光學測頭在汽車制造業(yè)的應用

當今測量技術發(fā)展的大趨勢是什么？答案無疑光學測量。光學測量技術包括任何采用普通光、激光及傳感器件的非接觸式測量裝置。該技術在許多方面包括數據量、測量速度和靈活性都具有優(yōu)勢。

雖然許多行業(yè)都能從光學測量技術中受益，但汽車制造業(yè)（尤其是汽車動力總成行業(yè)）的一些發(fā)展趨勢為該技術的應用帶來了獨一無二的機遇。由于汽車市場的需求如過山車般忽上忽下、變化不定，如今的汽車制造商面臨產量不確定的挑戰(zhàn)，縮短生產流程和開發(fā)周期的要求變得日益迫切。隨著汽車零件的加工批量從過去的數百萬件減少到如今的數十萬件，制造商正努力使自己的生產線具有更好的柔性。同時，在各種需求——從美化車身外觀到提高發(fā)動機燃油效率的驅使下，對零件加工精度的要求也更加嚴苛。汽車制造商在產品質量上的競爭比以往任何時候都更加激烈，從而推動了測量技術的進步。在較長的生產流程中，為特定檢測目的而設置的專用檢具可能具有不錯的成本效益，但現(xiàn)在的情況可能已不再如此。

汽車制造商希望提高生產線的柔性，但并不一定是今天生產汽缸蓋，明天生產汽缸體。他們需要的是在一定標準限制之下的靈活性，即在標準的產品組合范圍內變化。Hommel-Etamic公司的Opticline系列光學測量系統(tǒng)就是體現(xiàn)這種靈活性的一個很好的例子。該系統(tǒng)用于在生產車間直接測量長圓柱類工件（如曲軸、凸輪軸、傳動軸等）。測量時，用LED光源對夾持在兩個頂尖之間旋轉的被測軸進行照明，同時用一個高分辨率CCD線陣傳感器采集工件輪廓影像，從而實現(xiàn)旋轉狀態(tài)下工件廓形的數字化測量。該系統(tǒng)用于汽車軸類零件的100％全檢，其直徑測量精度為（2+D/100）µm，長度測量精度為（5+L/100）µm。

雖然非接觸式光學測量已成為主流技術，但仍然存在來自一些制造業(yè)專業(yè)人士的阻力。工程師們對專用檢具和測量基準件比較熟悉，并用這些檢測裝置對測量系統(tǒng)進行重復性和再現(xiàn)性（R＆R）分析。在光學測量系統(tǒng)中，已知基準件的使用、測量范圍的確定以及重復性分析方法都與傳統(tǒng)測量大相徑庭。此外，在光學測量之前清潔工件的成本有時也會成為一個考慮因素。然而，光學測量的靈活性和高速度為質量檢測、復雜零件評估以及加工過程控制提供了一種傳統(tǒng)測量難以比擬的利器。

汽車零部件日益復雜的結構形狀對其檢測提出了新的挑戰(zhàn)，而非接觸式測量技術非常適合應對這種挑戰(zhàn)。有許多因素促使汽車零部件變得越來越復雜。消費者希望自己的汽車具有更好的舒適性和更美觀的外形，這就導致汽車的形狀和曲線日益復雜化。更好的燃油經濟性也是推動因素之一，隨著汽車發(fā)動機的體積越來越小、零部件越來越多，要求在更小的空間中容納更多的零件。此外，CAD/CAM和多軸加工技術的進步大大提高了汽車制造商對具有復雜復合曲線的零件的加工能力。在某種程度上，他們生產這種復雜零部件是因為他們具備了這種能力。

用傳統(tǒng)方法測量這些復雜零部件時，可能很難采集到所有需要的數據，測量具有復合曲線、多種結構特征和其他復雜形狀的零部件時尤其如此。而最大規(guī)格的三維激光掃描儀?？梢蕴幚沓叽邕_1.2m的零部件（如車身頂棚或車門）。這種激光掃描儀安裝在一個封閉的機柜中，由生產人員操作使用。測量時，只需將工件置于掃描儀上，并確保其在采集數據時靜止不動即可。激光掃描儀不需要能對工件精確定位的專用夾具，因為其數據對準是由后處理軟件利用工件的CAD模型來完成的。該系統(tǒng)非常適合檢測塑料注塑件、鑄件和沖壓件。如今的汽車上有很多具有復雜復合曲線的零部件，而三維掃描儀的測量能力非常適合檢測此類零部件，其測量結果的不確定度為0.025mm。

