HUANG

　　“軸測量系統”是測量行業的標準術語，但如果就此認為此類量儀只適合測量軸類零件，顯然過于狹隘。在大多數情況下，任何在車床上車削加工出的零件或許都適用于此類量儀。只要零件上有直徑、長度、槽寬、圓角半徑或倒棱等幾何特征，就可以用軸測量系統進行測量。例如，雖然人們肯定不會認為燃料噴嘴的筒體是一根“軸”，但其外部尺寸有不少車削而成的幾何特征，包括需要嚴加控制的直徑和用于安裝O形環、對其寬度和深度都有精確要求的各種溝槽。軸測量系統非常擅長測量此類特征。
　　近年來，軸測量系統變得日益普及，而用戶對此類量儀的期望值也越來越高：他們希望系統具有更多的測量功能和更快的測量速度，能測量尺寸更小、公差要求更嚴的幾何特征；他們希望系統的集成度更高，能將測量結果直接反饋給機床控制系統；他們希望系統更容易操作。當然，他們也希望系統更便于使用，自動化程度更高，使操作者只需“按一下按鈕”就能輕松完成測量。

光學測量引領趨勢
　　用戶對提高測量性能的這些需求，已使測量技術提供商的注意力從其他一些軸類測量方式（如三坐標測量機和專用手動量具，雖然這些系統仍有其用武之地）轉向更新穎的全自動光學軸類測量系統。此類系統用于復雜車削零件的精確質量控制，既可用于計量室，也可用于生產車間，能在幾秒鐘內以非接觸方式完成對車削零件各種特征的精密測量。全自動測量方式消除了操作人員對測量結果的人為影響，許多系統采用的圖形化界面大大簡化了編程和使用。

圖1  德國Mahr公司的MarShaft SCOPE plus軸類零件測量儀

　　軸類零件光學測量系統通常采用兩種成像技術：線陣傳感器和面陣CCD（電荷耦合器件）相機。這兩種技術都采用背光照明方式（即輪廓成像），這意味著測量系統無法“看見”零件的內部特征，因此也無法對其進行測量。除此之外，這些技術還有其他一些需要考慮的優勢與不足。

圖2  軸類測量系統采用背光照明進行輪廓成像

　　線陣掃描技術應用于測量領域已有20多年，其特點是測量速度非常快。正如其名所指，線陣掃描技術利用一系列線束對零件尺寸進行成像（每次用一根線束進行掃描）。為了更好地測量零件邊緣和肩壁，線陣傳感器的線束往往略微傾斜于零件軸線（見圖3）。零件和特征的直徑顯示為一系列相互連接的點，利用這些“可計算”的零件圖像，即可計算出測量結果。但是，由于圖像的分辨率較低，一些尺寸較小的特征往往很難測量。

圖3  線陣傳感器的線束相對于零件軸線略有傾斜

　　與線陣掃描技術相比，高分辨率面陣CCD相機的應用要稍晚一些，而且隨著計算機處理器速度的快速提高，該技術也不斷取得新的進展。過去，雖然面陣測量的速度比其它一些測量方法更快，但由于需要處理的數據量較大，其測量速度仍然稍遜于線陣傳感器。不過，速度更快的處理器和優化程序正在不斷縮小乃至消除這一差距。更高的分辨率使面陣測量更穩定、更精確，而且能夠測量比線陣掃描的“可計算”圖像小得多的零件特征。性能最好的面陣測量系統幾乎可以完全消除操作者的人為影響，并確保盡可能高的測量精度，而且每次測量可以獲得多幅圖像。

面陣測量的優勢
　　一個對帶葉輪的渦輪增壓器軸的測量案例（見圖4）體現了上述兩種測量技術的明顯差異。葉輪的葉片輪廓非常復雜，有些葉片邊緣幾乎處于水平位置。因此，如果用水平線束掃描相機進行測量，則有些掃描線位于葉片邊緣上，而另一些掃描線則位于邊緣上方或下方可能無法成像的某個地方，你無法知道葉片邊緣位于兩根掃描線束之間的準確位置，或葉片形狀的實際過渡曲線。因此，用線陣掃描相機測量時，為了獲得葉片的實際廓形，就不得不多次返工，采用更小的間隔增量重新進行掃描。如果采用面陣CCD相機進行測量，則無需如此費勁：你可以獲得整個零件廓形。對于此類零件特征，面陣相機的測量能力明顯優于線陣掃描相機。

