高度测量仪工作原理 深度分析数控几何量测量技术进展(4)

数控微观三维形貌的测量，一直受到制造厂商和科研院所的重视。前文所提及的哈理工和哈量于本世纪初联合开发的三维表面粗糙度轮廓测量仪，就是为了满足当时在探索高速高效切削技术过程中，人们在研究数控/刀片切削刃区表面微观形貌和断屑槽型对切削过程和切屑形成机理的影响和作用时，而提出的测量仪器需求（见图1、图3）。由于能对刃口进行快速细微扫描三维检测，光电非接触式探测技术近年也获得新发展。

德国GFM公司采用相位测量线纹边缘投影法可即时提供被测工件表面形貌的精确高度值，而与工件的对比度无关；借助于单一短线纹序列对整个高度范围内实施测量，而不需要垂直高度扫描。其工作原理见图11左。仪器在一次测量中能获取30万-5百万个像素，抓取到一个相当大高度范围内的数据。借助相位测量，线纹边缘位置测量精度高于线宽的1%，从而它的高度分辨力通常至少要好于10倍的相机分辨力。其表面参数平均值（如用于平面度测量）的测量精度甚至比这还要好若干倍。由德州仪器公司开发的数字式微镜显示器（DLP）构成的线纹边缘模块投影（由200万个DLP集成）有极好精密度（见图11b）。

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图11 (a) 线纹边缘投影组成、精密相位测量法及绝对位置编码；(b)DLP芯片及两微单反射镜REM照片

在与德州仪器公司长期密切合作的基础上，GFM公司开发出了基于纯硅基DLP显示器的投影仪，具有优异的温度稳定性和长期工作稳定性。整个仪器的外部配置和控制系统组成图示和公司所开发的数控三维扫描坐标测量仪及刃口测量仪（见图12）。

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图12 (a)外部配置和自运作的系统理念；(b)GFM三维坐标测量系统和数控的测量仪器

奥地利Alicona公司生产的变焦三维光学测量系统主要用于数控类复杂精密小型几何量参数及精细微区几何形貌参数的测量。仪器外观给人印象不同凡响。（见图13）

图13 奥地利Alicona公司的三维光学测量系统及白光共焦显微镜工作原理

考虑到传统接触式测头虽然是一种有效的测量手段，但是在测量微型零件和切削时存在较大的局限性：探针的针尖圆弧半径较大，有时可能无法测出非常精细的表面结构，从而导致测量结果失真。此外，在测量一些复杂形状（如切削刃）时，由于探针的针尖很容易滑落，因此往往无法对工件边缘进行测量。

奥地利Alicona公司开发了Infinite Focus Real3D（无限聚焦实体三维）光学测量系统，采用白光和无限聚焦的工作原理，借助于电机驱动的聚焦装置，使软件控制焦平面的改变以及最佳照明，从而得到若干多个高质量聚焦图像。新的快速图像处理算法能保证得到最佳聚焦图像的高锐化度，以便用于精密测量工件的形状、表面粗糙度和轮廓。笔者以为该测量系统的工作原理类同于图10右示的白光共焦显微镜的工作原理，即它是一台变焦测量仪器，该全新该无限聚焦系统能使我们获得并计算出任意聚焦深度上的高锐化度、高品质的一叠二维图像，利用相关软件和计算方法，集成融合而为一个被测物体的真实三维图像。与传统光学显微镜相比较，它可获得图像的聚焦深度增大了1000倍，从而实现可视化及分析。该系统集三维表面测量装置和微型坐标测量机的功能于一身，实现了对大测量空间和复杂结构表面（或粗糙表面）的高精度测量（纵向分辨率可达10nm，横向分辨率可达400nm）。这意味着只需用一台仪器就能完成对工件形状和表面粗糙度的测量。

Infinite Focus系统的完整形状光学三维测量功能主要是基于其变焦（Focus-Variation）技术，该技术利用垂直扫描光学系统较小的焦深来提供形貌和色彩信息。与其他光学测量技术相比，该系统有两个特点：①其测量方法并不局限于同轴照明或其它特定的照明方式，可以对最大可测倾角（约为90°）进行测量；②对每个测量点可提供真实彩色显示的测量信息，而一次测量的测量点可超过1亿个。此外，Infinite Focus系统可以配备一个三维旋转装置，从而能对一些圆形工件（如立铣刀和钻头）进行360°全方位测量（见图2）。该功能是基于一种先进的三维数据合成技术来实现的，该技术能将从各个不同位置测得的测量结果自动整合为一组完整的三维数据。“Real3D”技术可从不同的角度对同一把进行可视化测量，它可以测量其轮廓、尺寸差和形状。这项完整形状光学三维测量技术对制造商提高（如微型钻头）使用寿命有很大的帮助。制造商可以借助该技术精确地检测磨损情况。由于可以检测一个三维物体的几乎所有形貌，从而能更好地了解工艺性能，有助于优化制造工艺，以较小的误差预算达到公差要求。在质量控制方面，该测量技术可以集成到生产流程中，在将工件送到坐标测量机上进行终检之前确保其加工精度。

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