雖然個別檢具可能購置成本更低，有時檢測速度也更快，但它們只能對每個工件進行6－12項測量，并且每生產一種工件就必須配備一種專用檢具。與之不同的是，采用測量軟件的掃描儀是一種“虛擬檢具”，因此具有更好的靈活性。專用檢具的檢測范圍有很大的局限性，且無法解決“檢測蔓延”現(xiàn)象隨著時間的推移，對生產測量的需求會不斷增加，這通常是由一些無法預料的問題和/或生產線上的不合格品造成的。與重新設計和改造專用檢具相比，調整和修改虛擬檢具要容易得多。

各種測量程序以電子文件方式存儲在系統(tǒng)中，并可根據每種被測零件予以選用。這些系統(tǒng)能夠檢測多種零件。對被測零件的唯一限制是其尺寸大小。但也不要無根據地過分高估此類系統(tǒng)的檢測柔性。雖然這些新型測量機提供的數據量和檢測精度令人印象深刻，但采用傳統(tǒng)的接觸式測頭或線性差動變壓傳感器的專用檢具仍有其用武之地。自動化是非接觸測量的一個關鍵要素。提供多種激光掃描儀和光學測量系統(tǒng)，可應用于汽車設計工作室、研發(fā)中心、中試工廠和生產車間。對于生產檢測而言，人們希望測量設備的自動化程度越高越好。為此，我們提供了多種雙臂式坐標測量機以及基于CMM的激光掃描儀。這種掃描儀具有測量速度快、精度高、易于編程和使用的優(yōu)勢。H-R測量機。雖然這些水平臂測量機的標準配置采用PH10MQ接觸式測頭，但也可以配備尼康的激光掃描頭。使用最廣泛的是XC65Dx-LS激光掃描頭。據估計，在我們銷售的用于汽車生產檢測的激光掃描儀中，至少有75％都是這種型號。

在掃描測量具有復雜表面形狀的工件時，為了獲得質量更好的三維影像，并能更好地檢測孔和工件邊緣，XC65Dx-LS激光掃描頭采用了3個激光條紋的十字線。其在（3×65）mm視場內的測量不確定度（1σ）為20μm。該掃描儀超過其他CMM掃描儀的真正優(yōu)勢是可達170mm的大成像距離，這也是激光掃描的優(yōu)勢所在。成像距離是傳感器頭能遠離其正在測量表面的最大距離。較大的成像距離可以提供更好的操作性能，并使CMM編程更容易。XC65Dx-LS激光掃描頭也可以用于第三方的三坐標測量機，并不僅僅局限于尼康公司的測量設備。該掃描儀適合測量鈑金件和沖壓件，既可用于檢測單個零部件，也可用于檢測整個白車身。

很少有用戶希望將速度更快的掃描測量用于工件的100％全檢。大多數用戶如果不是所有用戶的話都寧愿采用統(tǒng)計抽樣方式來進行生產和過程控制。三維掃描提供了對零件進行完全檢測的能力。你可以將測量結果與CAD模型進行比對，生成全彩色的誤差再現(xiàn)圖。不過，生產人員可能對此不感興趣，對其感興趣的主要是研發(fā)實驗室和致力于解決設計或工藝問題的工程師。人們希望快速獲取跟蹤加工過程所需要的數據。因此，我們有許多用戶用激光測頭取代了觸發(fā)式測頭，并只對工件的少數幾個部位進行抽樣檢測。利用這種有針對性的激光掃描方式，可以減少數據量，只對一些特定的（x，y，z）數據點進行比對。這樣做可以縮短測量周期（檢測速度通常可提高50％－70％）。用這種有針對性的激光掃描方法檢測大尺寸塑料零部件（如儀表板）正變得越來越有吸引力，它尤其適合那些用接觸式測頭或掃描模擬測頭檢測時可能會變形的軟材料工件。