“亚洲商品电子展”这个不但规模大、且聚集了大量观众的商业性盛会的冲击，客观地说，本届模具展无论从规模、人气上，相比历年略有逊色。就以检测设备、仪器这一“模具展”的重要领域来说吧，一些往年的常客，如德国的马尔、霍梅尔，日本的东京精密，意大利的马波斯，美国的法如，挪威的迈卓诺，乃至国内民企中坐标测量机生产的翘楚“怡信”等知名厂商均集体缺席。当然，参会的厂商也还是很多，但是除了海克斯康等部分企业在展会上一如既往地设置了千余平米的庞大展区，并展出了数十台耀眼的展品外，不少昔日的大户，此次似乎都改变了策略，明显地缩小了自身的展览区域和减少了展出的产品数量。那么，这些表象是否就意味着“检测”已呈现出了衰退、萎缩的迹象呢？其实，只要能深入到一个个典型厂商的展台旁，从专业的角度进行交流和沟通，就会发现，多数厂商乃是通过采取“精品战略”，在有限的空间展现了自身最新的、富有特色的，且又贴合当代制造业需求的产品和技术。 光学仪器的特点、现状 自上世纪九十年代以来，光学测量已在汽车制造业获得越来越多的应用。然而，通用光学扫描检测系统虽然具有效率高、非接触测量等优点，但测量精度低、重复性较差等短板也制约了其应用范围。 但随着有远见的仪器厂商在技术上的不懈努力，这种状况已发生了变化。尤其是国外一些知名仪器生产厂商，出于几大有影响力的大汽车集团公司的实际需求，在本世纪初以来为动力总成企业，以及相关的零部件厂所提供的高效率、高精度光学测量仪器。有代表性的产品包括霍梅尔、马波斯等公司的曲轴、凸论轴检测仪、（奥地利）Alicona公司的连杆测量仪和（德国）Nano Focus公司的缸孔内壁测量仪。而且近年来，这些十分先进的高性能仪器也已在国内的一些汽车发动机厂、零部件工厂获得了应用，并在那些关键机加工零件制造质量的监控中发挥了积极的作用。但必须明确指出的是，这些检测设备的一个共同特点就是，它们均为专用测量仪，虽然由于采取了光学扫描系统后覆盖范围稍稍宽了些，如上述的曲轴、凸论轴检测仪，客观上应该称为“轴类测量仪”，但毕竟只能适用于外形为轴的工件，无法用在其它形状的零件。 近几年出现的一些通用型光学扫描类产品的性能已有了极大的提高，在保持了原先光学扫描类量仪优点的同时，在精度等技术指标上也有了明显的提高，相比之前的各类产品，真正成为 “全天候”的高性能仪器。而上述这一些，正好在本届模具展上有着相当充分的体现。 新颖通用型光学扫描类仪器的推出 在知名企业蔡司（ZEISS）展品中的O-INSPECT复合式扫描测量机（见图1）就是一个典型例子。 该机配备了蔡司Discovery V12光学变焦镜头系统，可实现高倍率快速视（影）像测量，其独到的远心技术则可满足其中高精度尺寸要求。通过提供独到的整体解决方案，具有对复杂工件及其中微细结构尺寸进行全面分析评价的能力。安全带锁扣（图2）即是一例，事实上对其的测量十分复杂，包括：多种材料且复杂的装配要求、微米级的公差、近百个尺寸需监控，尤其不仅涉及常规间距和角度量测，还有形位公差中的轮廓度及微细结构测量等。鉴于安全带锁扣组件中所涉及到的几种软塑料关键件具有材质偏软、有明显的弹性等特点，O-INSPECT则以其强化的微测力设计，出色的连续扫描精度（优于传统扫描30%起），可对上述那些软材质实施高精度的三维连续扫描测量。O-INSPECT作为一种高精度复合式扫描测量机，具有测量效率高，多种检测仪器功能一体化的核心竞争力，可有效缩短测量环节，目前包括天合汽车（TRW）在内的多家国内外厂家已选择了此方案。图2(左) 即为蔡司高精度微测力连续扫描测头系统VAST XXT实现对软塑料结构高精度扫描测量。 海克斯康是本届展会上推出新品最多的一家仪器厂商，但其中最为闪亮的还数“HP-O探测系统”。该光学测量装置利用位于红外区间(1550nm)的不可见光为工作光束，而以可见的红色激光作为瞄准和编程中辅助观察之用。基本的测量原理是：通过反射光和低频的调制原始光进行干涉，其频率差异和原始光之间成一定的比例。图3为工作示意。完全解决了长期以来困扰测量用户的“检测精度偏低”的短处，上述非接触式的高精度干涉法距离测头（传感器）可达到亚微米级的分辨率，几乎与PMM-C或SIRIO-688等高精度坐标测量机上的电感型接触式测头处于同一水平。事实上，这个系统的特点之一也就是上面两种传感器可用于同一测量程序中，根据需要测头随时实现自动更换。 