　　渦輪增壓器的一個重要特性是：葉輪的葉片在罩殼內工作，葉片與罩殼之間的間隙越小，渦輪增壓器的效率就越高。由于每個葉片的形狀都略有不同，因此裝配到葉輪軸上后，每個葉片的最大高度也略有不同。然而，利用CCD面陣測量系統和專用測量軟件，我們就可以精確地安裝葉輪軸和葉輪，使其旋轉工作，并確定整個裝配過程的最佳配合廓形。我們還可以將測量數據反饋回機床，制造商可據此優化加工工藝，實現渦輪增壓器工作效率的最大化。

測量速度和精度的提高
　　近年來，基于面陣CCD的軸類零件測量系統還獲得了其他一些顯著的技術進步。例如，通過多種方式，使測量速度有了很大提高。當然，首先是處理器和控制器的運行速度變得更快，縮短了數據處理時間。在新一代測量系統中可以很容易地看到這種變化。以前，測量機移動到測量點，采集一幅圖像，然后需要停頓一會兒進行計算，接著再移動到下一測量點。而現在的新型測量機移動得很快，測量過程中沒有明顯的停頓，數據處理時間已變得可忽略不計。
　　新一代測量系統還可以利用優化程序，以幾種不同的方式加快測量進程。老式系統的編程方式是：首先將測量機移動到需要采集圖像的某個位置，然后在希望找到零件邊緣、圓弧半徑或其他特征的圖像范圍內確定“感興趣區域（AOI或ROI）”。對于每個被測特征，都要重復這一過程。在運行程序時，測量機會移動到預先確定的每個測量點，采集圖像，然后對每個AOI內的測量數據進行分析，以確定測量結果。而新一代測量系統有所不同。當你完成編程后，系統做的第一件事就是運行優化程序，對你定義的AOI進行檢查，然后它會告訴你（比如說）：“你確定的三個AOI相距很近，我可以移動一下位置，將三個AOI合并到同一幅圖像中嗎？” 對于這種情況，老式系統的處理方式是對三個AOI分別拍攝三幅圖像。而新系統則提供了用一幅圖像實現三個AOI數據采集的可能性。新系統還會對從上一幅圖像到下一幅圖像的移動路徑進行優化，找到各拍攝位置之間的最短距離。

　　量儀制造商不斷改進系統的設計，測量精度也在持續提高，新款軸類測量機通常都比老款機型精度更高。新一代軸類測量系統正在采用其他高端形位測量系統（有些系統可實現亞微米級測量）的零部件，這使軸類測量系統受益非淺，每一代新系統的不確定度指標都在不斷改進。
　　當然，機床行業的技術進步也日新月異，車床可達到的加工精度越來越高。因此，這是加工機床與測量系統之間一場永無休止的競賽。

操作平臺的集成
　　在向機床提供數據反饋，以及實現在車間環境下與機床和制造系統集成方面，先進的面陣CCD軸類測量系統已經有了長足進步。有些軸類測量系統制造商還利用“智能界面”操作系統，將其測量設備集成到新的測量平臺中，使其更易于操作，進一步提高了測量性能和定制速度。
　　平臺集成的概念是指在操作系統的層面上實現模塊化。如果在一個制造商的工廠中，所有測量系統都以同一種方式進行操作，都采用相同的基本命令和界面結構，那么無論是制造商還是量儀生產商，都可以獲得莫大的好處。一方面，不需要花很多時間去編寫和升級系統軟件。另一方面，由于生產線上的每種量儀都使用相同的基本操作界面，用戶可以更方便地操作不同類型的量儀：無論是表面粗糙度測量、形位測量，還是軸類測量，量儀的設置都基本相同，操作量儀的基本步驟也大同小異。
　　此外，由于不同的測量系統都在同一個平臺上進行操作，因此測量系統之間有可能實現“異花授粉”：現在既可以在形位測量機上測量表面粗糙度和表面輪廓，也可以在表面測量儀上測量形位誤差；或許很快還能在軸類測量系統上實現表面測量和形位測量。這種前景將使幾何量測量技術的整個格局大大改觀。利用這種通用平臺，為特定測量任務定制測量系統將變得非常簡單。利用由各種不同類型測量設備構成的工具庫和軟件庫，為特定測量任務或特定用戶提供專用解決方案的能力將會大大增強。另外，由于制造商生產線上的所有測量系統都采用相同的操作方式，可以大大降低對操作人員的培訓要求，并大幅提高測量系統的易用性。

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