总之，其使用方法与接触测头接近，但又具有众多的优势：1)探针小(直径3-5毫米、长度100毫米)，测量效率高、扫描速度达到350mm/s，接收角度高达30°（漫反射），厘米级的测量工作距离；2）对环境光没有限制要求，可以使用特制的漫反射球进行校验，被测面为敏感表面（例如铜，铅等金属表面、抛光面或镜面等）时无需喷涂，可在标准的三坐标测量机工作环境中使用。因此，很适合测量哑光和高亮的叶片一类工件（参见图4）； 3）对于一些有特别测量要求的零部件，象整体叶盘，其结构并非很复杂，被测参数的精度指标也没有定得过高。但众所周知，对整体叶盘（见图5右）上那么多叶片的叶尖跳动，以及它的内腔空间（见图5左）的测量，实在是一件非常麻烦和困难的任务。即使借助高性能的三坐标测量机也很不容易，不仅效率低，而且难以测准。可一旦拥有了HP-O探测系统，情况就发生了根本的变化，利用其非接触式光学探头进行叶尖的连续扫描，不仅测得准，且相比传统方法，耗用的时间减少了90%。至于在测量内腔空间尺寸时，接触探针基本上无法达到内腔要求的位置，而配备了上述新颖检测手段后，这些难题均迎刃而解。 检测设备、仪器、量具领域的巨无霸之一——日本的“三丰”在本次展会上的展区面积虽不大，但布置得很紧凑，展品基本上代表了其近年的产品技术水平。厂商相关人员着力推介、且确实给观众耳目一新的是这样二款产品：1）用于坐标测量机的非接触式线性激光测头系列SurfaceMeasure，参见图6。 2）用于坐标测量机的自动测量程序生成软件MiCAT Planner。前者已是一款系列化的成熟产品，藉助于它，就能方便地完成对各种材质零件的高精度、高效率的测量。尤其是以往的激光测头需要调节激光强度和相机的感光度，以适应不同的工件材质和符合工作环境的要求，而SurfaceMeasure系列具有自动调节功能，能更加简便、快捷地完成对被测物的激光扫描，测量过程中也无需考虑工件表面的色调和光泽度。该系列产品包括四组类型的测头，其中三种为单向线性激光测头606/610/1010，另一种则为交叉型线性激光测头606T，见图7。 事实上，每种型号即反映了扫描范围这一基本参数，如606代表扫描宽度60、扫描深度60，而606T则为扫描宽度3*65、扫描深度65。三种单向线性测头分别对应了由较小到较大的工作范围，精度则从12微米到18微米稍有下降，探测距离则处于240毫米至280毫米的区间，检测不同工件应选用不同的测头，这样才能取得最好的效果。当进行车身内、外覆盖件的测量时，就可选1010型，因为相比606，其探测范围大很多，故效率会更高( 见图8 )。 至于图7右所示的交叉型线性激光测头606T，由于采用3道激光束同时扫描，因此，即使被检工件的形状很复杂，也能进行有效的测量。而且由于明显地减少了（在三坐标测量机上的）测头改变姿态的频率，因此工作效率就高了。当然，采用606T的主要还是出为了提升检测能力，鉴于该测头可同时向三个方向发出扫描激光束，这就具备了对被检工件的顶部和侧面同时进行测量的条件。图9的左视图就是这个过程的简释，激光束甚至可投射到中心部位，右图是用于检测变速器壳体时的实景图。 如前所述，相比往届模具展，本次进场的检测仪器厂商在数量上确有减少，但必须看到：也不乏一些新锐企业携自身极富创新的产品杀了进来。创建于本世纪初的意大利Open Technologies公司，于去年底才进入中国市场，可半年后就由代理商“顶柱科技”偕同，携几款富有创意的新产品在本届展会上惊艳亮相。所有展出的三种新颖光学测量仪器，均采用工业相机探测方原理，其中的一款“Insight 3手动扫描仪”，主要用在医疗、艺术、文物等领域，而另二款仪器产品则着重服务于汽车在内的工业品。图10为CRONOS光学扫描仪，它有普通版和高级版两种型式，主要差别在于前者配的是二个相同的工业专用相机，而高级版则拥有大、小范围相机各一台，图10显示的是后者，型号为CRONOS 3D DUAL。该仪器具有精度高、彩色扫描、不需贴点和自动对齐、扫描范围可选等特点，高级版则进一步具有两个预配置的扫描范围，可根据被测物大小自动选择扫描范围，将不同大小的物体实现数字化，从而使操作更简单。 其所配相机有2百万象素和3百10万象素二种，后者的点距（相当于精度）达0.08mm，用于铸锻件、内饰等塑料件、覆盖件，以及多数零部件的检测还是足够了。而AURUM光学扫描仪则正好相反，是一款专为精密的小型乃至微型零部件量身定制的，其精度可达0.004-0.008mm，从图11可见，其光学配置与CRONOS型相似，但它的系统的专业性更强，具有多种对齐方式（如轴对齐、特征对齐、点对齐等）搭配使用，软件的集成度高、且具有多种个性化的功能，并能让色彩纹理还原真实。尤其是AURUM系统还配备了一个自动回转的载物工作台，不但能够实现被测件的全自动检测，且能自动形成分析报告，可参见图11的右图。 以高水平光学仪器蜚声海内外的尼康公司，近年来频频出现在各种展会，并推出众多用于工业品检测的仪器类产品，本届模具展也不例外。虽然在展品中光学类占的比例很大，尤其是多个系列的激光扫描测头，包括手持式测头、主要用于三坐标测量机（CMM）的激光线性扫描测头，以及适于超大尺寸非接触测量的激光雷达。其中，产品系列十分齐全的第二类激光测头包括了单线性扫描的LC15Dx/LC60Dx /LC50Cx，以及“十字”线性扫描的XC65Dx型等多款。但面对笔者这样的专业人士，接待的尼康技术人员着力介绍、推荐的却是那款手持式激光扫描测头ModelMaker MMDx /MMCx，显然这决不是偶然的。事实上，相比前面介绍过的用于CMM的“三丰”激光线性扫描测头系列，尼康的同类产品在技术指标上差别不大，而那”激光雷达“与本次展会上Leica与API等厂商的激光跟踪仪产品的用途相仿，在性能上也并无明显的优势。可手持式激光扫描测头就完全不同，尽管生产这类产品的厂商也不少，可尼康很自豪又自信地表示，MMDx /MMCx的技术远高于对方。由于它具有高帧速率和200mm的光带宽度，故可实现超高效率扫描。 另外，该系列测头具有了第三代增强传感器（EPS3）的优良性能，不仅检测精度高，且几乎可以扫描任何材料。ModelMaker测头主要用于便携式（也称“关节式”）测量机，见图12右，或直接以手持式检测装置的形态出现，参见图12左。以下一些性能指标较充分地表明了这个产品系列的技术水平（见下表）： 虽说林林总总的高性能光学测量仪器很大程度上成为本届“模具展”检测类展品/技术的一大亮点，然而，如何让迄今仍在广大企业担当着主体责任的传统检测设备、如三坐标测量机，能更好的发挥作用也是一个重大课题。在这一方面，知名的坐标测量机制造厂商（德）温泽公司推出的五轴联动扫描测量系统就提供了很好的答案。 系统通过采用以革命性的测头REVOTM为基础的五轴扫描技术Renscan5TM（见图13）而具有了将三坐标测量机移动时因结构重量所导致的动态误差降至最小、从而显著地提高扫描速度的优势。众所周知，为确保精确度，在大多数情况下，传统坐标测量机的扫描速度均限制在10毫米/秒左右，这就极大地限制了生产率。然而当采用五轴测量系统时，因为测头REVOTM不但更轻巧而且动态性能更好，其频率响应特性很出色，故能快速地跟随工件几何形状的变化，就不会引起动态误差，使测量机可按最佳的原设计方式进行，即可匀速移动。而之所以具备如此的功能，主要是测头REVOTM所采用的一系列新颖技术: 譬如，为了使测头机构在高速运动状态下的动态效应降至最低，利用激光来精确测定探针端部的确切位置。一束激光从安装在REVOTM测一直射到探针端部的反射镜上。此外，REVOTM探针采取不同于传统探针的弯曲设计，意在偏转激光束的返回路径，它将由同样安装在测头体内部的PSD（位置传感器）接收。射在PSD上激光点的移动将与测头座和测头几何运动变化，以及三坐标测量机每轴光学尺的输出值结合在一起，并被转换成测量值输出。从而可推算出探针端部在空间中的确切位置。正是这一新颖的原理在降低测量中运动误差和动态误差的同时，进而提高了测量效率（最高速可达500毫米/秒），此外还有诸多优点，如由于扫描作用力极小，探针几乎不会磨损；由于采用了无级定位方式和五轴联动，因此可以测量更复杂的工件；以及减少辅助时间，简化工件之程序编制过程等。 以下通过一个汽缸盖测量的案例（参见图14）来感受该系统的优越性： •测量任务：12个进排气阀门座和36个扫描段( 每个阀门座3段) •测量效率：采用传统的三坐标扫描测量方式：3轴扫描，扫描速度15 mm/sec，耗时为29 分 13 秒；当采用三坐标用于联动扫描测量方式：扫描速度400mm/sec耗时为3 分 42 秒。——零件测量效率提升690% •关于测头校准：之前传统的: 32分钟，而联动扫描方式: 25分钟——测头校准效率提升28%。 事实上，与温泽公司的五轴联动扫描测量系统同样值得推介和细说的还有几款对汽车厂、特别是动力总成及相关零部件厂会产生很大吸引力的新品，象海克斯康公司的Tigo、蔡司的新一代durmax都是极有特色的车间型高性能坐标测量机。其直接置放于生产线旁时，在不需配任何设施的情况下，可适应-10度到+35度的现场工作环境。但鉴于篇幅，此处就不进一步展开叙述了。

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